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面阵航侦CCD相机系统设计及其图像拼接技术研究

张德新  
【摘要】:航侦相机作为航空侦察的主要设备之一,历来都是各国空军研究、发展的重点。进入21世纪后,随着科学技术不断发展,新的武器装备和作战理论不断涌现,对航侦相机提出了许多新的技术要求。因此,根据现阶段航侦任务要求研制面阵航侦CCD相机,对提高我国航空侦察能力有着重要的意义。正是在这种背景下,本文依据某研究所与哈尔滨工业大学合作的面阵航侦CCD相机系统研制任务要求,从保证相机图像质量,提高相机视场要求出发,在利用单CCD扫描方案设计面阵航侦CCD相机系统的基础上,研究了此类航侦相机中的像移、图像重叠率波动以及图像拼接问题。主要研究内容包括以下几个方面: 首先,文中在分析比较现有航侦CCD相机设计方案优缺点的基础上,通过借鉴胶片式航侦相机研制经验,采用卧式扫描结构设计了一款面阵航侦CCD相机;并依据相机工作原理和中心投影变换理论,在定义合适的坐标系后,建立了相机理想成像模型,推导了相机成像参数与图像重叠率的关系表达式。相机视场角计算的结果表明,这种相机方案能够有效提高相机视场,可满足航侦任务大视场要求。 其次,针对影响这类航侦相机图像质量的像移因素,依据像移成因,利用相机成像模型,分别建立了前向像移和姿态扰动像移数学模型;并在量化分析像移与扰动量和成像倾角关系的基础上,分别采用电子式和光学式补偿方法设计了前向像移补偿系统,以及滚动和俯仰方向上的姿态扰动像移补偿系统。相机在某次飞行测试中获取的一组航测图像表明,上述像移补偿机构能够有效抑制航侦相机像移,保证图像质量满足相机系统设计要求。 接着,针对这类面阵航侦CCD相机图像重叠率受扰动因素影响的特点,以齐次坐标的形式建立了图像序列2D变换模型,研究了航向、航侧图像重叠率波动幅度与成像间隔和各扰动量之间的关系,并在综合考虑成像参数对像移和图像重叠率影响的基础上,给出了相机扫描角间隔、时间间隔和航道数,以及利用这些参数计算得到的图像重叠率波动幅度范围。航测中获取的相连3航道图像序列表明,相机图像序列之间都存在一定的重叠率,可满足图像拼接处理要求。 最后,针对这类航侦相机图像序列变换特性可近似为平移变换的特点,按图像拼接处理步骤,在利用双线性插值策略设计一种图像平滑算法的基础上,分别研究了基于目标边缘特征配准,以及基于模板匹配配准的图像拼接方法。其中,前者通过Canny算子和Hough变换提取图像中目标的直线边缘特征,并取此边缘特征的交点为图像配准点,完成图像拼接处理。实验结果表明,当图像序列重叠区域中存在符合条件的目标时,该拼接方法具有配准精度高、拼接效果好的优点。为了弥补这种拼接方法在航侦图像中存在通用性不足的问题,文中又以归一化相关系数为模板匹配测度,提出了一种基于仿射变换的模板匹配图像拼接方法。虽然该方法具有通用性好,算法简单和重复性误差低的优点,但是其数据处理量相对较大,配准精度与匹配参考模板选择有关。为了剔除模板匹配拼接过程中的误匹配情形,提高此类图像拼接方法的处理速度,文中通过引入Sobel算子选择匹配参考模板,还提出了一种基于Sobel算子和仿射变换的模板匹配图像拼接方法。实验结果表明,改进后的模板匹配图像拼接方法,可同时具备通用性好和处理速度快的优点。


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