[發(fā)明專利]一種推掃式航天相機(jī)圖像在軌實(shí)時(shí)復(fù)原方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201310310867.2
• 申請(qǐng)日: 2013-07-23
• 公開（公告）號(hào): CN104346773A
• 公開（公告）日: 2015-02-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 付天驕;張立國(guó);郭玲玲;任建岳;李亞鵬
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所
• 主分類號(hào): G06T5/00
• 分類號(hào): G06T5/00
• 代理公司: 吉林省長(zhǎng)春市新時(shí)代專利商標(biāo)代理有限公司 22204
• 代理人: 石岱

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于空間光學(xué)遙感技術(shù)領(lǐng)域，具體的說涉及一種推掃式航天相機(jī)圖像在軌實(shí)時(shí)復(fù)原方法。

背景技術(shù)

線陣推掃式航天相機(jī)是目前應(yīng)用最多的空間相機(jī)，其成像原理如圖1所示。設(shè)航天相機(jī)拍攝的地面場(chǎng)景為f(x,y)，經(jīng)過相機(jī)系統(tǒng)后，獲得的遙感圖像g(x,y)可以表示為：

g(x,y)=h(x,y)*f(x,y)+n(x,y)????(1)

(1)式中h(x,y)為航天相機(jī)系統(tǒng)特征函數(shù)——點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)（PSF），n(x,y)為噪聲，*表示卷積。上式表明，航天相機(jī)獲得的遙感圖像并不是地面場(chǎng)景真實(shí)的重現(xiàn)，而是在成像的過程中發(fā)生了退化，得到的是降質(zhì)圖像。

為了提高遙感圖像質(zhì)量，人們提出了圖像復(fù)原的概念，其數(shù)學(xué)本質(zhì)是根據(jù)已知的g(x,y)以及h(x,y)與n(x,y)的部分先驗(yàn)信息，以不同的準(zhǔn)則對(duì)f(x,y)進(jìn)行估計(jì)，從而得到接近于實(shí)際場(chǎng)景（f(x,y)）的估計(jì)值——目前比較成熟的圖像復(fù)原方法主要有以下幾種：基于最小均方誤差(維納濾波)的圖像復(fù)原法和基于約束最小二乘方(正則)濾波的線性圖像復(fù)原法、基于Lucy-Richardson算法的圖像復(fù)原方法和基于盲反卷積的非線性圖像復(fù)原算法等等。這些方法對(duì)圖像復(fù)原均起到良好的效果。

然而現(xiàn)有的圖像復(fù)原方法都是對(duì)遙感圖像進(jìn)行事后處理，即將航天相機(jī)拍攝的遙感圖像傳至地面再進(jìn)行復(fù)原處理，不具有實(shí)時(shí)性，極大限制了其對(duì)航天光學(xué)遙感的應(yīng)用，特別是在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用。

綜上所述，為進(jìn)一步提高航天相機(jī)遙感圖像的質(zhì)量，并兼顧圖像應(yīng)用的實(shí)時(shí)性，有必要尋求一種推掃式航天相機(jī)圖像在軌實(shí)時(shí)復(fù)原方法，且這種方法可在實(shí)際工程中得以實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容

為了進(jìn)一步提高航天相機(jī)的成像質(zhì)量，解決遙感圖像在軌實(shí)時(shí)復(fù)原的技術(shù)難題，本發(fā)明的目的是要提供一種推掃式航天相機(jī)圖像在軌實(shí)時(shí)復(fù)原方法，該方法是將現(xiàn)有圖像復(fù)原技術(shù)轉(zhuǎn)換為滿足航天相機(jī)在軌實(shí)時(shí)復(fù)原的工程應(yīng)用需求的方法。

采用本發(fā)明的星載相機(jī)與原有的星載相機(jī)系統(tǒng)的區(qū)別如圖2所示，原有星載相機(jī)系統(tǒng)輸出為退化的圖像數(shù)據(jù)——g(x,y)，而采用本發(fā)明的星載相機(jī)系統(tǒng)輸出是對(duì)拍攝場(chǎng)景的近似估計(jì)——即復(fù)原后的圖像數(shù)據(jù)。這是二者本質(zhì)上的區(qū)別。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

該推掃式航天相機(jī)圖像在軌實(shí)時(shí)復(fù)原方法包括如下步驟：

步驟1：利用點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)的估算方法估計(jì)航天相機(jī)在軌點(diǎn)擴(kuò)散函數(shù)h(x,y)，即PSF。

步驟2：利用步驟1所獲得的h(x,y)，采用成熟的線性濾波方法獲得在頻域的復(fù)原表達(dá)式，將表達(dá)式中待復(fù)原圖像頻域信息之外的分量單獨(dú)提出，將其采用傅里葉反變換到空間域中，得到h_y(x,y)。

步驟3：將步驟2中的h_y(x,y)能量分布高度集中的區(qū)域截取出來，根據(jù)具體的數(shù)值分布，截取占總能能量分布99%以上的中央?yún)^(qū)域的矩陣作為空間域反卷積模板h_m(x,y)。

步驟4：將h_m(x,y)與待復(fù)原的地面場(chǎng)景圖像g(x,y)進(jìn)行二維卷積以獲得復(fù)原后的圖像這個(gè)卷積過程通過嵌入式硬件以并行計(jì)算的方式實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)和積極效果：

1、本發(fā)明提供了一種在現(xiàn)有技術(shù)條件下可行的推掃式航天相機(jī)在軌圖像復(fù)原方法，使得航天相機(jī)系統(tǒng)輸出的數(shù)據(jù)發(fā)生了本質(zhì)上的變化，即航天相機(jī)不再直接輸出推掃獲得的遙感圖像g(x,y)，而是輸出基于相機(jī)在軌參數(shù)進(jìn)行圖像復(fù)原處理后的對(duì)地面場(chǎng)景進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)的重建圖像可以有效的提升航天相機(jī)的成像性能。

2、本發(fā)明并不限制估計(jì)PSF所采用的方法，使得適用條件更為廣泛。

3、為了解決圖像在軌復(fù)原的實(shí)時(shí)性難題，本發(fā)明將原本在頻域的復(fù)原搬移到了空間域進(jìn)行處理，保留了成熟的線性濾波復(fù)原圖像的可靠性(兩者在數(shù)學(xué)本質(zhì)上相同)，截取能量分布的主要部分，采用小尺寸的空間域反卷積模板進(jìn)行卷積處理，減小了空間域處理的計(jì)算量，以滿足處理的實(shí)時(shí)性。

4、本發(fā)明針對(duì)線陣CCD航天相機(jī)的推掃成像的時(shí)序，按行實(shí)時(shí)處理圖像數(shù)據(jù)的時(shí)序降低了嵌入式硬件的性能要求和設(shè)計(jì)難度，可采用FPGA進(jìn)行高速并行處理，易于工程實(shí)現(xiàn)。未來隨著嵌入式硬件的高速發(fā)展，這種實(shí)現(xiàn)會(huì)越來越容易，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

5、由于現(xiàn)有的航天相機(jī)的壓縮系統(tǒng)大多采用有損壓縮，而該嵌入式系統(tǒng)位于航天相機(jī)壓縮圖像的前端，所以可以更有效的提高圖像質(zhì)量。