一种适用于手动交会对接的自动调光方法

1.本发明属于航天交会对接技术领域，具体涉及一种适用于手动交会对接的自动调光方法。


背景技术：

2.在空间飞船在轨手动对接过程中，由于外太空中不存在大气的散射，背景往往一片漆黑。当摄像头正对着太阳时，强大的太阳光线可能会直接进入镜头；背对着太阳时，太阳光可能会照亮整个船体，出现很大面积的高亮区域；远离飞船时，靶标显得很小，但它确是漆黑的背景中最重要的元素；靠近飞船时，靶标变的很大，甚至可以充满大半个图像。对于这些实际情形，经典的基于图像整体平均值的调光方式往往不能取得较好的效果：在面对太阳时，强大的太阳光会使得图像平均值变大，算法就会不断的设法减少图像的亮度，这样一来，靶标信息就会淹没于背景之中；在飞船远离时，靶标很小，背景很暗，图像平均值很小，算法就会设法提升图像的亮度，而使得靶标出现过亮而无法识别。
3.在航天器交会对接过程中，宇航员利用基于视觉成像的摄像机进行手动交会对接是非要重要的调光手段之一。
4.然而在实际交会对接过程中，由于太阳光照的影响，可能会导致视场内出现大面积的亮斑。在这种情况下，宇航员难以看清靶标的具体位置，从而给手动交会对接带来很大的难度。为了改善这一问题的影响，自动调光方法的研究势在必行。
5.目前自动调光方法主要是基于神经网络和图像直方图等思路。基于神经网络的方法由于需要大量的样本进行训练，对处理器和存储器都有一定的要求，因此不适用于在轨应用。而基于图像直方图的方法主要分为两种，一种是通过分析灰度直方图来确定亮度加权均值；一种是通过计算图像平均灰度来进行曝光调整。
6.然而当手动交会对接过程中，由于太阳光的影响，有时候会出现飞行器亮、背景暗的情况；有时候又会出现背景亮、飞行器暗的情况。因此传统的自动调光方法不能很好的应对手动交会对接场景。


技术实现要素：

7.本发明要解决技术问题为：针对传统调光方法不能很好适应手动交会对接下复杂场景的情况，本发明提出一种在轨适应能力强、实时性高的自动调光方法。该方法将图像划分成中心区域和周边区域两个部分，并且对各个区域内的有效像素进行加权统计，并获得相邻帧图像的调光参数比例系数，从而最终获得对应的调光参数。
8.本发明采用的技术方案为：一种适用于手动交会对接的自动调光方法，具体包含如下步骤：
9.步骤1：输入图像为灰度图像i；
10.步骤2：对输入的灰度图像i进行区域划分，设置中心区域，且中心区域的图像为m，中心区域的第一列图像为f，满足同时，定义区域n＝i-m、c＝m-f；
11.步骤3：统计各个区域内的有效像素个数：对于区域n中大于灰度阈值下限gray
l
且小于灰度阈值上限grayh的像素进行统计；对于区域c中大于灰度阈值下限grayl的像素进行2倍加权统计；对于区域f中所有像素进行2倍加权统计；
12.步骤4：针对区域n、c和f中满足步骤3的有效像素进行综合统计，得到有效像素灰度累加和sum，以及有效像素个数num；
13.步骤5：计算图像中有效像素平均灰度值rav：
[0014][0015]
步骤6：根据有效像素平均灰度值rav和期望灰度值eav，得到调光参数比例系数ratio：
[0016][0017]
骤7：计算最邻近8帧图像得到的比例系数ratioi，其中i＝0，1，2，3，4，5，6，7；由此得到修正后的综合调光参数比例系数ratio
′
：
[0018][0019]
步骤8：计算上一帧图像的总增益值g
i-1
：
[0020]gi-1
＝adc
i-1
×
pga
i-1
×
exp
i-1
；
[0021]
其中，adc
i-1
、pga
i-1
、exp
i-1
分别为上一帧图像的数字增益、模拟增益、曝光时间；
[0022]
根据综合调光参数比例系数ratio
′
，获得当前帧图像所需要设置的总增益值gi：
[0023]gi
＝g
i-1
×
ratio
′
；
[0024]
步骤9：根据当前帧图像的总增益值gi，计算得到当前帧所需要配置的调光参数，即曝光时间expi、模拟增益pgai、数字增益adci；其中，优先调节的是曝光时间expi：
[0025][0026]
其中，exp
min
为最小曝光时间，exp
max
为最大曝光时间；
[0027]
adc
def
为默认初始数字增益，pga
def
为默认初始模拟增益；当自动调光启动之后，adc
def
＝adc
i-1
，pga
def
＝pga
i-1
。
[0028]
进一步的，所述中心区域图像的大小为256
×
256。
[0029]
进一步的，所述灰度阈值下限grayl＝16，所述灰度阈值上限grayh＝1000。
[0030]
进一步的，所述期望灰度值eav＝144。
[0031]
进一步的，默认初始数字增益adc
def
＝44，默认初始模拟增益pga
def
＝1。
[0032]
进一步的，最小曝光时间exp
min
＝1510和最大曝光时间exp
max
＝201500。
[0033]
进一步的，步骤9中，如果调整后的曝光时间expi在最大曝光时间exp
max
与小于最小曝光时间exp
min
区间内，则当前帧不作进一步调整；如果调整后的曝光时间expi已经大于最大曝光时间exp
max
或小于最小曝光时间exp
min
，则需要进一步调节数字增益adci和模拟增益pgai。
[0034]
进一步的，当调整后的曝光时间大于最大曝光时间exp
max
，需要调节数字增益
adci：此时，如果满足模拟增益pga
i-1
＝0且数字增益adc
i-1
＜46，或者满足pga
i-1
＝1且数字增益adc
i-1
＜61，则当前帧图像数字增益adci＝adc
i-1
1；如果不满足这两个条件，则调节模拟增益值pgai＝pga
i-1
1。
[0035]
进一步的，当调整后的曝光时间小于最小曝光时间exp
min
，需要调节模拟增益pgai：此时，如果满足pga
i-1
＞0且数字增益adc
i-1
＝46，或者满足pga
i-1
＞1且数字增益adc
i-1
＝61，则当前帧图像模拟增益pgai＝pga
i-1-1；如果不满足这两个条件，则调节数字增益adci＝adc
i-1-1。
[0036]
本发明与现有技术相比，其显著优点为：(1)首先对手动交会对接场景的适用性更高。将图像划分成中心区域和周边区域，并且根据阈值判断给予不同的权重值，可以针对交会对接过程中的复杂环境进行有效的调光；(2)实时性高。主要是对灰度值进行统计，然后再根据比例关系计算对应的调光参数，计算复杂度低。
附图说明
[0037]
图1为工作流程示意图；
[0038]
图2为图像区域分割图；
[0039]
图3为调光前示意图；
[0040]
图4为调光后示意图。
具体实施方式
[0041]
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
[0042]
结合图1，本发明适用于手动交会对接的自动调光方法，具体步骤如下：
[0043]
步骤1：输入图像为灰度图像i，当前帧图像序号为i，前一帧图像序号为i-1；
[0044]
步骤2：如图2所示，对输入的灰度图像i进行区域划分。中心区域256
×
256的图像为m，中心区域的第一列图像为f，满足因此，可定义区域n＝i-m、c＝m-f；
[0045]
步骤3：统计各个区域内的有效像素个数。对于区域n中大于灰度阈值下限gray
l
且小于灰度阈值上限grayh的像素进行统计，得到像素灰度累加和为sum1，有效像素个数为num1；对于区域c中大于gray
l
的像素进行2倍加权统计，得到像素灰度累加和为sum2，有效像素个数为num2；对于区域f中所有像素进行2倍加权统计，得到像素灰度累加和为sum3，有效像素个数为num3；
[0046]
步骤4：针对区域n、c和f中满足步骤3的有效像素进行综合统计，得到有效像素累加和sum，以及有效像素个数num；
[0047]
其中sum＝sum1 sum2 sum3；
[0048]
num＝num1 num2 num3；
[0049]
步骤5：求计算图像中有效像素平均灰度值rav：
[0050][0051]
步骤6：根据有效像素平均灰度值rav和期望灰度值eav，得到调光参数比例系数ratio：
[0052][0053]
步骤7：计算最邻近8帧图像得到的比例系数ratioi，其中i＝0，1，2，3，4，5，6，7。可以得到修正后的综合调光参数比例系数ratio
′
：
[0054][0055]
步骤8：计算上一帧图像的总增益值g
i-1
：
[0056]gi-1
＝adc
i-1
×
pga
i-1
×
exp
i-1
；
[0057]
根据综合调光参数比例系数ratio
′
，可以得到当前帧图像所需要设置的总增益值gi：
[0058]gi
＝g
i-1
×
ratio
′
；
[0059]
步骤9：根据总增益值gi，计算得到当前帧所需要配置的调光参数，即曝光时间expi、模拟增益pgai、数字增益adci。
[0060]
优先配置的是曝光时间expi：
[0061][0062]
当曝光时间已经到达最大曝光时间exp
max
，则维持曝光时间不变，进一步调整调节数字增益adci。此时，如果满足模拟增益pga
i-1
＝0且数字增益adc
i-1
＜46，或者满足pga
i-1
＝1且数字增益adc
i-1
＜61，则当前帧图像数字增益adci＝adc
i-1
1；如果不满足这两个条件，则调节模拟增益值pgai＝pga
i-1
1。
[0063]
当曝光时间已经到达最小曝光时间exp
min
，需要调节模拟增益pgai。此时，如果满足pga
i-1
＞0且数字增益adc
i-1
＝46，或者满足pga
i-1
＞1且数字增益adc
i-1
＝61，则当前帧图像模拟增益pgai＝pga
i-1-1；如果不满足这两个条件，则调节数字增益adci＝adc
i-1-1。
[0064]
图3为调光前示意图，图4为通过本发明方法调光后示意图，可以看出在调光前，由于太阳光直接照射的影响，飞船本身呈现出高亮饱和的现象，并且在周围出现了飞船的鬼影；而采用了本发明所述自动调光方法以后不仅鬼影消失不见，同时目标飞船也恢复清晰可见的轮廓，不再是高亮饱和状态，可以证明本发明所述调光方法具有比较好的调光效果。
[0065]
本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。