信息集成中編碼曝光技術優(yōu)化研究.pdf

1、遙感成像系統(tǒng)信息集成需要對各種平臺、各種波段的成像系統(tǒng)進行有效地整合與統(tǒng)一，要求各分系統(tǒng)能夠提供足夠精確的信息源?；跓o人機平臺的可見光遙感成像系統(tǒng)作為信息集成的重要組成部分，其成像運動模糊問題會影響到整個遙感成像系統(tǒng)的決策支持能力。隨著無人機技術的快速發(fā)展，基于無人機平臺的遙感成像系統(tǒng)在遙感成像領域發(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可見光遙感圖像運動模糊問題具有迫切的現(xiàn)實需求。
　　無人機可見光遙感圖像

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

3、。同時，受壓縮感知理論的啟發(fā)，編碼曝光的隨機采樣方式有望以低幀率的采樣實現(xiàn)高速成像。
　　本文以對編碼曝光技術的優(yōu)化研究為出發(fā)點，從模糊圖像復原和高速成像兩個方面深入探討了如何在成像設備與拍攝場景之間存在大尺度相對運動的情況下獲取目標清晰圖像的問題。論文的主要創(chuàng)新點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)碼字的搜索空間會隨著碼字長度呈指數(shù)級增長，當前的碼字搜

4、索方法只能用于長度較短碼字的搜索。本文將信息論領域中低互相關度的勒讓德序列用于編碼曝光成像中，通過對勒讓德序列進行簡單的旋轉和延拓操作進一步提高了碼字的性能，得到了改進勒讓德序列。將改進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現(xiàn)了對改進勒讓德序列的進一步優(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對于碼字可逆性的要求，且能大大降低復原圖像的噪聲。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。
　?。?）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傳感器噪聲比較嚴重，從實用化的角度出發(fā)，在尋找最優(yōu)碼字時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)碼字結構和復原圖像信噪比增益關系的解析表達式，并對真實的編碼曝光相機進行了噪聲標定；針對已有的碼字搜索方

6、法多采用近似窮極搜索，時間效率低的缺點，最后提出了考慮CCD噪聲的尋找最優(yōu)碼字的適應度函數(shù)，并采用遺傳算法搜索編碼曝光相機的最優(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原圖像的信噪比。
　?。?）提出了一種基于圖像能量譜統(tǒng)計信息分析的編碼曝光圖像模糊尺度自動估計方法。編碼曝光圖像模糊信息是非連續(xù)的，使得當前流行的模糊尺度估計方法失去效力。本文通過對編碼曝光模糊圖像能量譜統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，發(fā)現(xiàn)復原圖像的能量譜統(tǒng)計數(shù)據(jù)

7、點發(fā)散程度與圖像復原過程中輸入的模糊尺度的正確程度緊密相關。即只有使用正確的模糊尺度時，經(jīng)過反卷積運算后得到的復原圖像能量譜統(tǒng)計數(shù)據(jù)點的發(fā)散程度最小?；诖?，本文對圖像能量譜統(tǒng)計數(shù)據(jù)點進行多項式擬合，用殘差平方和的大小來代表復原圖像能量譜統(tǒng)計數(shù)據(jù)點的發(fā)散程度。編碼曝光圖像的復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)的思路來估計編碼曝光模糊圖像的模糊尺度。給定一個初始的模糊尺度，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編碼曝光相機進行高速視頻重建的方法。充分考慮到在現(xiàn)代傳感器設備上的易實現(xiàn)能力，進一步探索了使用單個編碼曝光相機實現(xiàn)高速視頻幀重建的可能性?？紤]到高速視頻信號的空間冗余和時間冗余存在很大差別，本文提出使用克羅內(nèi)克積構建三維雙曲線小波基來同時稀疏表示高速視頻信號的空間冗余和時間冗余?；诓煌叨鹊姆纸猓p曲線小波基可以同時建模高速視頻各個維度上不同的信號結構，恰好迎合了高速視頻信號在空間維