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为了对振动图像进行稳像处理及相机平台稳定装置的设计提供理论依据,研究了视轴抖动对成像质量的影响。分析了视轴抖动的原因及特点,在此基础上,提出了按图像灰度算法分析振动模糊图像的方法。利用仿真模型获得了视轴抖动情况下,不同抖动参数所对应的模糊图像的仿真图。搭建了一套振动成像实验装置,在实验中加载不同的振动源,可以得到不同振源下的模糊图像。利用图像的灰度均方误差评价成像质量,结果表明:在误差允许范围内,不论是在实验条件下,还是在仿真条件下,视轴抖动对成像质量影响的结果基本一致,从而验证了仿真算法的正确性。在实际应用中,可以通过仿真来分析视轴抖动对成像质量的影响。
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书书书
第
41
卷
第
4
期
中
国
激
光
Vol.41
,
No.4
2014
年
4
月
犆犎犐犖犈犛犈犑犗犝犚犖犃犔犗犉犔犃犛犈犚犛
犃
狆
狉犻犾
,
2014
视轴抖动对成像质量影响的研究
王婉婷
1
,
2
郭
劲
1
姜振华
1
王挺峰
1
王
锐
1
孙
涛
1
1
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所激光与物质相互作用国家重点实验室,吉林 长春
130033
2
中国科学院大学,北京
( )
100049
摘要
为了对振动图像进行稳像处理及相机平台稳定装置的设计提供理论依据,研究 了视 轴抖动 对成 像质量 的影
响。分析了视轴抖动的原因及特点,在此基础上,提出 了 按图 像灰 度 算法 分析 振 动模 糊图 像 的方 法。利 用仿 真模
型获得了视轴抖动情况下,不同抖动参数所对应的 模 糊图 像的 仿 真图。搭 建 了一 套振 动 成像 实验 装 置,在 实 验中
加载不同的振动源,可以得到不同振源下的模糊图像。利用图像的灰度均方误差 评价成 像质 量,结果 表明:在误 差
允许范围内,不论是在实验条件下,还是在仿真条件 下,视轴 抖 动对 成像 质 量影 响的 结 果基 本一 致,从而 验 证了 仿
真算法的正确性
。在实际应用中,可以通过仿真来分析视轴抖动对成像质量的影响。
关键词
图像处理;运动模糊;图像灰度;均方误差;视轴抖动
中图分类号
TP751
文献标识码
A
犱狅犻
:
10.3788
/
犆犑犔201441.0409001
犛狋狌犱
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1
,
2
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1
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1
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1
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1
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1
1
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2
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(
犕犛犈
)
狋狅 犿犲犪狊狌狉犲犻犿犪
犵
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,
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狋犺犻狊犿犲狋犺狅犱犮犪狀犲犳犳犲犮狋犻狏犲犾
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犻犿犪
犵
犲
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;
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;
犾狅狊
犼
犻狋狋犲狉
犗犆犐犛犮狅犱犲狊
100.2000
;
120.7280
;
100.2960
;
110.3000
收稿日期:
20130805
;收到修改稿日期:
20130925
基金项目:吉林省科技支撑计划(
20126015
)
作者简介:王婉婷(
1990
—),女,硕士研究生,主要从事快速反射镜光束稳定控制方面的研究。
Email
:
wan
g
wantin
g
0907
@
163.com
导师简介:郭
劲(
1964
—),男,博士,研究员,主要从事光电对抗技术方面的研究。
Email
:
g
uo
j
in
_
1964
@
126.com
1
引
言
目前,利用相机采集图像的技术已经广泛应用于
航空、遥感等高分辨力成像系统中
[
1
]
,但是相机在工
作期间,由于受姿态调整动量轮、调姿推力器、相机扫
描机构及外部冲击振动等因素的影响,相机平台会产
生不同频率的振动
[
2-3
]
,在光学成像系统上体现为视
轴的抖动。视轴抖动会导致目标与相机之间产生相
对运动,使目标的像在成像过程中偏离原始位置,从
而造 成 图 像 模 糊,影 响 成 像 质 量
[
4-9
]
。在 实 际 系 统
中,虽然视轴抖动可以通过采用合理的被动减振和主
动稳定技术来抑制,但是无法完全消除。且高分辨力
成像系统对视轴稳定性有很高的要求,即使小幅值的
04090011
中
国
激
光
抖动,也会对成像质量造成很大的影响。因此,研究
视轴抖动对成像质量的影响对提高成像系统的分辨
力和相机平台稳定装置的设计具有重要意义。
国内外对视轴抖动及其对成像质量的影响研究
比较多,但是在分析 的 过程中作 者 研究的侧 重 点不
一样。
Hadar
等
[
10-13
]
从 理 论 上 分 析 了 振 动 引 起 的
像移变化对成像质 量的影响
,并 利用调制 传 递函数
(
MTF
)作为 像 质 的 评 价 标 准,但 未 给 出 仿 真 结 果;
王晓燕等
[
14-15
]
利 用 将 点 扩 展 函 数 (
PSF
)和 原 始 图
像作卷积的 方 法 分 析 了 平 台 振 动 对 成 像 质 量 的 影
响,但是局限 于 高 频 正 弦 振 动;张 秉 仁 等
[
16
]
从 像 素
运动的角度分析了 运动造成 的 图像模糊 问 题,但 仅
侧重于一维和二维匀速直线运动。
本文提出了基于图像灰度计算的运动模糊图像
仿真算法,从图像灰度的角度分析了振动频率、振幅
等参数的变化对成像质量的影响,实现了正弦激励情
况下视轴抖动对成像质量影响的分析。为了验证仿
真方法的正确性,采用灰度均方误差作为评价指标,
结果表明实验结果和仿真结果能很好地吻合,对进一
步研究图像复原算法
[
17
]
具有重要的意义。利用运动
图像模糊算法进行仿真分析,还能够灵活、有效地控
制参数,为相机稳定平台设计提供了理论依据。
2
仿真模型分析
视轴抖动主要是由相机平台及其内部振动引起
的,此时相机和目标之间的相对运动体现为:相机运
动,目标静止。在分 析 视轴抖动 对 成像质量 影 响的
过程中,由于相机的运动 不 容易控制,因此,为了简
化分析过程,将相机 和 目标之间 的 相对运动 近 似等
效为
:相机静止,目标运动。
目标振动时,常见的振动形式为:沿任一坐标轴
方 向 的 振 动 和 绕 任 一 坐 标 轴 的 转 动
[
1-2
]
,如 图
1
所
示
。在垂直于光轴
犣
的平面上,
犡
轴和
犢
轴的分析
过程相同,且任何一 种 振动形式 都 可以分解 为 若干
正弦振动,因此,这 里 以 沿
犢
轴 方 向 的 正 弦 振 动 为
例进行分析。
图
1
振动形式
Fi
g
.1 Formofvibration
2.1
相机成像原理
利用相机对图像进行采集的过程中,在一次曝光
时间内,相机各感光像素接收目标发射出的光,并将
光强转换为电信号输出,经数模转换,以数字图像方
式进行存储 和显示
[
18
]
。但是,当目 标与相机之间 存
在相对运动时,在一次曝光时间内,特定像素的视场
范围内所对应的目标将偏离原始位置,对相邻的几个
像素曝光,最终导致图 像模糊
[
19
]
。为了计算模糊 图
像各像素的灰度值,首先需要知道目标亮度、曝光时
间和图像灰度之间的关系。根据相机成像原理,图像
灰度
犘
与目标亮度
犕
1
及曝光时间
狋
e
成正比
[
20
]
,即
犮
×
犕
1
×
狋
e
=
犘
, (
1
)
式中
犮
为相机 的 成像系数,由相机的性能决定。根
据(
1
)式,为获得模糊 图 像各像素 的 灰度值,需要计
算曝光时间内,相机每个像素接收到的光强。
相机成像光学系统示意图如图
2
所示。若相机
的像素间隔为
犪
,像素尺寸为
犫
,成像系统焦距为
犳
e
,
目标与光学系统 之 间的距离 为
犔
,则 某一像素对应
的物面尺寸为
Δ
犫
=
犫犔
/
犳
e
.
(
2
)
图
2
成像光学系统示意图
Fi
g
.2 Schematicdia
g
ramoftheima
g
in
g
s
y
stem
2.2
图像灰度计算
以像 素暗区的中 心为原点建 立直角坐标 系,如
图
3
所示。当目标 与相机之 间 存在着振 幅 为
犃
,频
率为
犳
,相位为
φ
的正弦相对运动时,假设相机平台
静止,目标运动,则 目 标 上 每 一 点 的 振 动 都 可 以 表
示为
狔
=
狓
0
+
犃
sin
(
2
π
犳
狋
+
), (
3
)
式中
犜
=
1
/
犳
为正弦振动周期,
狓
0
为目标上某一点
04090012
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