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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

更新时间：2019-12-25 16:52:19 大小：2M 上传用户：zhiyao6查看TA发布的资源 标签：多光谱成像仪 下载积分：1分 评价赚积分 （如何评价?） 打赏 收藏 评论(0) 举报

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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