CN102917243A - 空间相机彩色图像质量评价检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种空间相机彩色图像质量评价检测系统，包括光源、目标单元、准直光学系统、光谱信息采集单元以及控制单元；目标单元、准直光学系统、光谱信息采集单元依次设置在光源的出射光路上；控制单元与光谱信息单元相连。本发明提供了一种能够对空间彩色相机图像重建色彩准确度的评价、公信度高以及稳定性强的空间相机彩色图像质量评价检测系统。

Description

空间相机彩色图像质量评价检测系统

技术领域

本发明属于光学检测领域，涉及一种空间相机彩色图像质量评价检测系统，尤其涉及一种空间相机图像进行彩色复原后对其彩色图像色彩准确度评价的空间相机彩色图像质量评价检测系统。

背景技术

颜色视觉是由光照、物体表面形态和视觉系统共同决定的，它们对颜色评价有着决定性的影响。要解决颜色的度量问题，首先必须找到外界光刺激与色知觉量之间的对应关系，以便通过对光辐射物理量的测量间接地获得色知觉量。因此应用了心理物理学的方法，综合光学、视觉生理、视觉心理等学科，通过大量的科学实验，研究人员建立了色度学体系，初步解决了对颜色进行定量描述和规范测量的问题。经过国际照明委员会（CIE）的技术协调，使之标准化，建立了CIE色度学系统，实现用数量来表示颜色、用物理仪器代替人眼进行颜色的测量。

在人类进行的月球与深空探测活动中，环绕探测、软着陆探测和巡视勘察是最主要的探测手段，软着陆更是踏上另一个星球进行实地科学探测的第一步，从获取探测数据的直接性和丰富性的角度来看，软着陆和巡视勘察是其它探测形式所不能替代的，在月球与深空探测技术发展中占据着十分重要的地位。

空间彩色相机在未来星球软着陆方面将会越来越普遍，因为其在可视信息数字化方面较传统的空间黑白相机拥有更多的颜色信息，也更符合人眼对图像的需要。

现今，在衡量彩色重建图像质量的优劣方面，却依然沿袭着以往的传统模式。虽然考虑到信息的主体是图像，然而图像的最终受体是人，人眼感受彩色图像直观质量的好坏就可以成为衡量系统的重要指标。目视法是主要的颜色评价手段，但这种方法受到照明条件、背景亮度、材料光泽、纹理、大小形状及操作人员的视觉和心理上的差异等方面因素的影响，准确度低、一致性差。即使取多个不同人员的平均判定甚至同一个观察者多次重复判定，其结果仍然会出现相当大的离散性和随机性。而且主观评价测试不仅繁琐、耗时，实行起来也非常昂贵。这使得空间彩色相机在研制后期，无法通过有效的手段，对其重建图像的色彩准确度进行测试和评价，更无法通过测试获取反馈信息，改善色彩还原算法，得到更为真实的重建彩色图像。

正是由于主观评价的不足，人们开始意识到彩色图像定量描述以及测量评价的重要性。而只有对彩色重建图像的色彩准确度进行定量化测试，才能有效的指导整个彩色重建流程和方法，获取更为真实、更容易被大众接受的准确彩色图像。

发明内容

为了解决背景技术中存在的上述问题，本发明提供了一种能够对空间彩色相机图像重建色彩准确度的评价、公信度高以及稳定性强的空间相机彩色图像质量评价检测系统。

本发明的技术解决方案是：本发明提供了一种空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特殊之处在于：所述空间相机彩色图像质量评价检测系统包括光源、目标单元、准直光学系统、光谱信息采集单元以及控制单元；所述目标单元、准直光学系统、光谱信息采集单元依次设置在光源的出射光路上；所述控制单元与光谱信息单元相连。

上述光源是能够为检测系统提供稳定光源的CIE推荐采用的标准照明体光源；所述CIE推荐采用的标准照明体光源至少包括D55、D65以及D75；所述D55的相关色温是5503K；所述D65的相关色温是6504K；所述D75的相关色温是7504K。

上述目标单元是标准色板。

上述准直光学系统是离轴反射平行光管；所述目标单元设置在离轴反射平行光管的焦平面上；所述光源通过目标单元反射至离轴反射平行光管。

上述离轴反射平行光管是口径是Φ100mm，焦距是1000mm离轴反射平行光管。

上述离轴反射平行光管包括离轴抛物面主镜以及可变光阑；所述目标单元设置在离轴抛物面主镜的焦平面上；所述光源通过目标单元反射至离轴抛物面主镜上；所述可变光阑设置在离轴反射平行光管的出光口处；所述可变光阑是消杂散光光阑。

上述光谱信息采集单元包括电控平移台以及光谱辐射度计；所述光谱辐射度计以及待测空间相机分别设置在电控平移台上；所述控制单元分别与光谱辐射度计以及待测空间彩色相机相连；所述控制单元分别控制光谱辐射度计或待测空间相机在电控平移台上移动至准直光学系统的出光口处。

上述控制单元是步进电机控制器。

上述空间相机彩色图像质量评价检测系统还包括与光谱信息采集单元相连的数据处理单元；所述数据处理单元是由封装有CIE DE2000色差公式的算法的计算机软件程序来实现的。

上述空间相机彩色图像质量评价检测系统还包括与数据处理单元相连的显示单元。

本发明的优点是：

本发明提供了一种空间相机彩色图像评价测试系统，该测试系统由光源系统、准直系统、目标单元、光谱采集单元、控制单元、数据处理单元和显示单元组成。当标准光源照亮目标单元时，控制单元先将光谱辐射度计移动至平行光管出光口处进行光谱信息采集；而后控制单元将光谱辐射度计移出，将被测空间彩色相机移动至平行光管出光口处采集图像。数据处理单元将所得到的数据进行计算，得到重建彩色图像的色差，并通过显示器输出计算结果和实时图像。具体而言，本发明具有以下优点：

1、本发明通过光谱辐射度计测量准直系统出光口辐亮度值，并换算得到出光口的光谱三刺激值。空间彩色相机在出光口对目标单元成像，重建彩色图像后，从显示单元直接获取图像三刺激值。利用CIE DE2000均匀色空间，来进行色差的计算，可以从明度差、彩度差、色调差等多方面对图像颜色准确度进行评定，具有很高的公信度。填补了国内无法通过客观数据，对空间相机重建后的彩色图像进行评价的空白，在国内空间相机领域实属首创，避免了传统人工评价的不确定因素，用客观的数据评定替代了主观的评价。

2、本发明采用的光源选用标准照明体，提高了测试的稳定性，目标单元选用标准色板ColorCheckDC，具有很高色彩饱和度、均匀性，可以提高测试的稳定度；光谱采集单元选用高精度光谱辐射度计，大大提高测试精度；在准直系统出射窗口处安装有可变光阑，可根据不同空间相机的通光口径大小调整准直系统出射光束的口径，以满足不同相机测试的需要；在准直系统出射窗口处安装有可变光阑，可以有效的遮挡杂散光，提高测试精度；选用高精度电控平移台，承载被测相机和光谱辐射度计交替移动至准直系统出光口处，保证了测试的重复性。

附图说明

图1是本发明所提供的空间相机彩色图像质量评价检测系统的结构示意图；

其中：

1-光源；2-标准色板；3-离轴抛物面主镜；4-可变光阑；5-被测空间相机；6-光谱辐射度计；7-电控平移台；8-控制单元；9-数据处理单元；10-显示单元；11-准直光学系统。

具体实施方式

参见图1，本发明提供了一种空间相机彩色图像质量评价检测系统，该评价检测系统包括光源1、目标单元、准直光学系统11、光谱信息采集单元以及控制单元8；目标单元、准直光学系统11、光谱信息采集单元依次设置在光源1的出射光路上；控制单元8与光谱信息单元相连。

光源1是能够为检测系统提供稳定光源的CIE推荐采用的标准照明体光源；CIE推荐采用的标准照明体光源至少包括D55、D65以及D75；D55的相关色温是5503K；D65的相关色温是6504K；D75的相关色温是7504K。

目标单元是标准色板2。

准直光学系统11是离轴反射平行光管；目标单元设置在离轴反射平行光管的焦平面上；光源1通过目标单元反射至离轴反射平行光管。

离轴反射平行光管是口径是Φ100mm，焦距是1000mm离轴反射平行光管。

离轴反射平行光管包括立轴抛物面主镜3以及可变光阑4；目标单元设置在立轴抛物面主镜3的焦平面上；光源1通过目标单元反射至立轴抛物面主镜3上；可变光阑4设置在离轴反射平行光管的出光口处；可变光阑4是消杂散光光阑。

光谱信息采集单元包括电控平移台7以及光谱辐射度计6；光谱辐射度计6以及待测空间相机分别设置在电控平移台7上；控制单元8分别与光谱辐射度计6以及待测空间彩色相机5相连；控制单元8分别控制光谱辐射度计6或待测空间相机在电控平移台7上移动至准直光学系统11的出光口处。

控制单元8是步进电机控制器。

空间相机彩色图像质量评价检测系统还包括与光谱信息采集单元相连的数据处理单元9；数据处理单元9是由封装有CIE DE2000色差公式的算法的计算机软件程序来实现的。

空间相机彩色图像质量评价检测系统还包括与数据处理单元9相连的显示单元10。

本发明的工作过程是：标准照明体光源1发出的光照射在标准色板2上；标准色板2为漫反射体，位于准直系统11的焦平面上，经过标准色板反射的光再打在准直系统主镜3上，以平行光束从准直系统出射；在出射窗口处设置有可变光阑4，既用于控制平行光束的口径，还可以对杂散光进行抑制；控制单元8通过控制电控平移台7并承载空间相机5移动至准直系统11出光口处，对标准色板2进行成像后存储图像；控制单元8移动电控平移台7运动，将光谱辐射度计6移入准直系统11出光口处，采集出口处光谱辐亮度值；对空间相机采集的图像进行彩色复原，并提取复原后图像的三色刺激值；对光谱辐射度计所采集的辐亮度值进行计算，得到出光口处的标准三色刺激值；进而将两个设备获取的数值代入CIE DE2000色差公式中进行运算，得到复原彩色图像与真实值之间的色差，以上流程都再数据处理单元9中进行；显示单元10既能显示空间相机采集图像，也能将计算结果输出成报表。

本发明的具体工作原理如下：

标准照明体光源照亮标准色板，经过准直系统准直后形成准直光束，信号采集单元的光谱辐射度计在准直系统出光口处采集辐亮度值，通过计算得到照明体相对光谱功率分布函数S(λ)，进而按下式计算出光口处的CIE色度系统三刺激值X1、Y1、Z1。

式中：

为颜色刺激函数，即进入人眼产生颜色感觉的光能量。

是CIE规定的标准色度观察者的光谱三刺激值，k为归一化系数。

被测物体是非自发光物体时：

其中ρ(λ)为物体的光谱反射比，S(λ)为标准照明体光源的相对光谱功率分布。用分光光度计测量被测色板的光谱反射比ρ(λ)。

通过移动电控平移台将被测相机移动至准直系统出光口处，对标准色板进行成像，通过相机自身彩色合成算法复原出标准色板的彩色图像，从显示单元读取标准色板R、G、B值，此数值即为复原彩色图像三刺激值X2、Y2、Z2。

数据处理单元根据以上获取的彩色图像三刺激值进行计算，最后将评判结果通过显示单元输出结果报表。以下是相关数据处理算法：

利用CIE DE2000均匀色空间，来进行色差的评价，米制明度L^*、米制色品a^*、b^*：

$\left\{\begin{array}{c}{L}^{*}=\left\{\begin{array}{cc}116{(Y/Y_n)}^{1/3}-16& (Y/Y_n>0.008856)\\ 903.3Y/Y_n& (Y/Y_n\≤0.008856)\end{array}\right.\\ a^{*}=\left\{\begin{array}{cc}500[{(X/X_n)}^{1/3}-{(Y/Y_n)}^{1/3}]& (X/X_n>0.008856)\\ 3893.5[X/X_n-Y/Y_n]& (X/X_n\≤0.008856)\end{array}\right.\\ B^{*}\left\{\begin{array}{cc}200[{(Y/Y_n)}^{1/3}-{(Z/Z_n)}^{1/3}]& (Z/Z_n>0.008856)\\ 1557.4[Y/Y_n-Z/Z_n]& (Z/Z_n\≤0.008856)\end{array}\right.\end{array}\right.$

(X,Y，Z)是颜色样品的三刺激值，(X_n,Y_n,Z_n)是CIE标准照明体照射在全漫反射体上，反射到观察者眼中的白色三刺激值。

颜色的彩度 $C_{\mathrm{ab}}^{*};$ $C_{\mathrm{ab}}^{*}={(a^{*2}+b^{*2})}^{1/2}$

计算a′=(1+G)a^*，h′=arctan(b^*/a′)

其中 $G=0.5\{1-{\{{\left(\stackrel{\‾}{C_{\mathrm{ab}}^{*}}\right)}^7/[{\left(\stackrel{\‾}{C_{\mathrm{ab}}^{*}}\right)}^7+25\left]\right\}}^{1/2}\},$

是两色样彩度值的算术平均值。计算 $\mathrm{\ΔL}=L_1^{*}-L_2^{*},$ ΔC′=C₁′-C2′_，ΔL′=h′₁-h₂′， ${\mathrm{\ΔH}}^{\′}=2\sin \left(\frac{{\mathrm{\Δh}}^{\′}}{2}\right)\sqrt{C_1^{\′}{C}_2^{\′}}$

两个颜色之间的色差计算公式为ΔE₀₀

${\mathrm{\ΔE}}_{00}=\sqrt{{\left(\frac{{\mathrm{\ΔL}}^{*}}{k_L{S}_L}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ΔC}}^{\′}}{k_C{S}_C}\right)}^2+{\left(\frac{{\mathrm{\ΔH}}^{\′}}{k_H{S}_H}\right)}^2+R_T\left(\frac{{\mathrm{\ΔC}}^{\′}}{k_C{S}_C}\right)\left(\frac{{\mathrm{\ΔH}}^{\′}}{k_H{S}_H}\right)}$

$S_L=1+\frac{0.015{({\stackrel{\‾}{L}}^{*}-50)}^2}{\sqrt{20+{({\stackrel{\‾}{L}}^{*}-50)}^2}},$ $S_C=1+0.045{\stackrel{\‾}{C}}^{\′},$ $S_H=1+0.015{\stackrel{\‾}{C}}^{\′}T$

R_T=-sin（2Δθ)R_C,

$R_C=2\sqrt{\frac{{\left({\stackrel{\‾}{C}}^{\′}\right)}^7}{{\left({\stackrel{\‾}{C}}^{\′}\right)}^7+{25}^7}}$

通过最后得到的色差值ΔE₀₀对空间相机的彩色复原图像进行评价，NBS是色差公式的色差单位，下表是NBS色差单位的目视感觉：

本发明的空间相机彩色图像质量评价检测系统，以标准照明体光源、标准色板、光谱辐射度计为基准，利用CIE DE2000均匀色度空间色差公式为指导，先计算准直系统出光口处的三色坐标值，再通过相机彩色合成算法得到准直系统出光口处的合成彩色图像三色坐标值，通过色差公式进行色彩准确度的评价。

此方法在彩色合成图像评价时，摒弃传统“目视法”评价彩色图像的主观性和不确定性，以色差数据对彩色合成图像进行客观、定量的评价，超越传统的束缚，以一种全新的模式指导空间彩色相机彩色图像的合成，值得被学习和借鉴。

本发明的空间相机彩色图像质量评价检测系统，不仅适用于空间彩色相机的色彩复原准确度的评价，在民用、航空等相关领域也具有很强的适用性。

现阶段，民用的彩色数码相机已经非常普及，各种类型、各个厂家的单反、卡片相机层出不穷。日本在这方面的技术尤为突出，佳能、尼康等品牌的相机充斥着全球的市场。各家厂商在相关技术上的竞争也异常激烈，由于民用相机只是用来拍摄，没有测绘、测量等要求，所以在相机像差方面的控制较测绘、测量相机要简单，但彩色图像的色彩饱和度、艳丽度则是衡量数码相机质量的重要标准。很多厂商虽然人为的调整了彩色图像合成算法中的参数，使得拍摄图像较真实图像更为艳丽，以求博得用户更高的满意度。但在空间彩色相机的应用上，却必须严格图像色彩准确度的评判标准，对图像彩色复原算法反复验证，使得复原图像与真实景物之间具有客观、真实、准确的对应性。这就对空间相机彩色图像质量评价的标准提出了很高的要求。而本发明就为以上问题提供了一个客观、合理、准确的评价标准，用数据代替主观评判，解决了空间相机彩色图像评价方面的问题。

Claims (10)

1.一种空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述空间相机彩色图像质量评价检测系统包括光源、目标单元、准直光学系统、光谱信息采集单元以及控制单元；所述目标单元、准直光学系统、光谱信息采集单元依次设置在光源的出射光路上；所述控制单元与光谱信息单元相连。

2.根据权利要求1所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述光源是能够为检测系统提供稳定光源的CIE推荐采用的标准照明体光源；所述CIE推荐采用的标准照明体光源至少包括D55、D65以及D75；所述D55的相关色温是5503K；所述D65的相关色温是6504K；所述D75的相关色温是7504K。

3.根据权利要求2所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述目标单元是标准色板。

4.根据权利要求1或2或3所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述准直光学系统是离轴反射平行光管；所述目标单元设置在离轴反射平行光管的焦平面上；所述光源通过目标单元反射至离轴反射平行光管。

5.根据权利要求4所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述离轴反射平行光管是口径是Φ100mm，焦距是1000mm离轴反射平行光管。

6.根据权利要求5所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述离轴反射平行光管包括离轴抛物面主镜以及可变光阑；所述目标单元设置在离轴抛物面主镜的焦平面上；所述光源通过目标单元反射至离轴抛物面主镜上；所述可变光阑设置在离轴反射平行光管的出光口处；所述可变光阑是消杂散光光阑。

7.根据权利要求6所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述光谱信息采集单元包括电控平移台以及光谱辐射度计；所述光谱辐射度计以及待测空间相机分别设置在电控平移台上；所述控制单元分别与光谱辐射度计以及待测空间彩色相机相连；所述控制单元分别控制光谱辐射度计或待测空间相机在电控平移台上移动至准直光学系统的出光口处。

8.根据权利要求7所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述控制单元是步进电机控制器。

9.根据权利要求8所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述空间相机彩色图像质量评价检测系统还包括与光谱信息采集单元相连的数据处理单元；所述数据处理单元是由封装有CIE DE2000色差公式的算法的计算机软件程序来实现的。

10.根据权利要求9所述的空间相机彩色图像质量评价检测系统，其特征在于：所述空间相机彩色图像质量评价检测系统还包括与数据处理单元相连的显示单元。