本發(fā)明涉及航空成像領域的一種相移補償方法。
背景技術(shù)：
：當成像于傳感器表面的圖像在曝光時間內(nèi)有位移時，圖像會出現(xiàn)拖影，影響成像質(zhì)量。而對于航拍時，飛機以固定速度飛行，成像于攝像裝置傳感器表面的圖像會產(chǎn)生相對位移。針對此種情況，需要進行相移補償，從而消除傳感器的成像區(qū)域與需要拍攝的圖像目標之間的相對位移。常用的相移補償為機械補償，在曝光時間內(nèi)讓傳感器的位移速度與拍攝目標的位移速度相匹配(速度一致)；此種補償方式整機體積大、結(jié)構(gòu)復雜、電子學設計也相對復雜。目前，電子相移補償多采用全幀ccd設計的，全幀ccd設計相移補償有幀頻低、價格高、結(jié)構(gòu)復雜、功耗高等特點，在設計使用時有著諸多限制。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明對航空視覺成像領域存在的相移問題經(jīng)過了深入研究，從電子學設計出發(fā)，提出一種新的相移補償方法，克服了傳統(tǒng)相移補償方案存在的整機體積大、結(jié)構(gòu)和電子學設計復雜等問題。本發(fā)明的方案如下：基于行間轉(zhuǎn)移ccd的電子相移補償方法，利用行間轉(zhuǎn)移ccd功能，包括以下步驟：步驟一：目標經(jīng)光學系統(tǒng)在ccd表面成像，“影像”以vtarget運動；步驟二：將ccd每個像素的成像區(qū)的“影像”轉(zhuǎn)移到相應的轉(zhuǎn)移區(qū)；所述目標對應成像在ccd任一像素的內(nèi)容記為a，此時像素成像區(qū)以及轉(zhuǎn)移區(qū)的信號記為a1；步驟三：當目標a運動到兩個像素的交界處時，對成像區(qū)內(nèi)的所有像素進行“清零”，即對所有像素的光電子進行復位；步驟四：當目標a運動到兩個像素的交界處時，還同時將所有像素的成像區(qū)以及轉(zhuǎn)移區(qū)圖像沿垂直方向下移一行；步驟五：由于步驟三對成像區(qū)域進行了“清零”，因此當前在含有a1信號的像素的成像區(qū)內(nèi)成像的目標還是a，此刻再對圖像進行轉(zhuǎn)移，在該像素內(nèi)的電荷包能量為a1+a2，成像目標還是a，因此沒有相對運動；以此類推，在曝光時間內(nèi)，最終累計到目標電荷為a＝a1+a2+…+an；其中：n為累加次數(shù)；假設像元尺寸為p；曝光時間為：對于以上方案，通常最長曝光時間小于每幀的轉(zhuǎn)移時間。實現(xiàn)所述行間轉(zhuǎn)移ccd功能的芯片通常要求最高頻率工作在4通道模式、54mhz時鐘。本發(fā)明優(yōu)選sony公司的icx694芯片實現(xiàn)所述行間轉(zhuǎn)移ccd功能。本發(fā)明的技術(shù)效果如下：利用行間轉(zhuǎn)移(interline)ccd功能，讓ccd傳感器的成像區(qū)域隨著拍攝目標運動，從而實現(xiàn)在曝光時間內(nèi)拍攝目標與成像區(qū)域進行匹配。與機械補償方法相比，本發(fā)明簡化了航空視覺成像系統(tǒng)的設計，有效提高了產(chǎn)品可靠性和相移補償精度，降低了產(chǎn)品功耗、體積等。本發(fā)明還具有幀頻高、成本低、使用靈活、硬件實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單等特點。附圖說明圖1為ccd單個像素的實際設定結(jié)構(gòu)。圖2為目標與傳感器對應示意圖。圖3為步驟一影像成像的示意圖。圖4為步驟二“影像”讀出的示意圖。圖5為步驟三“影像”清零的示意圖。圖6為步驟四“影像”轉(zhuǎn)移的示意圖。圖7為步驟五“影像”疊加的示意圖。圖8為整個電子相移補償過程的流程圖。圖9為icx694框圖。圖10為曝光區(qū)域示意圖。圖11為轉(zhuǎn)移區(qū)域示意圖。圖12為轉(zhuǎn)移流程圖。圖13為速度對應圖。圖14為參數(shù)匹配圖。具體實施方式一、行間轉(zhuǎn)移ccd功能模型及工作原理ccd全稱為電荷耦合器件(chargecoupleddevice)，有關(guān)介紹該器件的文獻有很多，往往從理論角度出發(fā)介紹其工作原理；而對于實際應用，真正有意義的是“怎么用”。本發(fā)明主要將ccd理解為通道。如圖1所示，ccd在成像區(qū)收集電荷，轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū)，在通過垂直轉(zhuǎn)移(通道)、水平轉(zhuǎn)移(通道)將ccd像素輸出。電子快門：清除成像區(qū)的有效電荷；讀出操作：將成像區(qū)的有效電荷轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū)域；v驅(qū)動：將垂直轉(zhuǎn)移區(qū)的電荷向下一行轉(zhuǎn)移；h驅(qū)動：將水平轉(zhuǎn)移區(qū)的電荷向外輸出。二、本發(fā)明利用行間轉(zhuǎn)移ccd功能實現(xiàn)電子相移補償?shù)脑沓上裣到y(tǒng)是一個光、機、電的系統(tǒng)設計。在相移補償設計中，補償速度與飛機飛行速度、飛機高度、光學視場、光學焦距等指標相關(guān)。這里我們只關(guān)心成像于傳感器表面的“影像”在傳感器上的位移速度。假設“影像”在傳感器表面的速度為vtarget。目標與傳感器如圖2簡單示意，本發(fā)明的電子相移補償由以下幾個步驟實現(xiàn)：步驟一：如圖3所示，目標經(jīng)光學系統(tǒng)在傳感器表面成像，“影像”以vtarget運動。步驟二：如圖4所示，將成像區(qū)的的影像轉(zhuǎn)移到轉(zhuǎn)移區(qū)。步驟三，如圖5所示，當目標a運動到兩個像素的交界處時，對成像區(qū)內(nèi)的所有像素進行“清零”。步驟四：如圖6所示，在進行完步驟二時，將所有圖像沿垂直方向下移一行。備注：步驟三與步驟四是同時進行的。步驟五：如圖7所示，由于步驟三時對成像區(qū)域進行了“清零”，因此在此段時間內(nèi)在含有a1信號的像素的成像區(qū)內(nèi)成像的目標還是a，此刻再對圖像進行轉(zhuǎn)移，在該像素內(nèi)的電荷包能量為a1+a2，成像目標還是a，因此沒有相對運動。其他過程以此類推。因此在曝光時間內(nèi)，最終累計到目標電荷為a＝a1+a2+…+an其中：n為累加次數(shù)。假設像元尺寸為p，曝光時間為：此過程流程如圖8所示。三、主要指標分析以sony公司icx694(如圖9所示)為例對其主要指標進行分析。3.1幀頻分析：由于在此種模式下，成像于傳感器表面的“影像”必須與轉(zhuǎn)移同一方向。icx694最高頻率是工作在4通道模式，在4通道模式下，輸出時top端和bottom端圖像的轉(zhuǎn)移方向是相反的，因此在曝光階段top端采用與輸出時相反時序。即在曝光時，top端和bottom端時序相同；在輸出時，采用4通道方式輸出(top端和bottom端時序相反)，可以實現(xiàn)全分辨率輸出。在電子相移模式下，采用曝光與轉(zhuǎn)移結(jié)合方式進行，因此，幀頻是與曝光時間長短相關(guān)的。在正常模式下，曝光與轉(zhuǎn)移是同時進行的，最長曝光時間小于每幀的轉(zhuǎn)移時間即能達到傳感器的最高輸出幀頻。如圖10、11所示，由于圖像上半部分為漸變區(qū)域(相移補償造成)，下半部分為全部圖像，因此必須對全區(qū)域進行轉(zhuǎn)移。采用4通道方式進行轉(zhuǎn)移。8行黑電平作為圖像黑電平的參考之一(另外為水平黑電平參考)，此8行需要全部讀出。隨后564行直接傾瀉掉，再最后的540行全部讀出。讀出一幅1080p的圖像時間為：tread_image_1080p＝548×thalf_of_line+564×tdump_of_line+32clk其中：tread_image_1080p在四通道模式下讀出一副圖像所需要的時間；thalf_of_line讀出半行所需要的時間；tdump_of_line傾瀉一行所需要的時間；根據(jù)時序圖可知，轉(zhuǎn)移半行需要時間為即thalf_of_line為：1804個clk；傾瀉一行時間tdump_of_line為：256個clk；由公式可以計算出，在四通道模式下，讀出一副圖像需要時間為：548*1804+564*256+32＝1133008個時鐘采用54mhz時鐘，轉(zhuǎn)移完一副圖像需要20.98ms。本項目以25幀/s，1080p為設計目標。因此每幅圖像曝光+轉(zhuǎn)移時間為40ms。留給單幅圖像的曝光時間不大于19ms。因此，攝像機最大曝光時間為：其中：texposure_max為允許的最大曝光時間，單位ms；目標幀頻為我們設計的目標頻率。表1典型目標幀頻與最大曝光時間列表目標幀頻(幀/s)最大曝光時間(ms)2519.022029.021545.691079.025179.023.2最大允許速度分析這里分析的速度為“影像”在傳感器表面的速度。飛機允許的最大飛行速度與飛機的速度、高度、光學系統(tǒng)的焦距等參數(shù)有關(guān)，飛機飛行的最快速度可以通過速高比公式等效到傳感器表面的光學影像速度，因此這里只分析傳感器表面的“影像”速度。假設對于理想圖像灰度值的最大曝光時間為texposure_max，由于曝光區(qū)域最大允許走過572行，每行的尺寸為4.54um，因此可以計算出允許的“影像”的最大速度為：其中：vtarget為“影像”的最大速度，texposure_max為最大曝光時間，4.54um為一個像素的尺寸。這里以25幀/s，1080p分辨率為例，在此模式下，允許的最大曝光時間為19.02ms，代入公式可以求得允許的最大“影像”速度為136.5mm/s。同時在曝光區(qū)域，由于讀出、清零、轉(zhuǎn)移采用驅(qū)動信號完成，根據(jù)經(jīng)驗，建議“影像”走過一個像素的時間大于讀出或者轉(zhuǎn)移時間的10倍(此為經(jīng)驗值，需要實際驗證)。在該芯片中讀出時間6.3us，清零時間為1.3us，轉(zhuǎn)移時間為2.8us。因此，要求“影像”走過一個像素的時間大于60us。要求“影像”在傳感器表面的速度小于4.54um/60us＝75mm/s其中：4.54um為一個像素的尺寸。表2典型目標幀頻與允許的目標“影像”關(guān)系目標幀頻(幀/s)最大曝光時間(ms)公式計算出(mm/s)建議采用值(mm/s)252.85136.5752012.8589.5751529.5256.846.71062.8532.921.95162.8514.58.473.3設計使用在時序設計完之后，補償速度就是固定的。因此對于不同的補償速度應當事先知道，對于不同的速度可以采用上位機輸入的方式進行控制，如圖13所示。使用時，使用環(huán)境及光學參數(shù)決定了“影像”速度，“影像”速度必須與補償速度一致，如圖14所示。當前第1頁12