信息集成中編碼曝光技術(shù)優(yōu)化研究.pdf

1、遙感成像系統(tǒng)信息集成需要對(duì)各種平臺(tái)、各種波段的成像系統(tǒng)進(jìn)行有效地整合與統(tǒng)一，要求各分系統(tǒng)能夠提供足夠精確的信息源?；跓o人機(jī)平臺(tái)的可見光遙感成像系統(tǒng)作為信息集成的重要組成部分，其成像運(yùn)動(dòng)模糊問題會(huì)影響到整個(gè)遙感成像系統(tǒng)的決策支持能力。隨著無人機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，基于無人機(jī)平臺(tái)的遙感成像系統(tǒng)在遙感成像領(lǐng)域發(fā)揮著越來越重要的作用。因此，解決遙感系統(tǒng)信息集成中的無人機(jī)可見光遙感圖像運(yùn)動(dòng)模糊問題具有迫切的現(xiàn)實(shí)需求。
　　無人機(jī)可見光遙感圖像

2、運(yùn)動(dòng)模糊主要是由成像設(shè)備與拍攝場景之間大尺度相對(duì)運(yùn)動(dòng)引起的。針對(duì)圖像的運(yùn)動(dòng)模糊，當(dāng)前主要有兩種解決思路：一是采用后處理方式的圖像復(fù)原算法；二是采用高速成像技術(shù)。然而，傳統(tǒng)模糊圖像復(fù)原是一種病態(tài)問題，對(duì)于大尺度的運(yùn)動(dòng)模糊圖像的復(fù)原效果不夠理想。高速成像技術(shù)需要特殊硬件設(shè)備的支持，價(jià)格昂貴且應(yīng)用范圍有限。近年來，計(jì)算攝影領(lǐng)域中發(fā)展出一種編碼曝光成像技術(shù)，創(chuàng)造性地將病態(tài)的模糊圖像復(fù)原問題轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N良態(tài)問題，為運(yùn)動(dòng)模糊圖像復(fù)原提供了新的發(fā)展空間

3、。同時(shí)，受壓縮感知理論的啟發(fā)，編碼曝光的隨機(jī)采樣方式有望以低幀率的采樣實(shí)現(xiàn)高速成像。
　　本文以對(duì)編碼曝光技術(shù)的優(yōu)化研究為出發(fā)點(diǎn)，從模糊圖像復(fù)原和高速成像兩個(gè)方面深入探討了如何在成像設(shè)備與拍攝場景之間存在大尺度相對(duì)運(yùn)動(dòng)的情況下獲取目標(biāo)清晰圖像的問題。論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)及取得的研究成果包括：
　?。?）提出了一種基于勒讓德序列和遺傳算法的編碼曝光最優(yōu)碼字搜索方法。編碼曝光最優(yōu)碼字的搜索空間會(huì)隨著碼字長度呈指數(shù)級(jí)增長，當(dāng)前的碼字搜

4、索方法只能用于長度較短碼字的搜索。本文將信息論領(lǐng)域中低互相關(guān)度的勒讓德序列用于編碼曝光成像中，通過對(duì)勒讓德序列進(jìn)行簡單的旋轉(zhuǎn)和延拓操作進(jìn)一步提高了碼字的性能，得到了改進(jìn)勒讓德序列。將改進(jìn)勒讓德序列作為遺傳算法的初始種群，利用遺傳算法的交叉和變異算子實(shí)現(xiàn)了對(duì)改進(jìn)勒讓德序列的進(jìn)一步優(yōu)化，得到了編碼曝光最優(yōu)碼字。該碼字搜索方法可以很好地滿足編碼曝光技術(shù)對(duì)于碼字可逆性的要求，且能大大降低復(fù)原圖像的噪聲。由于該方法充分利用了勒讓德序列可以由公式快

5、速計(jì)算得到的優(yōu)勢，使得該方法效率很高，適合搜索長度較長的碼字。
　　（2）提出了一種考慮CCD傳感器噪聲的編碼曝光最優(yōu)碼字搜索方法。編碼曝光模式下CCD傳感器噪聲比較嚴(yán)重，從實(shí)用化的角度出發(fā)，在尋找最優(yōu)碼字時(shí)需要充分考慮傳感器噪聲的影響。本文首先基于仿射噪聲模型系統(tǒng)分析了編碼曝光相機(jī)的傳感器噪聲成分；其次給出了光子噪聲條件下最優(yōu)碼字結(jié)構(gòu)和復(fù)原圖像信噪比增益關(guān)系的解析表達(dá)式，并對(duì)真實(shí)的編碼曝光相機(jī)進(jìn)行了噪聲標(biāo)定；針對(duì)已有的碼字搜索方

6、法多采用近似窮極搜索，時(shí)間效率低的缺點(diǎn)，最后提出了考慮CCD噪聲的尋找最優(yōu)碼字的適應(yīng)度函數(shù)，并采用遺傳算法搜索編碼曝光相機(jī)的最優(yōu)碼字。該算法不但提高了碼字搜索效率，并且大幅度地提高了復(fù)原圖像的信噪比。
　?。?）提出了一種基于圖像能量譜統(tǒng)計(jì)信息分析的編碼曝光圖像模糊尺度自動(dòng)估計(jì)方法。編碼曝光圖像模糊信息是非連續(xù)的，使得當(dāng)前流行的模糊尺度估計(jì)方法失去效力。本文通過對(duì)編碼曝光模糊圖像能量譜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)復(fù)原圖像的能量譜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)

7、點(diǎn)發(fā)散程度與圖像復(fù)原過程中輸入的模糊尺度的正確程度緊密相關(guān)。即只有使用正確的模糊尺度時(shí)，經(jīng)過反卷積運(yùn)算后得到的復(fù)原圖像能量譜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的發(fā)散程度最小。基于此，本文對(duì)圖像能量譜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，用殘差平方和的大小來代表復(fù)原圖像能量譜統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)點(diǎn)的發(fā)散程度。編碼曝光圖像的復(fù)原可以采用快速的直接反卷積算法，因此本文基于迭代尋優(yōu)的思路來估計(jì)編碼曝光模糊圖像的模糊尺度。給定一個(gè)初始的模糊尺度，使用全局搜索算法，則能快速地得到編碼曝光模糊圖像

8、正確的模糊尺度。
　?。?）提出了一種基于單個(gè)編碼曝光相機(jī)進(jìn)行高速視頻重建的方法。充分考慮到在現(xiàn)代傳感器設(shè)備上的易實(shí)現(xiàn)能力，進(jìn)一步探索了使用單個(gè)編碼曝光相機(jī)實(shí)現(xiàn)高速視頻幀重建的可能性?？紤]到高速視頻信號(hào)的空間冗余和時(shí)間冗余存在很大差別，本文提出使用克羅內(nèi)克積構(gòu)建三維雙曲線小波基來同時(shí)稀疏表示高速視頻信號(hào)的空間冗余和時(shí)間冗余?；诓煌叨鹊姆纸?，雙曲線小波基可以同時(shí)建模高速視頻各個(gè)維度上不同的信號(hào)結(jié)構(gòu)，恰好迎合了高速視頻信號(hào)在空間維