一种面向星上光学成像敏感器的自适应图像预处理方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于图像预处理技术领域，涉及一种面向星上光学成像敏感器的自适应图 像预处理方法。
【背景技术】
[0002] 嫦娥三号卫星利用光学成像敏感器在接近段进行粗避障，寻找安全着陆区域，以 保证在悬停段精避障时能获取准确的安全着陆点。
[0003] 针对光学成像敏感器拍摄的图像，嫦娥三号卫星所搭载的图像处理单元将对其采 用一系列的图像处理。假如获取的图像过暗或过亮，将会对采用的基于灰度的障碍分析算 法和基于灰度梯度的纹理识别算法的辨识度带来负面效果。
[0004] 普通的光学成像敏感器的拍摄，固化了成像参数（曝光积分时间和增益系数），那 么拍摄的图像的亮暗也是固定的。该成像方法虽然简单易操作，但存在如下弊端：当光线很 充足或很微弱的时候，所成图像就会过亮或过暗，且灰度较为平均，对障碍的识别是很不利 的。
[0005] 另外，粗避障时间短暂，客观上不允许手动调节成像参数，因此有必要采用自主调 整成像参数的拍图方法，来获取灰度区分度较高的图像。鉴于此，需要提供一种光学成像敏 感器的自适应预处理方法。
【发明内容】
[0006] 本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种面向星上光学成像敏 感器的自适应图像预处理方法，能够提供亮暗合适、灰度辨识率高的图像，使得后续能够采 用成熟的图像处理方法高效处理图像。
[0007] 本发明的技术方案是：一种面向星上光学成像敏感器的自适应图像预处理方法， 步骤如下：
[0008] 1)利用光学成像敏感器获取原始图像；
[0009] 2)将原始图像的每个像素由IObits压缩至8bits，得到新的图像F(u，V)，使得灰 度范围从[0~1023]变为[0~255];
[0010] 3)将压缩后的图像F(u，v)间隔10个像素均匀采样，得到灰度图像G(i，j);
[0011] 4)对灰度图像G(i，j)进行直方图统计，得到直方图函数Hist(g);
[0012] 5)统计直方图函数Hist (g)中灰度值大于过亮阈值Gl的个数Np ;
[0013] 6)根据直方图函数Hist (g)，获得灰度均值Gniean、最小灰度值6_，最大灰度值 Gmax，
[0014] 7)根据灰度值进行自主曝光积分时间调节，其次数不超过4次，即总共进行自 主曝光调节的预处理次数不超过5次；调整次数AutoExpNum的初值为0,若调整次数 Aut 0ExpNum小于4,则执行步骤8);否则，对于自主调节第4次的图像，即第5次预处理的 图像，执彳丁步骤11);
[0015] 8)根据所得的灰度均值G_n与过亮阈值G1、过暗阈值GO以及Np的值域范围，判 断图像的亮暗程度；若G_ n> Gl且Np彡2000,则认为图像过亮，执行步骤9);若G_n< GO 且Np < 500,则认为图像过暗，执行步骤10);否则，图像满足质量要求，置预处理成功标志， 执行步骤12);
[0016] 9)进行图像过亮调节；调整记录次数AutoExpNum加1，曝光积分时间参数减1，光 学相机探头复位，重新启动拍图，返回步骤1);
[0017] 10)进行图像过暗调节；调整记录次数AutoExpNum加1，曝光积分时间参数加1， 光学相机探头复位，重新启动拍图，返回步骤1);
[0018] 11)根据所得的灰度均值G_n与全黑全白阈值比较，即若G _n〈2或G_n>250则 置预处理失败标志，丢弃该图像，不进行后续图像处理，退出本方法；否则置预处理成功标 志；
[0019] 12)使用预处理成功的图像进行后续图像处理。
[0020] 本发明与现有技术相比的优点在于：本发明的自适应处理方法通过简单的移位操 作压缩图像，利用常规的灰度统计信息和经验阈值预估图像的亮度，高效快速地实现光学 成像敏感器拍摄图像的亮暗调整，使得能对调节后灰度分明的图像采用成熟的图像处理方 法高效处理图像。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明的一种光学成像敏感器的自适应预处理方法流程图。
【具体实施方式】
[0022] 下面结合图1和实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0023] 本发明的光学成像敏感器的成像数据为1024X 1024X lObits，本发明的光学成像 敏感器的自适应预处理方法具体通过以下步骤实现：
[0024] 步骤一：光学成像敏感器拍图。
[0025] 步骤二：将所拍的原始图像的每个像素由IObits表示右移2位至8bits，得到图 像F (u，V)，使得灰度范围从[0~1023]变为[0~255]。
[0026] 步骤三：将压缩后的图像F(u，V)间隔10个像素均匀采样，得到灰度图像G(i，j)， 参见公式1。
[0027] G(i,j) =F(10Xi+16, 10Xj+16) (I)
[0028] 其中，i = 0, I, 2, 99, j = 0, I, 2, 99。
[0029] 步骤四：对灰度图像G(i，j)进行直方图统计，得到直方图函数Hist (g)，参见公式 2〇
[0030] Hist (g) = num (2)
[0031] 其中，num为G(i, j)像素灰度等于g的个数，g = 0, 1···255〇
[0032] 步骤五：统计直方图中灰度值大于过亮阈值Gl的个数Νρ，参见公式3。
[0033]
( 3 )
[0034] 步骤六：根据直方图函数Hist (g)，获得灰度均值Gnean，参见公式4,最小灰度值为 G_，最大灰度值为6_。 _5]
(4)
[0036] 步骤七：根据灰度值进行自主曝光积分时间调节，其次数不超过4次，即总共进行 自主曝光调节的预处理次数不超过5次。调整次数AutoExpNum的初值为0,若调整次数 Aut0ExpNum小于4,则执行步骤八；否则，对于自主调节第4次的图像，即第5次预处理的图 像，执行步骤十一。
[0037] 步骤八：根据所得的灰度均值G_n与过亮阈值G1、过暗阈值GO以及Np的值域范 围，判断图像的亮暗程度。若G_n> Gl且Np多2000,则认为图像过亮，执行步骤九；若 G_n彡GO且Np彡500,则认为图像过暗，执行步骤十；否则，图像满足质量要求，置预处理 成功标志，执行步骤十二。其中，过亮阈值G1、过暗阈值GO为光学成像敏感器所拍图像的经 验阈值，认为图像的灰度值集中分布（90%以上）的区间范围。
[0038] 步骤九：进行图像过亮调节。调整记录次数AutoExpNum加1，曝光积分时间参数 减1，光学相机探头复位，重新启动拍图，返回步骤一。
[0039] 步骤十：进行图像过暗调节。调整记录次数AutoExpNum加1，曝光积分时间参数 加1，光学相机探头复位，重新启动拍图，返回步骤一。
[0040] 步骤十一：根据所得的灰度均值G_n与全黑全白阈值比较，即若G _n〈2或 G_n>250则置预处理失败标志，丢弃该图像，不进行后续图像处理；否则置预处理成功标 VI、J、O
[0041] 步骤十二：使用预处理成功的图像进行后续图像处理。
[0042] 经过上述操作后，光学成像敏感器能够自主调整成像参数，拍摄到一幅灰度适中 的图像，用于后续图像处理。
[0043] 采用该自适应处理方法应用具体实例为：
[0044] 应用本发明提供的方法，嫦娥三号图像处理软件研制证明，光学成像敏感器所成 图像为 1024X 1024X lObits。
[0045] 采用本发明提供的方法和装置，首先将原始图像压缩至每像素Sbits表示。将压 缩后的图像间隔10个像素均匀采样。然后对其进行直方图计算，统计其灰度值大于过亮阈 值160的个数Np、灰度均值G_ n、最小灰度值G_、最大灰度值G_。
[0046] 根据灰度值进行自主曝光积分时间调节，其次数不超过4次，即总共进行自主曝 光调节的预处理次数不超过5次。若调整次数小于4次，则根据所得的灰度均值G_ n与过 亮阈值160、过暗阈值60以及Np的值域范围，判断图像的亮暗程度，进行自主曝光积分时间 的过暗过亮调节，至图像灰度在合适范围内以进行后续图像处理。否则，对于自主调节第4 次的图像，即第5次预处理的图像，根据所得的灰度均值G_ n与全黑全白阈值比较，若为全 黑全白图像就丢弃该图像，否则进行后续图像处理。最终获取一幅灰度适中的图像用于后 续图像处理。
[0047] 其中，过亮阈值G1、过暗阈值GO为光学成像敏感器所拍图像的经验阈值，根据对 模拟月面拍摄的2000副图像的统计，认为90 %的灰度集中在60~160的区间，所以设定过 亮阈值为160、过暗阈值为60。
[0048] 通过所述方法后的像素点数目下降至10%，最长的自主调节时间不超过15ms，这 为之后的粗避障段搜索安全着陆区域预留出更多的时间，并且简单高效的保证了后续图像 处理的可靠性，确保安全点的精确搜索。
[0049] 本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
【主权项】
1. 一种面向星上光学成像敏感器的自适应图像预处理方法，其特征在于步骤如下： 1) 利用光学成像敏感器获取原始图像； 2) 将原始图像的每个像素由IObits压缩至8bits，得到新的图像F(u，v)，使得灰度范 围从[0~1023]变为[0~255]; 3) 将压缩后的图像F(u，v)间隔10个像素均匀采样，得到灰度图像G(i，j); 4) 对灰度图像G(i，j)进行直方图统计，得到直方图函数Hist (g); 5) 统计直方图函数Hist (g)中灰度值大于过亮阈值Gl的个数Np ; 6) 根据直方图函数Hist (g)，获得灰度均值G_n、最小灰度值G_，最大灰度值G_; 7) 根据灰度值进行自主曝光积分时间调节，其次数不超过4次，即总共进行自主曝光 调节的预处理次数不超过5次；调整次数AutoExpNum的初值为0,若调整次数AutoExpNum 小于4,则执行步骤8);否则，对于自主调节第4次的图像，即第5次预处理的图像，执行步 骤 11); 8) 根据所得的灰度均值G_n与过亮阈值G1、过暗阈值GO以及Np的值域范围，判断图 像的亮暗程度；若G_ n> Gl且Np彡2000,则认为图像过亮，执行步骤9);若G _n< GO且 Np < 500,则认为图像过暗，执行步骤10);否则，图像满足质量要求，置预处理成功标志，执 行步骤12); 9) 进行图像过亮调节；调整记录次数AutoExpNum加1，曝光积分时间参数减1，光学相 机探头复位，重新启动拍图，返回步骤1); 10) 进行图像过暗调节；调整记录次数AutoExpNum加1，曝光积分时间参数加1，光学 相机探头复位，重新启动拍图，返回步骤1); 11) 根据所得的灰度均值G_n与全黑全白阈值比较，即若G_n〈2或G_n>250则置预处 理失败标志，丢弃该图像，不进行后续图像处理，退出本方法；否则置预处理成功标志； 12) 使用预处理成功的图像进行后续图像处理。
【专利摘要】本发明一种面向星上光学成像敏感器的自适应图像预处理方法。对于星上光学成像敏感器的成像数据，首先将原始的10bits数据压缩至8bits，然后间隔10个像素均匀采样，对灰度图像进行直方图计算，统计其灰度值大于过亮阈值G1的个数Np、灰度均值Gmean、最小灰度值Gmin、最大灰度值Gmax。根据灰度值进行自主曝光积分时间调节，若在可以自主调节的范围内，则判断图像的亮暗程度，进行自主曝光积分时间的过暗过亮调节，至图像灰度在合适范围内以进行后续图像处理。否则，对于自主调节第4次的图像，根据所得的灰度均值Gmean与全黑全白阈值比较，若为全黑全白图像就丢弃该图像，否则进行后续图像处理。
【IPC分类】G06T5/00
【公开号】CN105160636
【申请号】CN201510401129
【发明人】王健蓉, 杨春河, 陈朝晖, 张威泰, 王立, 张洪华, 王振华, 侯莹, 万丽景
【申请人】北京控制工程研究所
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年7月9日