航空成像的挑战:获得清晰而锐利的图像
实现清晰锐利的图像是设计和实现涉及运动的视觉系统所面临的众多挑战之一。当涉及飞机上的成像有效载荷时，尤其如此。当它飞越感兴趣的区域时，相机的曝光时间必须足够短，以清晰地捕获图像，并且不会引起飞机行进方向的运动模糊。
这篇博客文章介绍了移动飞机成像时的模糊概念，并展示了如何根据系统所需的地面分辨率来计算飞机可以飞行的最大速度。
什么是地面采样距离ground sampling distance (GSD)？
在设计可与任何类型的飞机配合使用的视觉系统时，需要特定的地面分辨率或地面采样距离ground sampling distance (GSD)。这是相机能够解析所需的最小尺寸，并且至少应为要测量的最小特征的两倍小。空中系统通常还具有设定的工作高度，或者在这种情况下，是离地面的高度。以下公式可用于确定镜头焦距与相机像素大小之间的比率。
GSD：地面采样距离
H：飞机高于地面的高度
px：像素的线性尺寸
f：镜头的焦距
*所有单位以米为单位
如何使模糊最小化？
为了最大程度地减少运动模糊，请确保在相机的曝光时间内计算出的模糊值不超过0.5。更长的时间和被某个像素捕获的数据可能会移动到相邻像素并使图像失真。这意味着飞机在曝光时间内的飞行不超过其GSD的一半。
知道了这一点，可以通过将模糊值设置为一半来轻松计算飞机的最大地面速度：
该公式变得有用的一个实际示例是将该公式与Lumenera工业相机和相关的Lumenera API一起实施到飞机的飞行控制系统中。这样可以设置相机的自动曝光，以实现一致的图像亮度，同时查询曝光时间以控制飞机的速度并捕获零运动模糊（由飞机速度引起的）的图像。
怎样才能更快地飞行？
要达到更高的飞行器速度，可以通过以下几种方法来实现：选择具有较大像素的相机，以更高的海拔高度飞行，或者使用焦距较短的镜头。但是，所有这些解决方案都将提高GSD，这对于许多应用而言并不理想。另一个要考虑的变量是相机的曝光时间。通过缩短时间，可以提高飞机的速度，而不会在图像中引入模糊。
曝光时间受相机将可用光转换成构成图像数据的电信号的能力的限制。在具有更高灵敏度的相机中，这种转换将更快地进行。因此，通过选择更灵敏的相机，飞机将能够更快地飞行。另一个要考虑的因素是相机的读出噪声。具有低读出噪声的相机可以在图像传感器级别应用更高的增益，并进一步缩短曝光时间，从而再次使飞机飞行得更快。
如何覆盖更多地面？
由于大多数航空成像应用都涉及拍摄多个图像，因此应优化系统以在每次飞行中覆盖尽可能多的地面。提高飞机速度是增加地面覆盖率的好方法，但还有其他方法可以实现这一目标。
下面的等式强调了影响地面覆盖的因素：
Cr：摆动的飞行路径oscillating flight path的覆盖率（m2 / s）
GSD：地面采样距离（米）
Npx：垂直于行进方向的像素数
Ov：侧向图像重叠的百分比
v：飞机的地面速度（m / s）
同样，随着地面速度的提高，GSD的增加可使覆盖范围增加两倍。但是，此选择并不总是理想的。随着正射影像软件Orthophoto Software的改进和图像拼接算法的有效性提高，所需图像重叠的百分比会减少，从而增加了覆盖率。但是，增加垂直于行进方向的像素数将大大提高覆盖率。由于每次飞行覆盖的区域更广，因此需要在被测区域飞行较少的次数。
对于给定的像素大小，增加图像传感器的大小允许传感器上有更多像素，并直接转换为更高的覆盖率。对于成像系统，在考虑其他限制的同时，最理想的选择是尽可能使用最大的图像传感器。但是，请务必将镜头与相机的传感器格式匹配。有关为视觉系统选择镜头的更多信息，请阅读Lumenera白皮书：正确的做法：为视觉系统选择镜头。
底线
航空成像系统中的运动模糊直接取决于所需的地面采样距离。更高的地面分辨率要求更低的地面速度。这可以通过使用更短的曝光时间来克服，这通过使用具有更高灵敏度和/或更低读出噪声水平的相机来实现。低噪声允许使用更高的增益水平，而不会在图像中引入不可接受的噪声水平。较高的增益水平可使相机以较短的曝光时间工作，并有助于减少运动模糊。
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有关更多信息，请阅读Lumenera白皮书：航空成像最重要的相机参数。如果您有任何疑问， 请与我们的相机销售代表联系：sales@znjtech.cn。
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