基于图像处理自动调焦技术在经纬仪中应用的研究

【摘要】：光电经纬仪对目标进行跟踪测量过程中，目标与设备的相对距离不断发生变化，会造成目标像面离焦，降低了背景与目标成像的对比度，影响了成像质量。现有的光电经纬仪的调焦是依靠人眼观察手动调焦,或根据距离信息来实现距离调焦，这种传统调焦方式具有精度不高等缺点。同时由于受温度变化使得经纬仪焦面发生变化，为了减小环境温度变化对经纬仪成像系统的影响，目前主要利用温度经验公式补偿温度引起的离焦量，况且每台经纬仪都需要进行外场温度补偿标定，工作量很大。因此自动调焦问题是光电经纬仪亟待解决的问题。 随着现代计算技术的发展和数字图像处理理论的日益成熟，越来越多的自动调焦算法运用的是图像处理理论。基于图像处理自动调焦技术在光电经纬仪等大型光测设备中是非常具有应用前景的，在此背景下本文对基于图像处理理论的自动调焦技术进行了相关研究。 本文首先根据图像处理自动调焦的原理及其关键技术，给出了基于图像处理的自动调焦技术在经纬仪中的应用的系统组成和工作流程，对目前基于图像处理的清晰度评价函数进行了分类阐述，并且对某些评价函数进行改进，选取几种代表性调焦评价函数进行计算与实验，得到并分析其函数曲线，选出最优的清晰度评价函数。本文将经纬仪自动调焦过程分为粗调和细调两个过程，通过实验得到本文提到的改进的Kirsch清晰度评价函数适合作为粗调清晰度评价函数，基于小波变换的清晰度评价函数适合作为细调清晰度评价函数。 针对小波变换清晰度评价函数计算量大，实时性不高的特点，本文采用提升小波变换的清晰度评价函数，采用提升方法构造小波函数，并提出基于提升小波变换的清晰度评价函数。 本文提出了一种经纬仪自动调焦窗口的选择方法——基于目标脱靶量计算调焦窗口，该方法能跟踪运动目标，计算量较小，满足调焦准确性的要求，另外还减少了背景对调焦过程的影响。 在聚焦搜索过程中，本文提出一种适合经纬仪自动调焦的搜索算法——爬山搜索与曲线拟合相结合的搜索算法，在粗调焦过程中，使用爬山搜索算法，在细调区内，采用爬山算法与曲线拟合相结合的调焦方式。本文对爬山搜索算法存在的问题进行多项改进，实验证明了该方法的有效性。 最后对基于图像处理的自动调焦系统在经纬仪上进行了验证，实验表明本文算法能够做到对经纬仪图像的自动调焦，系统的调焦精度为±0.015mm。稳定性较高，该自动调焦系统完全能够满足光电经纬仪实时跟踪以及事后数据处理和分析对图像清晰度的要求。