本文關鍵詞：基于圖像處理的光電測量設備自動調焦方法研究

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【摘要】：清晰的圖像是光電測量設備實現(xiàn)目標彈道、飛行姿態(tài)的測量和實況景象的記錄的重要保障。然而,光電測量設備與目標的相對距離不斷發(fā)生變化,將導致目標離焦,使目標成像模糊。離焦是光電測量設備在靶場測量中無法避免的問題,嚴重影響了圖像信息的提取與分析,導致目標彈道與飛行狀態(tài)測量的精度嚴重降低。因此,對光電測量設備進行自動調焦使目標清晰成像,對提高光電測量設備的性能至關重要。傳統(tǒng)的光電測量設備調焦方法通常是對目標進行測距并根據距離信息進行調焦或根據人眼觀察進行手動調焦,調焦精度低,且對設備硬件平臺要求較高,成本較大。因此,光電測量設備的自動調焦是靶場測量中亟待解決的問題。本文從圖像處理的角度出發(fā),圍繞調焦窗口構建、圖像質量評價和聚焦位置搜索對基于圖像處理的自動調焦方法進行深入研究,并結合實際工程任務要求,提出了一種適用于光電測量設備的自動調焦算法。調焦窗口的構建是基于圖像處理的自動調焦方法的首要步驟,為整個調焦過程確定目標范圍,克服了背景對調焦精度的影響,并降低了運算量。針對靶場測量中目標大小、位置時時變化的問題,本文從目標跟蹤的角度出發(fā),提出一種自適應目標變化的調焦窗口構建方法。利用Mean-shift算法獲取目標位置信息,并進行視覺顯著性檢測,以視覺顯著性特征確定目標區(qū)域,邊界擴展后構建自適應目標變化的調焦窗口,并結合Epanechnikov核函數(shù)為Mean-shift算法構建自適應核函數(shù),降低目標尺度變化及背景對跟蹤性能的影響,實現(xiàn)目標的有效跟蹤。圖像質量評價是基于圖像處理的自動調焦方法的關鍵,為聚焦位置的搜索提供依據,評價效果的準確與否直接決定了自動調焦的精度。針對靶場目標動態(tài)變化的特點,本文結合非下采樣剪切波變換與自然圖像統(tǒng)計的無參考圖像質量評價方法,在shearlet域提取自然圖像的統(tǒng)計特性,并通過支持向量回歸實現(xiàn)圖像的質量評價,評價結果與人眼主觀評價具有較高的相關性,并克服了圖像內容對評價結果的影響,僅需一幀圖像便能實現(xiàn)調焦狀態(tài)的判斷,適用于自動調焦過程的粗調焦階段。同時為了保證調焦精度,本文提出一種結合圖像二次模糊與奇異值分解的微小模糊度圖像質量評價方法,通過構建二次模糊圖像和奇異值分解將模糊度評價轉化為圖像相似度和能量變化的測量,結合視覺顯著性進行加權,實現(xiàn)微小模糊度圖像的質量評價,對精調焦區(qū)域的微小模糊度圖像質量變化具有較高的靈敏性,并克服了圖像內容對評價結果的影響,提高了自動調焦的精度。聚焦位置搜索是自動調焦過程的執(zhí)行階段,本文對爬山搜索法進行改進,并與曲線擬合相結合,提出了一種適用于光測設備的粗、精結合的聚焦位置搜索策略。粗調焦階段采用自然圖像在shearlet域特性統(tǒng)計的方法實現(xiàn)圖像質量評價,并利用改進的爬山算法對調焦步長進行自適應調整,確定精調焦區(qū)域;精調焦階段采用二次模糊及奇異值分解的評價方法進行評價,以小步長進行調焦并記錄調焦位置及圖像質量評價值,最終在精調焦區(qū)域內以曲線擬合的方法確定最佳聚焦位置。針對提出的自動調焦方法,本文設計了自動調焦系統(tǒng)實驗平臺,并在光電測量設備上進行了大量的自動調焦實驗,對系統(tǒng)的調焦精度、穩(wěn)定性、實時性以及誤差來源進行了詳細的分析。實驗結果表明本文設計的自動調焦系統(tǒng)能夠有效地對靶場目標進行調焦,為實際工程應用提供了解決方案。
【學位授予單位】：中國科學院研究生院(長春光學精密機械與物理研究所)
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TP391.41

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本文編號：1261430