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机械快门滤光片式多光谱成像仪相对定标方法研究
资料介绍
大面阵滤光片阵列多光谱成像仪采用了全帧转移大面阵探测器,并利用机械快门保证采集数据时不发生拖尾现象,但由于机械快门开合时间的不稳定性,使多光谱成像仪数据出现区域间的亮度不均匀,而且还会造成彩色图像偏色条带.故提出了一种基于目标辐射一致性的相对辐射定标方法,利用图像重叠部分的辐射特性,计算光谱图像的辐射矫正因子,对拼接图像的非均匀性进行矫正.并利用差分评价矫正效果.最后对多光谱相机采集的外场实验数据进行处理和矫正,结果表明,该方法可以很好的矫正单色拼接图像区域间的非均匀性,并可以消除彩色合成图像中的偏色条带;适用于有重叠部分的图像拼接,并且对于拼接误差不敏感.
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第
，
，
Ｖｏｌ．３７ Ｎｏ．８ ２６１５２６１８
ｐｐ
第
卷
３７
ꢀ
期
８
光
谱
学
与
光
谱
分
析
ꢀ ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
－
，
Ａｕｕｓｔ ２０１７
ｇ
ꢀ
年
月
Ｓｅｃｔｒｏｓｃｏ ａｎｄＳｅｃｔｒａｌＡｎａｌｓｉｓ
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ ꢀ ｐ ꢀｐ
ｐｙ
２０１７
ꢀꢀꢀ
８
ꢀ
ｙ
ꢀ
ꢀ
机械快门滤光片式多光谱成像仪相对定标方法研究
＊
， ， ，
王建威 裴琳琳 谭 政 黄
ꢀ
， ， ，
吕群波 刘扬阳 李伟艳
旻
ꢀ
， ，
中国科学院光电研究院 中国科学院计算光学成像技术重点实验室 北京
１０００９４
ꢀ
，
大面阵滤光片阵列多光谱成像仪采用了全帧转移大面阵探测器 并利用机械快门保证采集数据时
ꢀ
摘
要
ꢀ
， ， ，
不发生拖尾现象 但由于机械快门开合时间的不稳定性 使多光谱成像仪数据出现区域间的亮度不均匀 而
。 ，
且还会造成彩色图像偏色条带 故提出了一种基于目标辐射一致性的相对辐射定标方法 利用图像重叠部
， ， 。
分的辐射特性 计算光谱图像的辐射矫正因子 对拼接图像的非均匀性进行矫正 并利用差分评价矫正效
。 ， ，
最后对多光谱相机采集的外场实验数据进行处理和矫正 结果表明 该方法可以很好的矫正单色拼接图
果
， ； ，
像区域间的非均匀性 并可以消除彩色合成图像中的偏色条带 适用于有重叠部分的图像拼接 并且对于拼
。
接误差不敏感
； ； ；
关键词 多光谱成像 相对辐射定标 机械快门 拼接
ꢀ
：
：
文献标识码
Ａ
：
／
（
）
中图分类号
ＴＰ７５
ꢀꢀ
ＤＯＩ １０．３９６４ ．ｉｓｓｎ．１００００５９３２０１７０８２６１５０４
ꢀꢀꢀ
ｊ
－
－
－
，
射定标的方法只能消除系统固定的非均匀性 对随时间随机
，
产生的非均匀性 传统的相对辐射定标方法是无法校正的
。
引
言
ꢀ
，
本工作通过对该非均匀性产生的原因及多光谱成像仪原理
，
提出了一种基于目标辐射一致性的相对辐射定标方法 不但
光谱成像仪是一种可以同时获得目标空间和光谱信息的
ꢀꢀ
。 ，
遥感仪器 由于其强大的信息获取能力 被广泛应用于航空
，
可以消除拼接接缝 而且使得多光谱图像的非均匀性得到了
、 、 、 。
航天 国土资源 生态 环境等定量遥感领域 滤光片阵列
， ，
矫正 辐射特性一致 并利用差分的方法来评价相对辐射定
。
式多光谱成像仪通过在探测器表面覆盖滤光片阵列的方式获
标的效果
。 、
取目标光谱数据立方体 大视场 高分辨率的滤光片阵列多
。
光谱成像仪需要使用全帧转移探测器 但由于全帧转移探测
机械快门光谱成像仪
１
ꢀ
， ，
器在电荷转 移 阶 段 像 元 仍 在 积 累 电 荷 需 要 使 用 机 械 快
［］
１
。
，
，
，
通常光谱成像仪都使用电子快门 可以达到比较高的响
门
避免产生运动模糊现象
增加电子快门后 曝光时间
ꢀꢀ
［］
２
，
，
应速度 但对于使用全帧转移大面阵探测器的光谱成像仪帧
由两种快门的重合时间共同决定
但机械快门在曝光时间
， ，
非常短的情况下 开合时间不稳定性凸显 不能像电子快门
， ，
频很低 为了避免电子转移过程中继续曝光 必须使用机械
，
一样准确的控制积分时间 积分时间的不稳定导致图像拼接
。
快 门 本 工 作 涉 及 到 的 光 谱 成 像 仪 采 用 空 间 分 割 滤 光 片 分
， ，
后存在拼接缝 在整幅图像里表现为非均匀性 这种非均匀
性与光学系统不同视场角的能量分布和探测器的响应非均匀
， ，
性不同 它是一种区域间明暗程度的不同 并且不同波段间
，
的非均匀分布形式是不同的 导致合成彩色图像时有明显的
。
色差条带
光谱成像仪的 响 应 非 均 匀 性 通 常 是 通 过 对 均 匀 目 标 响
图
滤光片多光谱成像系统原理
１
ꢀ
，
应
计算得到系统的相对辐射定标系数对输出的图像进行矫
Ｆｉ．１ Ｔｈｅ ｒｉｎｃｉｌｅｏｆｔｈｅｍｕｌｔｉｓｅｃｔｒａｌ
－ ｐ
ꢀ ꢀ ꢀ
。 ，
目前也有基于场景的非均匀矫正方法 如时域高通滤波
ꢀ
ꢀ
正
ｇ
ｐ
ｐ
［
］
３４
、
［］
５
－
ｉｍａｉｎ ｓｓｔｅｍ
ｇ ｇ ｙ
ꢀ
，
但这些相对辐
算法
卡尔曼滤波非均匀矫正算法
等
：
，
修订日期
２０１５０８１０
：
收稿日期
２０１６０１２２
－ －
ꢀ
ꢀ
ꢀ
－
－
：
（ ）
资助
６１２２５０２４
基金项目 国家杰出青年科学基金项目
：
，
，
年生 中国科学院光电研究院工程师
：
ｅｍａｉｌ ｗｗ ａｏｅ．ａｃ．ｃｎ
ꢀꢀ ｊ ＠
作者简介 王建威
１９８７
－
：
ｅｍａｉｌ ｈｕａｎ ｍｉｎ ａｏｅ．ａｃ．ｃｎ
ｇ
通讯联系人
＊
ꢀꢀ
－
＠
光谱学与光谱分析
第
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
卷
３７
２６１６
， ，
滤光片放置于靠近大面阵探测器的位置 面阵探测器的
，
推扫完成后 将相邻两帧图像中同一光谱带的区域进行
光
，
若干行像元对应一个光谱带 整个探测器被划分为若干光谱
，
配准和拼接获 得 某 一 谱 段 的 图 像 将 所 有 波 段 的 图 像 拼 接
，
。
， ，
不同谱段间再进行配 准 切 除 光 谱 信 息 不 完 整 的 区 域
，
带
其原理如图 所示
１
后
。
得到一个完整的多光谱数据立方体 利用多光谱成像仪采集
每次拍照获得目标的二维空间信息和某一特定光谱带的
ꢀꢀ
， ，
光谱信息 每个光谱带的空间信息不同 还需要通过飞行平
，
的数据获得的拼接图像的一部分区域如图 图显示出区域
２
， ，
台飞行 在空 间 维 进 行 推 扫 实 际 上 是 实 现 了 光 谱 维 的 推
，
间明显的非均匀性 彩色图像中也会存在整体偏紫色和绿色
，
。
。
的区域
扫
从而获取目标的完整数据立方体
图
未均匀校正拼接图像
２
ꢀ
Ｆｉ．２ Ｔｈｅｄｉｒｅｃｔｌ ｍｏｓａｉｃｉｍａｅｓ
ꢀ ꢀ ꢀ
ｇ
ｇ
ｙ
ꢀ
λ
２
２
ｔ
ｐ
（）
Ｅｍ
ｉ
λ
ｇ
（）
ｄ
λ λ
（）
１
Ｎｅ
ＱＥ
＝
相对辐射定标方法
２
ꢀ
ｈ
ν
∫
λ
１
１
（）
Ｌｕｉｌ
ｇ λ ＝τｏｐｔπ
（）
（）
２
，
目前有很多算法用于消除拼接接缝 如基于重叠影像的
Ｅｍ
ｉ
λ
ｐｐ
ꢀꢀ
２
）
（／
４Ｆ
＃
、 、
方法 基 于 小 波 变 换 的 方 法 中 值 滤 波 法 和 强 制 改 正 法
，
ν
，
ｐ
，
为像元尺寸 为积
ｔ
其中 为普朗克常量
ｈ
为光子频率
［
］
６８
，
－
，
等
但这些方法 只 是 消 除 接 缝 处 的 数 值 突 变 忽 略 了 目
，
ＱＥ
（）
为探测器量子效率
λ
，
（） ，
为像面处辐照度
分时间
Ｅｍ
ｇ λ
ｉ
。
标的辐射特征的一致性 还有改进的基于随机序列分析的影
，
Ｌｕｉｌ
ｐｐ
（） ，
为入瞳光谱辐亮度 将光电子数
λ
ｏｔ为光学透过率
τｐ
［］
９
，
，
但
响模拟运动拼接方法
可以消除拼接图像的非均匀性
。
离散化得到探测器输出的
值
ＤＮ
，
其算法中的参数需要根据特定问题进行设置 限制了其适用
（）
和积分时间 是变化的
ｔ
。
上式中只有入瞳辐亮度
Ｌｕｉｌ
ｐｐ
λ
。 ，
范围 基于光谱图像辐射特性一致性的要求 提出一种相对
， ， ，
如果天气晴朗 无云 可以认为在短时间内 地面辐照度是
。
辐射定标的方法消除图像的非均匀性
根据多光谱数据立方体的获取方式和多光谱成像仪的成
，
即
（） 。 ，
不变 对于同一目标 由于机械快门不稳
λ
稳定的
Ｌｕｉｌ
ｐｐ
， ，
相邻两次成像的积分时间发生了变化 从而探测器的响
定
， ，
像原理可知 整个数据立方体中 单波段图像需要进行拼接
， ，
应值发生了变化 如果修正两次成像积分时间的差异 则可
， ，
才能获得 必须保证推扫 过 程 中 相 邻 两 帧 的 时 间 间 隔 内
，
。 ，
以使两幅图像的亮度保持一致 根据此原理 以第一帧数据
，
扫过的区域宽度小于单个光谱条带所对应的地面宽度 即相
，
为基础 依次修正相邻帧图像的
。
假设第 帧图像为
ｎ
值
ＤＮ
。
邻两帧图像同一光谱条带的目标必须有重叠部分 根据辐射
（， ），
ｉ
ｊ
（， ），
ｉ
ｊ
第
帧 为
第
帧 图 像 中
ｎ
Ｉ
ｎ
ｎ ＋ １
Ｉ
ｎ＋１
，
传输理论 探测器的光电子数可以用下式计算
，
第
Ｍｎ
与第 帧 重 合 的 像 元
ｎ＋１
值 之 和 为
帧 中 与
ｎ＋１
ＤＮ
图
均匀校正拼接图像
３
ꢀ
Ｆｉ．３ Ｔｈｅｍｏｓａｉｃｉｍａｅｓａｆｔｅｒｃｏｒｒｅｃｔｅｄ
ꢀ
ｇ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ꢀ
ｇ
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