彩色大面阵航空测绘相机前向像移补偿分析及误差纠正

为了提高彩色大面阵航空测绘相机的成像分辨率和测绘精度,对其前向像移补偿的可行性进行了分析,并设计了前向像移补偿机构。根据航空成像的中心投影模型,研究了前向像移补偿下航空测绘相机内、外方位元素的变化对成像过程的影响,证明了前向像移补偿的可行性;设计了一套基于等径共轭凸轮机构的前向像移补偿机构,并分析了各种误差因素对测绘精度的影响;提出了基于仿射变换的误差纠正方法。实验结果表明,提出的前向像移补偿方法正确,机构引入误差的纠正精度可以达到0.001mm。     

一种彩色面阵CCD测绘相机前向像移的补偿方法

 为了实现对前向像移的补偿,提出一种通过合理调整快门曝光时间和飞机速高比之间的关系来补偿前向像移的方法,对前向像移产生的原因进行研究。介绍彩色面阵CCD工作原理、相机工作原理,从光学系统成像原理的角度分析产生前向像移的原因,还分析了速高比和曝光时间误差。实验结果表明：速高比误差和曝光时间误差均可控制在合理误差范围内,满足前向像移量小于1.5个像元尺寸的补偿要求,达到了测绘相机的精度指标。     

像移补偿技术的发展与展望

航空相机广泛采用像移补偿技术来提高成像质量和相机分辨力。本文分析了像移补偿的原理并介绍了国内外较多采用的像移补偿技术,如光学式像移补偿法、机械式像移补偿法、集成像移补偿法、数字式像移补偿法等。文中列举了像移补偿过程中获取重要参数速高比的常用方法,包括平行狭缝法、扫描相关法、外差法、光程差法、直接计算法等。最后讨论了像移补偿技术数字化的发展方向,以及速高比测量的数字化、实时化、小型化发展趋势,提出了采用面阵CCD结合高性能微处理器获取速高比的新思路。     

像移补偿技术的发展与展望

航空相机广泛采用像移补偿技术来提高成像质量和相机分辨力。本文分析了像移补偿的原理并介绍了国内外较多采用的像移补偿技术,如光学式像移补偿法、机械式像移补偿法、集成像移补偿法、数字式像移补偿法等。文中列举了像移补偿过程中获取重要参数速高比的常用方法,包括平行狭缝法、扫描相关法、外差法、光程差法、直接计算法等。最后讨论了像移补偿技术数字化的发展方向,以及速高比测量的数字化、实时化、小型化发展趋势,提出了采用面阵CCD结合高性能微处理器获取速高比的新思路。     

TDI-CCD全景航空相机的像移速度场计算模型研究

针对扫描反射镜和电荷耦合器件(CCD)时间延迟积分(TDI)无法完全补偿前向像移和摆扫像移的问题,提出了TDI-CCD全景航空相机像移速度场的计算模型。根据相机结构和像移补偿原理,用坐标变换和共线方程建立了成像几何模型,在此基础上利用微分法推导出像移速度场的解析式。数值分析表明,像点位置越接近CCD靶面的后边缘,扫描角和前向补偿角越大,像移速度越大。对于TDI级数为100、CCD像元数为14000的全景航空相机,当扫描角小于-1.5°、前向补偿角小于4.16°时,可满足最大像移补偿残差小于1pixel的要求。实验结果验证了模型的有效性,该模型可作为定量分析TDI-CCD全景航空相机像移补偿误差的理论依据。     

基于联合变换相关的机载航空相机像移测量

为了提高像移测量精度,针对机载航空摆扫相机提出一种坐标变换法和图像相关法相结合的像移测量方法。利用坐标变换法得到初始像移速度,利用图像联合变换相关法对像移速度残差进行补偿。联合图像通过一个面阵CCD获得,该面阵CCD放置在相机焦平面上并与成像线阵TDI CCD平行,其输出的当前图像与参考图像合并构成联合图像进行二维空间联合变换相关运算,得到像移修正矢量。对该矢量分别在相机摆扫方向和载机飞行方向进行分解,从而得到摆扫像移和前向像移的修正量。仿真实验结果表明,在输入图像信噪比为4 dB时,像移测量误差在0.1 pixel以内。     

基于倾斜刃边法航空相机像移的调制传递函数测量

由于航空相机拍照时存在像移,会导致成像质量下降,因此在航空相机中必须有像移补偿机构。目前一般采用主观判据,即通过人眼判别是否存在像移以及像移量的大小,来评价像移补偿系统的性能是否达到设计要求。主观判据受人的主观性影响较大,而且只能定性评价。为了建立航空相机成像质量与像移补偿系统其他指标之间的直接关系,提出使用倾斜刃边法测量航空相机像移的调制传递函数(MTF)。设计了相应的实验,实验中通过转台的转动模拟航空相机的扫描像移,分别通过倾斜刃边法测量像移的MTF和通过理论模型计算像移的MTF。实验结果表明,在空间频率为0.10cycle/pixel时,转台以3、5、8°/s转动时,两种方法得到的MTF之间的误差百分比分别为0.77%、1.15%、4.91%,进而证明了该方法的有效性。     

基于图像复原的高光谱图像前向像移补偿

为了提高高光谱图像空间维的图像分辨力,针对航空遥感器成像时由前向像移造成的图像模糊提出了像移补偿方法。分析了航空遥感器前向像移造成图像模糊的退化机制,对运动模糊图像进行了预处理;估计了点扩散函数和噪声功率,使用改进的维纳滤波算法对图像进行复原并以绝对平均误差、峰值信噪比作为评价标准进行了实验。在估计出模糊图像点扩散函数和噪声功率的情况下得到的结果显示:与传统的维纳滤波复原算法相比,改进的维纳滤波复原算法的图像绝对平均误差降低了9.31%,峰值信噪比提高了13.98%,表明提出的算法能够有效改善高光谱图像的像质。     

一种全帧型CCD航空相机像移补偿方法

提出一种全帧型CCD航空相机像移补偿的实现方法.应用全帧型CCD在机械快门不关闭的情况下连续曝光的特点,并根据不同的速高比控制暂停脉冲的个数和宽度,控制了CCD垂直转移的速度,使CCD在曝光的同时进行转移和读出,实现了全帧型CCD航空数码相机航向方向的像移补偿.实验数据表明：该方法能够实现全帧型CCD像移补偿的功能.     

全景式TDICCD摆扫航空相机像面旋转的高精度补偿

摆扫式相机在扫描成像过程中,必须保证扫描机构与像面探测器之间摆扫运动的同步性,如果二者之间出现角度偏差或速度偏差,就会引起像旋转现象,使图像模糊,造成图像质量的下降。以全景式时间延迟积分(TDI)CCD摆扫航空相机为例,利用坐标变换方法建立了像旋分析的数学模型,分析了位置同步误差与速度同步误差对成像质量的影响,提出了基于干扰观测器的同步补偿方法,保证了两个机构之间位置及速度的同步性,实现了调速控制器与同步控制器的独立设计,有利于实际应用。通过实验室静态分辨率成像实验及对外成像实验,对理论分析结果进行验证。实验结果表明基于本方法的位置及速度同步误差分别小于0.0043°、0.0695°/s,均满足补偿精度要求,在成像过程中图像的旋转及失真现象得到了明显的抑制,图像质量获得了大幅提高。     

全景式航空相机图像拖影与扭曲补偿系统研究

在全景式航空相机摆扫成像过程中,由于机载环境振动隔离不彻底,造成扫描反射镜位置波动,引起视轴的抖动,使图像沿摆扫方向产生扭曲及拖影现象。针对上述问题,建立了飞行速度、高度及目标水平倾角与俯仰轴补偿速度之间的几何模型,分析了外界扰动造成图像扭曲的成因以及俯仰轴补偿精度对图像拖影程度的影响;通过模型建立和参数分析,得出了俯仰轴控制系统的动态和稳态性能指标及稳健性要求;利用实验室动态目标发生器、平行光管模拟相机与景物间的相对运动,对控制系统的精度进行试验验证;振动环境下对外景成像,验证控制系统的抗扰性能。试验结果表明:俯仰轴控制系统的稳速误差小于0.005°/s,几乎可以完全抑制图像拖影现象;系统对7Hz以下的干扰信号速度补偿残差小于0.1°/s,可以有效补偿干扰造成的图像扭曲现象。     

采用广角数码相机测量图像显示系统的几何畸变

准确地测量含有广角耦合物镜的图像显示系统的几何畸变是实现图像显示系统几何畸变数字校正的前提和关键。提出了一种以非量测广角数码相机为测量设备的几何畸变的测量方法,首先给出了广角数码相机镜头畸变的标定方法,确定了数码相机镜头畸变系数,然后讨论了基于广角数码相机和Photoshop软件进行图像显示系统几何畸变测量的测量方法,分析了影响测量精度的因素。最后,将本文的测量结果与基于点物成像原理,采用单轴转台和普通数码相机进行测量的测量结果进行了对比,二者吻合得较好。从测量结果看,本文给出的测量方法,其测量精度可以满足工程要求,简单、易行。     

基于精密测角法的测绘相机分组渐进标定算法

针对精密测角法标定测绘相机内方位元素中理论误差和观测点分布状态对标定精度影响的问题,提出了一种基于精密测角法的分组渐进标定算法。提出的算法包括2个部分：采用分组渐近方式调整精密转台零点位置,减小了理论误差;对每组观测数据引入了数据一致性约束,消除观测值分布、数量对标定结果的影响。最后,给出了分组渐进算法的精度分析。实验数据显示,在相同试验环境条件下,分组渐进标定算法中主点、主距标定精度比精密测角算法分别提高了2.43倍和2.00倍,可达到2.12 μm和4.02 μm,表明分组渐进标定算法提高了标定精度。     

使用压缩感知的遥感图像振荡畸变几何校正方法

卫星平台振动和反射镜震颤会引起遥感图像中的振荡畸变。这类畸变难以通过常用的几何校正方法消除。对此,提出了一种使用压缩感知的几何校正方法。该方法基于有理函数模型(RFM)进行几何校正。在校正过程中,利用初始的RFM计算出地面控制点(GCPs)在图像中的投影坐标与实际成像坐标之间的偏差(称为投影偏差),以地面控制点处的投影偏差作为采样值,使用压缩感知技术重构出所有像元处的投影偏差,并据此对RFM进行像方补偿;利用经过补偿的RFM进行遥感图像纠正。通过补偿,消除了振荡畸变引起的RFM模型误差,进而提高校正性能。利用实测数据验证了该方法的有效性,并通过仿真数据分析了地标点的数量与分布对该几何校正方法性能的影响。     

高速分幅成像系统中多路图像性能不一致的校正方法研究

针对用于获取具有时间分辨能力的序列图像的高速分幅相机而言,其图像处理主要包括了图形的几何形变校正、图形位置配准、一幅图像中各像元响应的平场校正及各幅图像响应一致性的校正等内容,不仅要解决每幅图像本身的问题,还要解决各幅图像间的形态对比的问题。通过对这些处理目的所涉及的方法逐一进行进一步的研究,所获得的处理方法用于实际图像的处理获得了比较好的效果,大幅度提高了图像间的相关度和一致性,为解决多路成像系统图像性能不一致的现象提供了有效的方法,达到了实际应用的水平。     

两线阵CCD相机几何指标差异对立体测绘的影响

为了准确、全面地揭示相机几何指标在立体测绘中的误差传播规律,研究了两线阵CCD相机几何指标差异与定位准确度之间的关系.针对两线阵立体测绘特点,分析了影响测绘定位的几何指标差异参量.在前方空间交会地面点计算公式的基础上,推导并建立了两线阵相机定位准确度模型,据此研究了内方位元素标定误差间的几何指标差异对定位准确度的影响规律.结果表明:主点位置x方向误差间的差异对定位准确度影响显著,当其值从1 μm增至2.5 μm时,定位准确度明显下降了60%,焦距f误差间的差异对定位准确度的影响几乎可忽略.本文所建立的模型与相关研究结论对两线阵CCD相机指标的量化与优化设计具有重要指导意义.     

两线阵CCD相机几何指标差异对立体测绘的影响

为了准确、全面地揭示相机几何指标在立体测绘中的误差传播规律,研究了两线阵CCD相机几何指标差异与定位准确度之间的关系.针对两线阵立体测绘特点,分析了影响测绘定位的几何指标差异参量.在前方空间交会地面点计算公式的基础上,推导并建立了两线阵相机定位准确度模型,据此研究了内方位元素标定误差间的几何指标差异对定位准确度的影响规律.结果表明:主点位置x方向误差间的差异对定位准确度影响显著,当其值从1 μm增至2.5 μm时,定位准确度明显下降了60％,焦距f误差间的差异对定位准确度的影响几乎可忽略,本文所建立的模型与相关研究结论对两线阵CCD相机指标的量化与优化设计具有重要指导意义.     

特征平行直线的成像畸变现场校正

针对畸变对成像测量的影响,通过对摄像机畸变模型的分析,提出了一种基于特征平行直线的畸变现场校正方法.该方法分两步,非线性径向畸变的校正和透视畸变的校正.首先,提取图像中包含的多条特征直线,然后通过迭代法将成像后的弯曲直线拉直的方法获得系统非线性径向畸变参量,再用这些参量对非线性径向畸变进行校正,得到去非线性径向畸变的图像.通过对图像中的特征平行直线进行拟合,获得系统的透视畸变参量,并以这些参量反演迭代实现对透视畸变的校正,进而得到去透视畸变的图像.实验和仿真结果表明:该方法通过两步法利用图像中的特征平行直线先验知识能够有效实现对成像中多种畸变的一靶现场校正;对像机径向畸变和透视畸变的校正后相对误差均达到5%以内,适合于工程中基于图像的测量和目标识别中目标无固定位置的复合畸变的现场校正.     

一种基于共轭节面的图像畸变分析方法

无像差的光学相机的成像模型可由其共轭节面模型等效表示。针孔模型本身忽略了偏离该等效模型的误差,也无法表示平板玻璃的平移误差、光轴的安装误差以及实际相机光学系统的像差,这四个因素都会引起图像畸变。基于此利用共轭节面的性质建立了一种图像畸变几何模型,并与广泛采用的像差模型进行了对比,从理论上解释了像差模型各个系数的物理意义。对某实际针孔相机进行仿真分析,该几何模型给出的相对径向畸变、角度误差在设计参数的范围以内,并且可以模拟图像的非对称畸变。该几何模型需要辨识包含主面相关参数、光轴倾斜角和平板玻璃的轴向球差在内的4个参数,辨识参数较少,理论上可以作为一种新的图像畸变校正方法。