CN101532948A - Ccd相机成像应用的校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了CCD相机成像应用的校准方法，包括对CCD相机像元响应非均匀性的校准方法；以及利用已知的积分球均匀光源的绝对量值和对应的CCD相机所捕获图像的像素灰度反推所对应光源绝对强度的校准方法。像元响应非均匀性的校准方法根据图像上每个像素灰度信息自动获得全幅图像的补偿矩阵；绝对强度的校准方法通过图像的曝光时间和图像上各个像素灰度来反推出所对应光源的绝对强度函数关系的定量信息。本发明的像元响应非均匀性校准和绝对强度的校准方法可以随CCD相机曝光时间和图像的像素灰度的变化而自动的根据校准方法中得到的校准函数关系分别进行像元响应非均匀性和所对应光源绝对强度的自动校准。

Description

CCD相机成像应用的校准方法

技术领域

本发明涉及到光学成像技术、图像处理和数据分析技术领域，特别涉及到光学CCD相机成像的校准方法的数据分析与处理的技术领域。

背景技术

目前，在诸如天文和生物成像的科学研究中的CCD相机成像，都希望在均匀光源下CCD相机所成像的各像素点也是均匀响应的，即CCD相机的像元对相同辐照度的响应是一致的。不仅如此，还希望在一定辐照度的面光源下CCD相机所成像的像素灰度能够准确地反应其对应光源的辐照度值，尤其近两年在生物光学分子影像的研究中需要定量研究在活体成像中，如实地通过高灵敏度的CCD相机来追踪活体内细胞水平的变化情况。通过CCD相机像元响应非均匀性的校准和绝对强度的校准后，将靶细胞和荧光报告基因偶联到一起，荧光的发光情况就可以示踪靶细胞所形成的转移灶的迁移、靶细胞的增殖和凋亡情况。在整个CCD相机的校准和标定过程中，CCD相机像元响应非均匀性的校准和光源辐照度和像素灰度之间定量关系的绝度强度校准是重点和难点问题。

在传统的CCD相机像元响应非均匀性的校准方法是对相机所捕获的单幅图像进行校准，不能在曝光时间改变从而图像像素灰度也发生变化的情况下进行校准。这种对单幅图像在固定曝光时间下的CCD相机像元响应非均匀性校准的方法，可以参见：王力.“基于面阵CCD的光电测量设备光学系统像面照度不均匀度测量系统”[J].光电子技术，2008(9)。这种方法对于多幅图像的校准带来了很大的不便。目前，国内外均未见文献和专利报道关于CCD相机像元在不同曝光时间下对多幅图像的自动校准方法。

对于CCD相机的绝对强度校准，也就是通过相机所捕获的图像像素灰度反推发光面光源辐照度(或单位时间、单位面积发射光子数)的绝对强度的校准方法，可以参见美国的发明专利：US7116354B2 Absolute intensity determination for a light source inlow level light imaging system和US6919919B2 Light calibration device for use in lowlevel light imaging systems，这两个发明专利公开了在低光情况下利用图像对绝对强度校准的流程并说明了要确定一个补偿因子，该补偿因子是在CCD相机的曝光时间、增益、镜头参数以及物距不变的情况下所唯一确定的不变的常数因子。而在生物医学光学分子成像的研究中，要在小动物活体情况下获得体内微弱的光源信息(活体生物研究中需要获得的中间信息)，在成像过程中需要频繁地改变曝光时间，从而对小动物体内不同深度的光源信息都可以通过改变曝光时间来增大通光量的方法得到，而CCD相机的增益、镜头参数、物距和焦距都通常是固定不变的。针对不同的曝光时间的情况必须在成像设备制造中反复标定不同曝光时间下的补偿因子，并且得到的校准因子是有限个数的，很有可能在实验中需要设置的曝光时间之前就没有获得校准因子。前述两个美国专利中为获得不同曝光时间下不同的补偿因子需要通过大量试验获得，是对相机所捕获的单幅图像进行校准，不能在曝光时间改变、图像像素灰度也发生变化的情况下进行校准。在实际的补偿过程中十分不便。

发明内容

本发明的目的在于：为解决上述的技术问题提供一种具有更好的适应性和使用更方便的CCD相机像元响应非均匀性以及对像素灰度和其所对应光源辐照度关系的绝对强度的自动校准方法，实现在不同图像像素灰度的情况下获得校准函数关系对CCD相机像元响应非均匀性进行校准，在不同的曝光时间和不同的像素灰度的情况下对光源与像素灰度之间关系的绝对强度进行校准的方法。

为实现上述目的，本发明包括CCD相机像元响应非均匀性的校准方法和由CCD相机所捕获图像的像素灰度与其所对应光源辐照度推算的绝对强度校准方法包括以下步骤：

步骤1：确定校准系统线性区和采集图像数据

a)测定积分球均匀光源系统的最大噪声和CCD相机的灵敏度来确定校准系统线性区，在线性区内采集数据并进行相机的校准，以保证校准的精度和可靠性；

b)捕获在已知辐照度的均匀光源下的图像数据集P_e、P_f、P_m和P_n，分别用于像元响应非均匀性校准计算、验证和CCD相机绝对强度校准计算、验证；

步骤2：图像数据的预处理

将所有采集的图像减去对应曝光时间下的背景噪声图像，得到的图像在后续处理中满足线性关系，并满足CCD相机在一定曝光时间内的线性特性补偿和校准；

步骤3：CCD相机像元响应非均匀性校准

通过图像数据集P_e的每个像素灰度及系数矩阵得到整幅图像的像元响应非均匀性校准矩阵，校准相机像元响应的非均匀性，

$C=\frac{V1(p(i,j)-Q2)}{Q1}+V2---\left(1\right)$

(1)式中，C表示像元响应非均匀性校准的校准矩阵，p(i，j)表示预处理后图像第i行和第j列的像元像素灰度，V1和V2表示校准矩阵在对应光源辐照度下的校准系数矩阵，Q1和Q2表示图像上每个像素灰度与采集该图像时的光源辐照度的线性系数矩阵；

步骤4：像元响应非均匀性校准效果验证

利用图像数据集P_f中的图像数据和校准矩阵C相加得到校准后的图像矩阵P_f′对像元响应非均匀性校准效果验证；

步骤5：CCD相机绝对强度校准

通过图像的曝光时间和图像上各个像素灰度推算出所对应光源的辐照度，实现对相机绝对强度校准：

$R_m=\frac{K1(i,j)\·P(i,j)+k2(i,j)-\mathrm{\β}\·t_e-\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\α}\·t_e+\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

(2)式中，K1(i，j)和K2(i，j)是P_m图像数据集中的单个像素灰度p(i，j)与图像灰度均值的线性关系的系数矩阵，t_e为曝光时间，R_m为辐照度，α、β与ω、ψ分别为图像灰度均值和对应的曝光时间t_e与辐照度R_m的线性拟合系数；

步骤6：验证相机绝对强度校准结果

用图像数据集P_n的图像及其所得到的相应系数通过计算式(2)计算辐照度值R_n，将辐照度值R_n与图像数据集P_n采集时积分球均匀光源系统的硅探测器实际测得的辐照度值进行对比，分析误差，验证相机绝对强度校准结果；

步骤7：判断精度是否满足要求

由计算式(2)计算得到的辐照度值与积分球均匀光源系统的硅探测器输出值的偏差小于数据验证校准结果分析统计偏差的1.5倍，则满足精度要求，否则对校准过程重新处理。

与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

本发明的校准方法在CCD相机的硬件参数和相对位置不变的情况下，确定出图像上单个像素灰度的校准函数对CCD相机所捕获图像的像元响应非均匀性进行校准；确定出含有曝光时间和图像上单个像素灰度的校准函数，通过图像的单个像素灰度以及曝光时间所反应的光源的绝对辐照度值的校准函数关系校准CCD相机的绝对强度。这种校准方法所得到的校准函数对相同的相机硬件参数和相对位置，任一不同曝光时间下采集的图像均可进行校准。即实现对不同图像像素灰度的情况下获得校准函数关系对CCD相机像元响应非均匀性进行校准；在不同的曝光时间和不同的像素灰度的情况下对光源与像素灰度之间关系的绝对强度进行校准的方法。通过采集图像在CCD相机像元响应校准前的非均匀性为2.8％，而校准后的非均匀性为0.87％，获得理想的非均匀性校准效果。用本发明的绝对强度校准函数关系计算得到辐照度值与积分球均匀光源系统输出值偏差的平均值为0.27％，满足精度小于0.5％要求。

当把辐照度换成单位时间、单位面积发射的光子数时本发明的方法同样适用。

本发明的其它特点和优点可结合附图从下面通过举例对本发明的原理进行解释的优选实施方式的描述中变得更加清楚。

附图说明

图1用积分球均匀光源校准CCD相机的系统构成示意图

图2CCD相机成像应用校准的流程图

图3CCD相机像元响应非均匀性校准的流程图

图4A中心波长615nm，半高全宽20nm带通滤波片下采集的图像在CCD相机像元响应非均匀性校准前的图像

图4B中心波长615nm，半高全宽20nm带通滤波片下采集的图像在CCD相机像元响应非均匀性校准后的图像

图5CCD相机绝对强度的校准流程图

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明技术方案中所涉及的各个细节问题。应指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1是根据本发明中阐述的用积分球均匀光源系统2对CCD相机1在成像应用校准过程的系统构成示意图。

如图1所示，调整CCD相机1和积分球均匀光源系统2之间的距离，使得CCD相机镜头15与积分球均匀光源系统2的光源出口间距在54mm，并使CCD相机镜头的轴线与积分球均匀光源系统2的光源出口平面相垂直。用USB数据线11连接CCD相机和计算机3，使得相机采集的数据能传输到计算机3中，并且计算机发出的控制指令可以传达到CCD相机1中。分别用导管12和CCD电源线14连接CCD相机1和电源制冷箱13。设置CCD相机镜头15的光圈为f8焦距为定焦50mm，拍摄距离设置为0.3m；相机的增益、传输速率设置为生物活体光学成像时的参数。

图1中的积分球均匀光源系统2是可溯源于美国国家标准和技术研究院(NationalInstitute for Standards and Technology，NIST)标定过的低光均匀光源系统，这样最终用于科学研究的结果可以在全球范围进行比较。在实验前先要将积分球均匀光源系统2的卤钨灯电源电缆21连接在控制箱24和卤钨灯25，用衰减器控制线22连接在控制箱24和衰减器26，控制箱24和计算机3通过路由器31和网线32连接，由相应的IP地址实现相互间的通信；这样通过计算机3上的软件调节卤钨灯光源入口积分球均匀光源系统2狭缝的大小，从而控制积分球均匀光源系统2的出口光的辐照度值。图1中滤波片轮27和计算机3用滤波片轮控制电缆23连接，在校准实验中根据需要校准的频谱范围选择相应的带通滤波片。通过计算机3的软件选择荧光素酶(luciferase)生物发光光学成像的吸收峰615nm的带通滤波片(半高全宽20nm，中心波长615nm)，调节积分球均匀光源系统2的辐照度值，使得出口平面的光源辐照度从零开始逐渐缓慢增长，直到CCD相机1在曝光10S至300S的情况下可以检测到为止，这样初步确定CCD相机1的最小感测光源的辐照度值即CCD相机的灵敏度s0；在完全密闭的暗室里，将卤钨灯25电源开启并稳定十分钟后，积分球均匀光源系统2的硅探测器28采集数据五分钟，对获得的数据在Histogram软件下进行分析画出直方图，利用统计分析的方法确定积分球均匀光源系统2的最大噪声n₀。比较CCD相机1的灵敏度s₀和积分球均匀光源系统2的最大噪声辐照度值n₀，在两者中选择其中的大者的辐照度值至CCD相机1在1S曝光时间内图像出现饱和的辐照度值作为校准系统的线性区域。确定校准系统线性区，通过在线性区内采集数据并进行相机的校准保证校准的精度和可靠性。

图2是本发明的进行像元响应非均匀性校准和利用含有曝光时间和像素灰度的函数关系对其所对应光源辐照度的绝对强度进行校准的流程图。其流程步骤包括：

步骤201：开始校准

步骤202：校准系统线性区的确定和图像数据的采集

校准系统线性区的确定方法如图1所示，通过测定积分球均匀光源系统的最大噪声n₀和CCD相机的灵敏度s₀来确定校准系统线性区。

采集40个不同辐照度下(辐照度值要覆盖生物体发光光源辐照度的范围)的均匀光源的图像，每个辐照度下采集至少三个曝光时间的图像，三个曝光时间优先选择覆盖生物实验中的曝光时间范围，对每个曝光时间下采集5幅图像；并采集相应曝光时间的CCD相机1的背景噪声图像。

步骤203：图像数据的预处理

对步骤202中所捕获的每一幅图像减去对应曝光时间下采集的背景噪声的图像，并对相同辐照度、相同曝光时间情况下减去背景噪声的图像进行取平均值处理得到数据集Pe(e＝1，2，...10)。

步骤204：CCD相机像元响应非均匀性校准

像元响应的非均匀性校准过程按图3所示的CCD相机像元响应非均匀性校准的流程图进行。

步骤301：像元响应的非均匀性校准开始。

步骤302：读取步骤204预处理后的不同辐照度的图像集P_e(e＝1，2，...10)。

步骤303：求取每幅图像的像素均值I_e(e＝1，2，...10)，并令

I_e＝[I₁，I₂，...，I₁₀]

步骤304：由积分球均匀光源系统2的硅探测器28直接读取的辐照度值

R_e＝[R₁，R₂，...，R₁₀]

步骤305：对P_e数据集中的每幅图像进行计算式拟合：

I_e＝a·R_e+b                 (1)

$\underset{e=1}{\overset{10}{\mathrm{\Σ}}}{[I_e-(b+a\·R_e)]}^2{|}_{a=\hat{a},b=\hat{b}}---\left(1a\right)$

计算式中I_e表示图像灰度的平均值，R_e表示图像的辐照度的平均值。

对(1)式中取最小值，即对其求偏导数即可得：

$\hat{b}=\frac{\left(\mathrm{\Σ}{R}_e^2\right)\left(\mathrm{\Σ}{I}_e\right)-\left(\mathrm{\Σ}{R}_e\right)\left(\mathrm{\Σ}{R}_e{I}_e\right)}{10\left(\mathrm{\Σ}{R}_e^2\right)-{\left(\mathrm{\Σ}{R}_e\right)}^2}---\left(1b\right)$

$\hat{a}=\frac{10(\mathrm{\Σ}{R}_e\·I_e)-\left(\mathrm{\Σ}{R}_e\right)\left(\mathrm{\Σ}{I}_e\right)}{10\left(\mathrm{\Σ}{R}_e^2\right)-{\left(\mathrm{\Σ}{R}_e\right)}^2}---\left(1c\right)$

步骤306：对单个像素进行计算式拟合，利用已知的辐照度值和每个像元的像素灰度进行拟合。

p(i，j)＝Q1·R_e+Q2                   (2)

计算式(2)中的p(i，j)表示每个像素灰度，Q1，Q2为每个像素灰度随辐照度的线性函数关系的系数矩阵。同样如计算式(1a)、(1b)、(1c)的方法可以得到系数矩阵Q1，Q2。

步骤307：将计算式(2)中的辐照度R_e解出来，即得：

R_e＝(p(i，j)-Q2)/Q1                    (3)

步骤308：将计算式(3)代入计算式(1)中可以得到：

I_e＝K1(i，j)·P(i，j)+k2(i，j)         (4)

K1(i，j)＝a/Q1，

其中

k2(i，j)＝b-(a·Q2)/Q1

K1，K2是整幅图像像素灰度均值与每个像素灰度的线性函数系数。

步骤309：由上可以求的校准后的图像为：

P_e′＝K1(i，j)·P_e+k2(i，j)        (5)

P_e′为校准后的矩阵，P_e为校准前的矩阵。曝光时间为20S、CCD相机镜头15的光圈为f8的情况下校准前的图像如图4A所示，校准后的图像如图4B所示。在图像像元响应校准前的图4A的非均匀性NU(NU＝σ/I其中σ指标准差，I指图像的像素灰度均值)为2.8％，而校准后的非均匀性为0.87％，其校准效果比较理想。

步骤310：因此可以求得相应的校准矩阵为：

C＝P_e′-P_e                    (6)

步骤311：用步骤305中的拟合方法，求得和校准矩阵与相应辐照度下的校准系统矩阵V1和V2：

C＝V1·R_e+V2                       (7)

从而证明校准矩阵C是随光源的辐照度R_e线性变化的。

步骤312：得到含有单个像素灰度p(i，j)和曝光时间t_e的校准矩阵

计算式(7)给出的校准矩阵随辐照度的函数关系中，V1，V2表示的是校准矩阵随辐照度值的校准系数矩阵。将计算式(3)得到的辐照度关于每个像素灰度的函数关系代入到计算式(7)中，即得到校准矩阵：

$C=\frac{V1(p(i,j)-Q2)}{Q1}+V2---\left(8\right)$

该校准矩阵只与每个像素灰度p(i，j)有关。

步骤313：像元响应的非均匀性校准结束，回到图2的步骤205。

步骤205：像元响应非均匀性校准效果验证

为了检验上述过程所得到的校准矩阵的准确性，采用验证样本集的数据Pf(f＝1，2，...，10)来验证校准矩阵的准确性。由计算式(7)所得的校准矩阵为C＝V1·R_e+V2，这里V1，V2为上述过程求得的已知结果，将每幅图像的辐照度值代入计算式就可以得到校准矩阵，利用该矩阵可得：

p_f′＝p_f+C，(f＝1，2，...，10)              (9)

通过数据检验校准后的图像的非均匀性NU(NU＝σ/I其中σ指标准差，I指图像的像素灰度均值)小于2.4％，积分球均匀光源系统2的光源均匀度大于98％。因此，可以证明CCD相机1的像元响应非均匀性校准达到了理想的校准结果。

步骤206：CCD相机1绝对强度的校准

CCD相机1绝对强度的校准过程按图5所示的CCD相机绝对强度的校准流程图进行。

步骤501：CCD相机1绝对强度的校准开始。

步骤502：读取图像数据P_m(m＝1，2，...，10)。

步骤503：求取各图像的像素均值I_m(m＝1，2，...，10)。

步骤504：对每个辐射度下列出计算式(10)，并用最小二乘线性拟合，得到相应的系数k_i和d_i。

I_m＝k_i·t_e+d_i，(m＝1，2，...，10)      (10)

步骤505：对于不同的k_i与R_i，d_i与R_i进行线性最小二乘拟合：

k_i＝α·R_m+β，(m＝1，2，...，10)              (11a)

d_i＝ω·R_m+ψ，(m＝1，2，...，10)             (11b)

步骤506：将步骤505中的计算式(11a)和(11b)代入计算式(10)中并整理可以得到：

$R_m=\frac{I_m-\mathrm{\β}\·t_e-\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\α}\·t_e+\mathrm{\ω}},(m=\mathrm{1,2},...,10)---\left(12\right)$

步骤507：将步骤305中的计算式(1)和步骤307中的计算式(3)代入到步骤506中得到的计算式(12)整理可以得到：

$R_m=\frac{a(P(i,j)-Q2)/Q1+b-\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\α}\·t_e+\mathrm{\ω}},(m=\mathrm{1,2},...,10)---\left(13\right)$

在计算式(13)中R_m表示辐照度值，t_e表示曝光时间，p(i，j)表示图像的各个像素灰度。

步骤508：CCD相机1绝对强度的校准结束，返回图2的步骤207。

步骤207：用数据验证校准结果

利用步骤202中采集的图像数据中的40个不同辐照度的图像，取其中10个辐照度分布并覆盖在CCD相机1和积分球均匀光源系统2的线性区内的辐照度范围的图像数据集P_n，(n＝1，2，...，10)。将P_n数据集中的10幅图像数据代入到计算式(13)中，得到的计算辐照度值与硅探测器28所测量的值的10个偏差的平均值为0.27％，在这10幅图像的验证中表明该方法的准确率是非常理想的。

步骤208：精度是否满足要求的判断

当通过由CCD相机所捕获的图像像素灰度与其所对应光源强度推算的绝对强度校准函数关系计算得到辐照度值与积分球均匀光源系统2上的硅探测器28的输出值的偏差小于数据验证校准结果分析统计偏差的1.5倍，即小于偏差的平均值0.405％则认识满足精度要求，转到步骤209，否则转向步骤203，重做上述的校准过程。

步骤209：则结束

将积分球均匀光源系统2的硅探测器28输出值切换到单位时间、单位面积发射的光子数档，在本实施例中，辐照度到单位时间、单位面积发射的光子数的换算仅仅需乘以一个换算因子2.412×10⁷即将辐照度单位W/cm²·Sr变换到了Tphot/cm²/S，换算因子的获得是由积分球的生产厂家提供的，单位时间、单位面积发射光子数的测量标准是可以溯源于NIST标准的。

在生物细胞或分子定量的检测中，当用辐照度无法满足获得细胞或分子数量要求时，可以通过在单位时间、单位面积发射光子数与细胞或分子数量的对应关系的标定来实现定量检测。在实际校准中将积分球的数据显示切换到发射光子数档，则用同样的方法可以得到单位时间、单位面积发射的光子数随曝光时间和图像像素灰度的函数关系和对应的校准函数。

Claims (5)

1.一种CCD相机成像应用的校准方法，该方法主要包括CCD相机像元响应非均匀性的校准方法和由CCD相机所捕获图像的像素灰度与其所对应光源辐照度推算的绝对强度校准方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：确定校准系统线性区和采集图像数据

a)测定积分球均匀光源系统的最大噪声和CCD相机的灵敏度来确定校准系统线性区，在线性区内采集数据并进行相机的校准，以保证校准的精度和可靠性；

b)捕获在已知辐照度的均匀光源下的图像数据集P_e、P_f、P_m和P_n，分别用于像元响应非均匀性校准计算、验证和CCD相机绝对强度校准计算、验证；

步骤2：图像数据的预处理

将所有采集的图像减去对应曝光时间下的背景噪声图像，得到的图像在后续处理中满足线性关系，并满足CCD相机在一定曝光时间内的线性特性补偿和校准；

步骤3：CCD相机像元响应非均匀性校准

通过图像数据集P_e的每个像素灰度及系数矩阵得到整幅图像的像元响应非均匀性校准矩阵，校准相机像元响应的非均匀性，

$C=\frac{V1(p(i,j)-Q2)}{Q1}+V2---\left(1\right)$

(1)式中，C表示像元响应非均匀性校准的校准矩阵，p(i，j)表示预处理后图像第i行和第j列的像元像素灰度，V1和V2表示校准矩阵在对应光源辐照度下的校准系数矩阵，Q1和Q2表示图像上每个像素灰度与采集该图像时的光源辐照度的线性系数矩阵；

步骤4：像元响应非均匀性校准效果验证

利用图像数据集P_f中的图像数据和校准矩阵C相加得到校准后的图像矩阵P_f′对像元响应非均匀性校准效果验证；

步骤5：CCD相机绝对强度校准

通过图像的曝光时间和图像上各个像素灰度推算出所对应光源的辐照度，实现对相机绝对强度校准：

$R_m=\frac{K1(i,j)\·P(i,j)+k2(i,j)-\mathrm{\β}\·t_e-\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\α}\·t_e+\mathrm{\ω}}---\left(2\right)$

(2)式中，K1(i，j)和K2(i，j)是P_m图像数据集中的单个像素灰度p(i，j)与图像灰度均值的线性关系的系数矩阵，t_e为曝光时间，R_m为辐照度，α、β与ω、ψ分别为图像灰度均值和对应的曝光时间t_e与辐照度R_m的线性拟合系数；

步骤6：验证相机绝对强度校准结果

用图像数据集P_n的图像及其所得到的相应系数通过计算式(2)计算辐照度值R_n，将辐照度值R_n与图像数据集P_n采集时积分球均匀光源系统的硅探测器实际测得的辐照度值进行对比，分析误差，验证相机绝对强度校准结果；

步骤7：判断精度是否满足要求

由计算式(2)计算得到的辐照度值与积分球均匀光源系统的硅探测器输出值的偏差小于数据验证校准结果分析统计偏差的1.5倍，则满足精度要求，否则对校准过程重新处理。

2.根据权利要求1中所述的CCD相机成像应用的校准方法，其特征在于所述步骤3的CCD相机像元响应非均匀性的校准包含以下步骤：

(步骤1)：读取图像数据预处理后的图像数据集P_e；

(步骤2)：取得图像数据集P_e中的每一幅图像的像素灰度均值I_e；

(步骤3)：输入图像数据集P_e中的每一幅图像所对应的辐照度值R_e；

(步骤4)：将图像数据集P_e中的每一幅图像的像素灰度均值I_e与对应的辐照度值R_e进行线性拟合：

I_e＝a·R_e+b             (3)

式(3)中，a和b为图像数据集P_e中的每一幅图像的像素灰度均值I_e与对应的辐照度值R_e的线性拟合系数；

(步骤5)：对图像数据集P_e中每一幅图像的单个像素灰度与其对应的辐照度值进行线性拟合，并进行整理得：

R_e＝(p(i，j)-Q2)/Q1              (4)

式(4)中，Q1和Q2表示图像上每个像素灰度与采集该图像的光源辐照度的线性系数矩阵；

(步骤6)：图像数据集P_e中的每一幅图像的像素灰度均值I_e与图像上单个像素灰度p(i，j)的线性关系为：

I_e＝K1(i，j)·P(i，j)+K2(i，j)        (5)

式(5)中系数矩阵K1(i，j)＝a/Q1，K2(i，j)＝b-(a·Q2)/Q1；

(步骤7)：由步骤6得到校准后图像矩阵P_e′：

P_e′＝K1(i，j)·P_e+k2(i，j)         (6)

(步骤8)：由校准前后的图像求得校准矩阵：

C＝P_e′-P_e                          (7)

(步骤9)：校准矩阵C与其对应辐照度值R_e为如下线性关系：

C＝V1·R_e+V2                                 (8)

(步骤10)：由图像的单个像素灰度p(i，j)、校准系数矩阵V1与V2和每个像素灰度p(i，j)与采集该图像的光源辐照度R_e的线性系数矩阵Q1与Q2得到校准相机像元响应的非均匀性校准矩阵

$C=\frac{V1(p(i,j)-Q2)}{Q1}+V2.$

3.根据权利要求1中所述的CCD相机成像应用的校准方法，其特征在于所述步骤5中的CCD相机绝对强度的校准包含以下步骤：

[步骤1]：读取图像数据预处理后的图像数据集P_m；

[步骤2]：取得图像数据集P_m中的每一幅图像的像素灰度均值I_m；

[步骤3]：对图像数据集P_m中的每一幅图像的像素灰度均值I_m与采集图像时对应的曝光时间t_e进行线性拟合：

I_m＝k_i·t_e+d_i      (9)

式(9)中的k_i和d_i是每一幅图像的像素灰度均值I_m与采集图像时对应的曝光时间t_e的线性拟合系数；

[步骤4]：将线性拟合系数k_i和k_i分别与对应图像采集时的辐照度值R_m进行线性拟合：

k_i＝α·R_m+β          (10a)

d_i＝ω·R_m+ψ          (10b)

式(10a)中α和β是k_i与辐照度值R_m的线性拟合系数，

式(10b)中ω和ψ是d_i与辐照度值R_m的线性拟合系数；

[步骤5]：将计算式(10a)和(10b)代入计算式(9)

辐照度值R_m与图像的像素均值I_m和曝光时间t_e的关系式：

$R_m=\frac{I_m-\mathrm{\β}\·t_e-\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\α}\·t_e+\mathrm{\ω}}---\left(11\right)$

[步骤6]：由图像数据集P_m的单个像素灰度p(i，j)、曝光时间t_e以及图像灰度均值I_m和图像上单个像素灰度p(i，j)的线性关系的系数矩阵K1(i，j)和

K2(i，j)，计算绝对强度校准矩阵

$R_m=\frac{K1(i,j)\·P(i,j)+k2(i,j)-\mathrm{\β}\·t_e-\mathrm{\ψ}}{\mathrm{\α}\·t_e+\mathrm{\ω}}---\left(12\right)$

4.根据权利要求1中所述的CCD相机成像应用的校准方法，其特征在于所述步骤1的校准系统线性区的确定包括以下步骤：

{步骤1}：确定积分球均匀光源系统的最大噪声值

开启积分球均匀光源系统的电源并达到稳定，将衰减器控制的狭缝关闭并接收硅探测器的输出信号，对输出信号的辐照度值进行直方图数据分析，确定积分球均匀光源系统的最大噪声值n₀；

{步骤2}：确定CCD相机的灵敏度

将稳定后的积分球均匀光源系统光源调节到最弱的辐照度，调节CCD相机的曝光时间，从10S至300S进行成像，逐渐增强光源辐照度，并不断地对变化辐照度后的均匀光源成像，直到在曝光时间内能感测到辐照度值为止，该均匀光源的辐照度值为CCD相机的灵敏度值s₀；

{步骤3}：校准系统辐照度线性区确定

比较最大噪声值n₀和灵敏度值s₀的大小，取其中的大数值作为校准系统辐照度线性区的起点R₀，调节CCD相机的曝光时间为1S，由弱到强地调节积分球均匀光源系统的辐照度值，对均匀光源进行成像，将CCD相机像素灰度出现饱和时的辐照度值R_t作为校准系统辐照度线性区的终点。

5.根据权利要求1所述的CCD相机成像应用的校准方法，其特征在于将积分球均匀光源系统输出的辐照度转换成发射光子数，也能实现对CCD相机像元响应非均匀性的校准和对CCD相机绝对强度的校准。

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