星上时间延迟积分CCD拼接相机图像的实时处理

提出一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的时间延迟积分(TDI)CCD图像实时处理方法以提高拼接成像系统输出图像的质量和视觉效果。首先,对TDICCD成像系统进行像元级非均匀性校正,去除像元响应差异、固定图形噪声和暗电流噪声;对图像进行了基于行极值的自适应中值滤波,去除了图像中的随机噪声和脉冲噪声。然后,对噪声处理后的图像进行图像增强,通过提取图像的低频和高频成分,实现图像细节信息的调整和对比度增强。最后,采用基于行的分段线性拉伸方式,提高图像的动态范围。设计了基于FPGA的TDICCD成像系统的图像实时校正处理结构,分析了算法占用的资源、算法计算误差和可靠性等指标。实验结果表明,提出的图像实时处理结构将图像输出信噪比均值由48db提高到52db,图像非均匀性由3.41%降低到1.73%,图像的对比度显著增强,其动态范围提高了6%.     

外同步式时间延迟积分CCD传感器模拟装置

由于时间延迟积分(TDI) CCD传感器在调试阶段易损坏,本文提出了一种基于外同步信号驱动原理的TDI CCD传感器模拟装置.该模拟装置实际尺寸可以达到长100 mm,宽45 mm,与实际TDI CCD传感器的物理尺寸相当,可根据实际光照度大小精确地模拟TDI CCD传感器像元感光程度.该装置可以模拟TDI CCD传感器输入引脚的阻容特性并能合成完整的TDI CCD视频输出信号,实现TDI CCD传感器的16、32、48或64级积分级数控制的功能.该装置还可以模拟CCD驱动信号和输出视频信号的温度延时特性,延时时间在0.5～12.5 ns间可调,从而方便了信号采样电路对采样时刻的调试.     

多TDICCD拼接相机成像非均匀性实时校正的硬件实现

提出了一种基于现场可编程门阵列(FPGA)平台实现的成像非均匀性实时校正算法来解决遥感多时间延迟积分(TDI) CCD拼接相机存在的问题.首先介绍了拼接相机成像非均匀性(PRNU)的定义及其产生的原因,然后针对拼接相机的特点,提出了一种通道内用两点定标法、通道间用增益平均法、片间用自适应场景补偿法的复合非均匀性校正算法...     

离轴三反时间延迟积分CCD相机内方位元素和畸变的标定

由于测绘相机的关键几何参数内方位元素和畸变的标定精度决定相机的立体测绘精度,本文提出了一种离轴三反时间延迟积分( TDI) CCD相机内方位元素和畸变的标定方法.介绍了离轴三反TDICCD相机的光学系统和像面拼接方法,明确了该相机内方位元素和畸变的含义.建立了标定系统及相应的数学模型,应用最小二乘回归法求得了内方位元素和畸变的表达式.利用提出的方法标定了相机的内方位元素和畸变,并对标定误差进行了分析.结果表明:该方法对主点的标定精度可达1.0 μm(1σ),对主距的标定精度可达2.0 μm(1σ),对畸变的标定精度为2.3 μm(1σ).结果显示提出的标定方法快捷且有效.     

机械拼接时间延迟积分CCD空间相机的振动参数检测

为了获取空间相机在轨摄像期间的振动幅频特性,提出了一种基于TDICCD拼接技术的空间相机振动参数检测方法。根据TDICCD拼接原理,利用拼接结构中的重叠成像区域在不同时刻对同一景象成像,通过灰度投影算法对所成图像进行比对求取相对偏移量,拟合偏移量数据,进而根据拟合结果计算出空间相机振动参数。实验结果表明:对于一维单一频率的振动,频率相对误差小于0.5%,振幅绝对误差小于1个像元;对于一维混合频率的振动,频率相对误差小于3%,振幅绝对误差小于2个像元;对于沿推扫方向和垂直推扫方向均为单频振动的二维振动,频率相对误差小于1%,振幅绝对误差小于2个像元。实验结果验证了检测方法的正确性,达到了不增加额外设施,仅利用相机自身结构就能精确测量相机振动参数的目的,并为后续图像复原提供了数据基础。     

面阵CCD彩色视频图像实时采集系统的设计

为了实现用面阵CCD实时采集彩色视频图像,设计了一种彩色视频图像实时采集系统。在分析SONY面阵CCD器件ICX424AQ的结构参数和彩色视频图像采集原理的基础上,实现了CCD控制时序的产生和整个采集系统的时序控制逻辑。分析了CCD器件的主要噪声来源,采用相关双采样技术滤除了视频信号中的复位噪声和1/f等低频噪声,提高了系统的信噪比。由于采用的面阵CCD芯片表面覆盖有Bayer彩色滤波阵列(CFA),因此每个像素点只有一个颜色分量。为了获得全彩图像,采用一种改进的双线性插值算法来获得每个像素点上丢失的色度信息,较好地兼顾了插值效果和硬件实现复杂程度。该设计采用CCD逐行扫描工作方式,曝光时间为0.32ms时,所有像素信号可依次读出。整个系统采用FPGA作为核心控制器件,读取的CCD信号经过插值处理,实时地通过发送芯片SiI1162以DVI格式发送到TFT-LCD屏上显示。     

大面阵CCD图像实时显示系统的设计

为解决基于CameraLink接口的相机必须使用专用采集卡和系统机才能显示的问题,设计了一种结构简单、携带方便的图像实时显示系统。该系统采用2片SDRAM对图像进行交替缓存,并在Xilinx公司的Spatan3系列现场可编程门阵列(FPGA)中完成了较为复杂的主要控制逻辑。将CameraLink输入的图像经过拼接、BIN等预处理后缓存到1片SDRAM,同时按照一定格式以25frame(50field)/s的速度读出另1片SDRAM中的图像,经ADV7300转换成模拟电视信号后送到模拟显示器显示。结果表明,在相机帧频为3.6frame/s时,该系统可以实时显示大面阵CCD数字航测相机拍摄的图像,能观察不同分辨率的图像以及原图像任何部位的细节,并能根据天气条件调整显示亮度以更好地观察图像。该系统只包含1块电路板和1个模拟显示器,已成功应用于4008×5344面阵的CCD数字航测相机中。     

应用聚类和粗糙集的FPGA底层数据挖掘方法

提出了一种从XDL文件中提取现场可编程门阵列(FPGA)底层逻辑和布线资源的方法。预处理阶段通过正则表达式将原有底层逻辑文件转换为待分析的有层次属性的关系型数据库。数据挖掘阶段则根据各个层次数据内部的特性不同,采用不同的算法进行聚类来得到初步知识。通过粗糙集分析初步知识间的关系和约简属性,得出初步知识间的联系同时进一步提取出决策规则和产生式规则的知识。最后,通过规则验证器和泛化器对提取出的规则进行验证和泛化。实验结果表明,对于大型的FPGA器件,wire的逻辑最高压缩比可以达到2.88×10-4。该方法相对于底层器件有较好的通用性和交互性,适用于对不同器件族FPGA底层信息的知识提取,对深入研究FPGA的拓扑架构,提高对FPGA进行动态重配置的可控性和实现更灵活的重配置很有意义。     

空间TDICCD相机动态成像地面检测系统的设计

设计了一种空间TDICCD(时间延迟积分电荷耦合器件)相机动态成像地面检测系统,用于模拟相对空间飞行器的地面像移,验证TDICCD相机的像速匹配能力和动态成像质量。系统采用精密转台和偏流转台模拟卫星绕地球运动和卫星受地球自转影响而在不同纬度产生不同的偏流运动。精密转台用永磁力矩电机驱动,用锁相锁频伺服控制策略控制稳速精度达到0.0297%。偏流转台用步进电机控制,偏流角的平均转角速率约为0.02°/s,偏流角位置的数据引导跟踪精度优于±5′。设计的检测系统的精度满足TDICCD相机动态成像检测的指标要求,已在某型号空间可见光相机的研制中获得了应用。     

利用CCD拼接实现推扫式遥感相机的自动调焦

根据空间推扫式遥感相机CCD的拼接结构,提出了利用CCD重叠区域的图像指导自动调焦的方法。首先,介绍了空间推扫式遥感相机的CCD拼接结构;根据推扫式成像的特点,利用具有并行处理数据能力的现场可编程门阵列(FPGA)同时接收多个CCD重叠成像区域的图像数据,并计算图像质量评价值。然后,选取图像质量评价值最大的3个重叠区域作为表决调焦方向的依据。最后,通过实验分析说明了本方法的可行性。试验中,相机的推扫频率为10kHz时,调焦一步的时间为0.2s,表明本文的调焦方法具有较好的实时性。提出的方法为空间推扫式遥感相机的在轨自动调焦提供了可行依据。     

空间相机图像复原的实时处理

提出了一种基于有效提取点扩散函数(PSF)的图像实时复原方法来提高空间相机成像性能。从典型的图像复原原理出发,分析了实时复原的关键问题。将PSF与典型的线性复原滤波方法相结合计算出实时复原的反卷积算子,通过空间域卷积计算的方式进行实时复原,并以现场可编程门阵列(FPGA)为核心器件设计了具备图像实时复原计算性能的硬件系统。利用上述设计在硬件平台上对空间相机的遥感图像数据进行了实验验证,并与经典图像复原方法的效果进行了对比。结果显示,采用该平台对单片CCD像元数为12 000的空间相机图像进行复原后,灰度平均梯度由3.788 7提升到8.229 6,拉普拉斯和由15.456 7提升到43.907 5,达到了经典图像复原的性能。在模板尺寸为19pixel×19pixel时,实时复原处理延时为1.9ms,复原后的相机调制传递函数在Nyqyist频率处从0.1提高到0.23,有效地提高了空间相机系统的成像性能。     

超高分辨率CCD成像系统的设计

介绍了基于50 Mpixel超高分辨率全帧型CCD芯片KAF50100的成像系统设计方法.该系统采用幕帘式焦平面机械快门对CCD进行曝光控制,CCD输出图像信号在专用模拟前端(AFE)芯片AD9845B中进行处理和模数(A/D)转换后,经现场可编程门阵列(FPGA)缓存和排序,通过低压差分信号(LVDS)接口发送至上位机.系统中所有驱动时序和控制信号均由FPGA产生,上位机通过RS422总线对系统进行命令控制.针对KAF50100四路输出不均匀性问题提出了基于最小二乘法拟合的校正方法.实验验证表明,系统可在KAF50100的最大速度模式下工作,像素读出速度为4×18 MHz,最大帧速为1 frame/s,电路读出随机噪声为2.76@12bit,动态范围为63.4db.该成像系统设计方法可以充分发挥KAF50100的性能,并且具有良好的通用性和扩展性,可以广泛应用于超高分辨率CCD成像系统的设计中,如可见光水下探测、卫星遥感、天文观测等.     

基于现场可编程门阵列的CCD相机自动调光

针对CCD相机在一些特殊场合成像时遇到的前后两帧图像场景不一致、应用环境多样性等问题,提出了一种基于图像直方图统计和分块均值的自动调光算法。该算法首先分析一帧图像的亮度分布,并计算出下一帧图像的最佳均值。然后根据该均值调整下一帧图像的曝光量,使其合理曝光。实验结果表明,利用此方法可以获得整体亮度合适的图像。在统计直方图后,计算最佳均值只需利用到直方图和几个均值,与图像本身的大小没有关系,所以计算量非常小;在像素时钟为60MHz时,每次计算时间为6μs。另外,此方法具备较好的场景适应能力,满足场景时刻变化时CCD相机自动调光以及实时性的要求。