CN103201602A - 具有至少两个独立数字照相机的数字多光谱照相机系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)的数字照相机系统(2)，至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)在不同的窄带光谱区域中捕捉图像信号，其中至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)各包括至少一个单独的二维数字图像传感器(6)(优选地为CCD传感器或CMOS传感器)和与特定窄带光谱范围相对应的至少一个滤色器元件(7.1-7.4)，至少一个滤色器元件(7.1-7.4)连接在至少一个二维数字图像传感器(6)的上游并且具有至少一个滤波器区域(7a.1-7a.4)。至少一个滤色器元件(7.1-7.4)附加地包括至少一个中性色区域(7b)，其在至少包括至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)的不同窄带光谱范围的光谱范围中是透光的，更具体地在全色光谱区域中是透光的，并且其被指派给相关的至少一个二维数字图像传感器(6)的特定的中性色的(尤其是未使用的)像素区域(6b)。

Description

具有至少两个独立数字照相机的数字多光谱照相机系统
技术领域
本发明涉及根据权利要求1的前序部分所详细限定的类型的具有至少两个独立数字照相机的数字照相机系统。本发明同样涉及滤色器元件以及用于确定数字照相机系统的至少两个独立数字照相机之间曝光时间的偏差和/或记录光量的偏差的方法，以及涉及用于恢复数字照相机系统色平衡的方法。此外，本发明还涉及照相机系统的图像处理单元。
背景技术
DE 10 2005 045 036 A1详细描述了一种多光谱照相机以及采用多光谱照相机生成图像信息的方法。
在具有多个独立照相机或摄像头的数字照相机系统中，数字照相机系统具有用于限定要记录的光量或曝光时间的多个快门和相应的数字传感器，对于单个照相机而言，由于在快门和传感器动作中的依赖于生产的散射，彼此之间可能存在偏差。
在多光谱照相机中，其中单个的或单独的或独立的摄像头每个记录相同场景的图像在不同的光谱或波长区域的光，通过对应的上游滤色器元件分光，更具体的是由于所有摄像头同时或同步地进行图像记录，图像信号随后被组合以形成多光谱图像，在图像记录期间对于所有独立摄像头而言在可能的情况下应该产生相同的光量或曝光时间。正是因为这个原因，由各个摄像头的曝光时间略微不同而导致的前述的偏差或公差，将不利地引起多光谱图像中的褪色(color cast)。
通常的做法是使用位置传感器或类似物对各个摄像头的实际曝光时间进行近似测量，并且已经使用其来近似计算所需的色平衡。然而，已经证明因为各个照相机中颜色通道或滤色器不同而导致的光量或图像信息不同，所以不可能进行更精确的估算。
发明内容
本发明是基于在所记录的图像的色平衡方面进一步改进在开头部分提到的类型的数字照相机系统的目的的。
根据本发明，该目的通过权利要求1中描述的特征来实现。
本发明提出了具有至少两个独立数字照相机的数字照相机系统，所述至少两个独立数字照相机在不同的窄带光谱区域捕捉图像信号，其中，至少两个独立数字照相机各具有至少一个单独的片状数字图像传感器和具有至少一个滤波器区域的至少一个滤色器元件，所述片状数字图像传感器优选为CCD传感器或CMOS传感器，所述至少一个滤色器元件设置在至少一个片状数字图像传感器的沿入射光方向的前方或设置在片状数字图像传感器的上游，并且与各个窄带光谱区域相对应，并且其中所述至少一个滤色器元件附加地具有至少一个中性灰区域或灰密度区域，该中性灰区域或灰密度区域在至少包括至少两个独立数字照相机的不同窄带光谱区域的光谱区域(更具体地说，在全色光谱区域中)是透光的，并且该中性灰区域或灰密度区域与相关的至少一个片状数字图像传感器的特定的中性灰的(具体地未使用的)像素区域相关联。
滤色器元件的中性灰区域有利地允许所需整个波长光谱的光无变化地透过，或者在所需整个波长光谱中具有例如至少95％的非常高的透光率。因此，由于在所有独立照相机中，中性灰区域或灰密度区域的滤波特性基本上设置为相同，所以独立数字照相机通过该中性灰区域获得相同类型的光和光量。由于滤色器元件的中性灰区域现在与相关的至少一个片状数字图像传感器的特定的中性的(具体地未使用的)像素区域相关联，或者设置在后者上，所以在不同的独立数字照相机中产生了用于图像信息的完全一样的光量。如果在所有独立数字照相机同步记录图像期间，在中性灰或未使用的像素区域中发生偏差，则这些偏差不是由于颜色通道不同而造成的，而是由于快门次数或其它公差(具体而言是机械公差)不同而造成的。据此，在图像处理期间可以执行合适的平衡计算，其中，过强的颜色分量因此衰减或被标准化等。
非常有利的是如果片状数字图像传感器具有在任何情况下都不被应用所使用的并且可以用作中性灰区域的像素区域。这里中性灰像素区域应当足够大(例如2000个像素等)，因为在滤色器元件的不同区域之间(不同类型的玻璃之间)还应当提供具有合适尺寸的过渡区域。
至少两个独立数字照相机可以各具有单独的快门和/或单独的物镜。由于至少两个独立数字照相机之间的曝光时间的偏差和/或记录光量的偏差相对较大，所以根据本发明的措施在这种构造中是非常有利的。
至少两个独立数字照相机可以相对于彼此被设置为使得可以在至少两个独立数字照相机的不同窄带光谱区域中记录至少近似相同的场景，并且可以由不同颜色通道或窄带光谱区域的图像信号组合成场景或捕捉到的图像信号的多光谱图像。
至少两个独立数字照相机除了与不同的感色度或窄带光谱区域相对应的各自的滤色器元件以外，可以具有基本上相同的记录特性和/或具有基本上相同的设计，其中，其片状数字图像传感器，当前可选择的其单独的快门和/或其物镜具有基本上相同的设计。
如果至少一个滤色器元件具有在滤波器区域的相对两侧的两个带状中性灰区域则是有利的。使用多个不同的中性灰滤波器区域允许改进或更精确地平衡光学偏差。
数字照相机系统可以被实现为具有四个独立数字照相机的多光谱照相机系统，该数字照相机系统包括：
-具有第一滤色器元件的第一独立数字照相机，其在波长从大约600nm至大约700nm或红光的光谱区域中是透光的，
-具有第二滤色器元件的第二独立数字照相机，其在波长从大约500nm至大约600nm或绿光的光谱区域中是透光的，
-具有第三滤色器元件的第三独立数字照相机，其在波长从大约400nm至大约500nm或蓝光的光谱区域中是透光的，
-具有第四滤色器元件的第四独立数字照相机，其在波长从大约700nm至大约900nm或近红外光的光谱区域中是透光的。
第一滤色器元件、第二滤色器元件、第三滤色器元件和第四滤色器元件可以分别具有中性灰区域，其在从大约400nm至大约900nm的光谱区域中是透光的。由此，滤色器元件的整个光谱区域被滤色器元件的中性灰区域覆盖。
所述数字照相机系统可以用作从航空器记录航空图像的摄影测量的多光谱数字照相机系统。
权利要求9描述了用于至少一个片状数字图像传感器的滤色器元件。
权利要求10描述了用于确定曝光时间偏差和/或记录光量偏差的方法，所述曝光时间偏差和/或记录光量偏差是数字照相机系统的至少两个独立数字照相机之间的曝光时间偏差和/或记录光量偏差，更具体地是在至少两个独立照相机进行同步图像记录期间在所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)之间的曝光时间偏差和/或记录光量偏差，优选地对相同场景进行同步图像记录期间在所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)之间的曝光时间偏差和/或记录光量偏差，其中，在进行了同步图像记录发生之后，将至少两个独立数字照相机的片状数字图像传感器的各自的中性灰像素区域中记录的光量相互比较。
权利要求11描述了用于数字照相机系统的色平衡设置方法，其中，确定数字照相机系统的至少两个独立数字照相机之间的曝光时间的偏差和/或记录光量的偏差，因此，在处理由至少两个独立数字照相机系统在各自不同的窄带光谱区域或颜色通道中同步记录的相同场景的图像时，以如下方式进行均衡计算使得根据以前所确定的偏差对各个窄带光谱区域保留不变、进行衰减或进行放大。
此外，权利要求12描述了一种数字照相机系统的图像处理单元。
本发明有利的实施方式和改进将通过从属权利要求来表现。在下文中，基于附图描述了本发明的示例性实施方式的原理。
附图说明
具体地：
图1示出具有四个独立的数字照相机的、根据本发明的多光谱照相机系统的示意图；
图2示出图1中的根据本发明的多光谱数字照相机系统中的一个独立数字照相机的示意图；
图3示出滤色器元件的示意图；以及
图4示出根据本发明的多光谱数字照相机系统中的四个滤色器元件的布局的示意图。
具体实施方式
在下文中，根据本发明的数字(具体地的说多光谱)照相机系统将用作从航空器(未示出)记录航空图像的摄影测量航空图像记录仪。在进一步的示例性实施方式中(未例示)，根据本发明的数字照相机系统还可以例如用在显微镜等中。
图1示出了具有根据本发明的多光谱数字照相机系统2的摄影测量航空图像记录仪1，多光谱数字照相机系统2具有四个独立数字照相机3.1到3.4，四个独立数字照相机3.1到3.4在不同的窄带光谱区域中捕捉图像信号并将图像信号传输到图像处理单元4。图像处理单元4随后将信号传输到图像存储单元5。根据本发明的数字照相机系统2可以附加地具有高分辨率全色独立数字照相机3.5(用虚线表示)，而独立数字照相机3.1到3.4具有低分辨率配置。
在图1中以非常简单的形式例示了根据本发明的数字照相机系统2中的独立数字照相机3.1到3.5的布局，该布局与独立数字照相机3.1到3.5的实际布局有很大的区别。
四个独立数字照相机3.1到3.4相互设置为使得能够在不同的窄带光谱区域记录至少近似相同的场景，并且特别是在图像处理单元4中能够将由不同窄带光谱区域的图像信号组合成该场景的多光谱图像。在组合期间，可选地是还可以使用独立数字全色照相机3.5。
图2例示了根据本发明的数字照相机系统2的各个独立数字照相机3.1到3.4。这里，独立数字照相机3.1到3.4分别具有以CCD传感器实现的单独的片状数字图像传感器6以及设置在片状数字图像传感器6上游的、具有针对各自的窄带光谱区域的滤波器区域7a.1到7a.4(另外参见图3和图4)的滤色器元件7.1到7.4。在进一步的示例性实施方式中，数字图像传感器6还可以实现为针对各自的窄带光谱区域的CMOS传感器。
滤色器元件7.1到7.4具有在光谱区域ND中透光、更具体的说在全色光谱区域中透光的两个中性灰区域7b，其中该光谱区域ND至少包括四个独立数字照相机3.1到3.4的不同窄带光谱区域。该中性灰区域7b或滤色器元件7.1到7.4的灰密度区域与相关的片状数字图像传感器6的两个特定的中性灰的(尤其是未使用的)像素区域6b相关联。用于记录多光谱图像的场景的图像信号的片状数字图像传感器6的区域提供有附图标记6a。
独立数字照相机3.1到3.4具有单独的快门8a和单独的物镜8b，即，单独的光学单元。在图2中以简化方式例示了要记录的场景9。可以从图2中进一步识别出，数字图像传感器6记录场景9。在该过程中，所使用的像素区域6a被透过滤色器元件7.1到7.4的滤波器区域7a.1到7a.4的光10a曝光。滤波器区域7a.1到7a.4被构造为使得仅仅相应波长的光透过。数字片状图像传感器6的未使用的像素区域6b被透过滤色器元件7的与未使用的像素区域6b相关联的中性灰区域7b的光10b曝光。
除了与不同的窄带光谱区域相对应的各自的滤色器元件7.1到7.4之外，四个独立的数字照相机3.1到3.4具有基本上相同的记录特性和/或具有基本相同的设计，其中片状数字图像传感器6、单独的快门8a和物镜8b基本上具有相同的设计。
图3例示了具有在波长从大约600nm至大约700nm的红色窄带光谱区域R中透光的滤波器区域7a.1的滤色器元件7.1。图3是滤色器元件7.1的平面图，图2示出这样的滤色器元件7.1的侧视图。滤色器元件7.1具有在滤波器区域7a.1的相对两侧的两个带状中性灰区域7b。滤色器元件7.1还可以被称为带式滤波器。
用于片状数字图像传感器6的滤色器元件7.1具有用于使第一光谱区域R的光透过的滤波器区域7a.1和用于第二光谱区域ND的中性灰区域7b，其中中性灰区域7b的第二光谱区域ND比滤波器区域7a.1的第一窄带光谱区域R宽，并且包括后者。
图4示出根据本发明的具有相应的彼此相邻设置的独立数字照相机3.1到3.4的数字照相机系统2的正视图，图4中仅示出了各自的滤色器元件7.1到7.4。相关的片状数字图像传感器6设置在滤色器元件7.1到7.4的下面。照相机3.1到3.4的单独的快门8a和物镜8b同样未在图4中示出。第一独立数字照相机3.1设置有基本上仅在波长大约600nm至大约700nm的光谱区域R中透光的第一滤色器元件7.1。第二独立数字照相机3.2设置有基本上仅在波长大约500nm至大约600nm的绿光光谱区域G中透光的第二滤色器元件7.2。第三独立数字照相机3.3设置有基本上仅在波长大约400nm至大约500nm的蓝光光谱区域B中透光的第三滤色器元件7.3。第四独立数字照相机3.4设置有基本上仅在波长大约700nm至大约900nm的近红外光光谱区域NIR中透光的第四滤色器元件7.4。第一滤色器元件7.1、第二滤色器元件7.2、第三滤色器元件7.3和第四滤色器元件7.4各自具有在大约400nm至900nm的光谱区域ND中透光的中性灰区域7b。此外，滤色器元件7.1到7.4具有针对各个光谱区域R、G、B、NIR的相应的滤波器区域7a.1到7a.4。上述光谱区域R、G、B、NIR仅是示意性的。在进一步的示例性实施方式中(未示出)，把期望具有相应其它光谱区域的其它应用考虑在内。
数字照相机系统2的图像处理单元4被构造为执行用于确定数字照相机系统2的独立数字照相机3.1到3.4之间的曝光时间的偏差和/或记录光量的偏差的方法，其中，特别是在通过独立数字照相机3.1到3.4优选地对相同的场景9进行同步图像记录的情况下执行该方法，在同步图像记录发生之后，将独立数字照相机3.1到3.4的片状数字图像传感器6的各个中性灰像素区域6b中的记录光量相互比较。
此外，数字照相机系统2的图像处理单元4构造为执行用于数字照相机系统2的色平衡设置方法，其中通过上述方法确定数字照相机系统2的四个独立数字照相机3.1到3.4之间曝光时间的偏差和/或记录光量的偏差，因此，在处理由四个独立数字照相机3.1到3.4在各自不同的窄带光谱区域R、G、B、NIR中同步记录的相同场景9的图像时，按照以下方式进行均衡计算，即根据前述确定的偏差，将各自的窄带光谱区域R、G、B、NIR的图像信号分别保留不变、进行衰减或进行放大，从而将颜色通道R、G、B、NIR相应地归一化。

Claims (12)

1.一种具有至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)的数字照相机系统(2)，所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)在不同的窄带光谱区域中捕捉图像信号，其中，所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)各具有至少一个单独的片状数字图像传感器(6)和具有至少一个滤波器区域(7a.1-7a.4)的至少一个滤色器元件(7.1-7.4)，所述片状数字图像传感器(6)优选为CCD传感器或CMOS传感器，所述至少一个滤色器元件设置在所述至少一个片状数字图像传感器(6)的上游并且与各个窄带光谱区域相对应，
其特征在于
所述至少一个滤色器元件(7.1-7.4)附加地具有至少一个中性色区域(7b)，所述中性色区域(7b)在至少包括所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)的不同的窄带光谱区域的光谱区域(ND)中是透光的，更具体地在全色光谱区域中是透光的，并且所述中性色区域(7b)与相关的至少一个片状数字图像传感器(6)的至少一个特定的中性色的、更具体地是未使用的像素区域(6b)相关联。
2.根据权利要求1所述的数字照相机系统，其特征在于所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)各具有单独的快门(8a)和/或单独的物镜(8b)。
3.根据权利要求1或2所述的数字照相机系统，其特征在于所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)相对于彼此设置为使得能在所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)的不同的窄带光谱区域(R、G、B、NIR)中记录至少近似相同的场景(9)，并且能够将由所述不同的窄带光谱区域(R、G、B、NIR)的图像信号组合出所述场景(9)的多光谱图像。
4.根据权利要求1、2或3所述的数字照相机系统，其特征在于所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)除了与所述不同的窄带光谱区域(R、G、B、NIR)相对应的各自的滤色器元件(7.1-7.4)以外，具有基本上相同的记录特性，和/或具有基本上相同的设计，其中，所述片状数字图像传感器(6)，当前可选择的所述单独的快门(8a)和/或所述物镜(8b)具有基本上相同的设计。
5.根据权利要求1至4中的任一项所述的数字照相机系统，其特征在于所述至少一个滤色器元件(7.1-7.4)具有在所述滤波器区域(7a.1-7a.4)的相对两侧的两个带状中性色区域(7b)。
6.根据权利要求1至5中的任一项所述的数字照相机系统，其特征在于：
-具有第一滤色器元件(7.1)的第一独立数字照相机(3.1)，所述第一滤色器元件(7.1)在波长从大约600nm至大约700nm的光谱区域(R)中是透光的，
-具有第二滤色器元件(7.2)的第二独立数字照相机(3.2)，所述第二滤色器元件(7.2)在波长从大约500nm至大约600nm的光谱区域(G)中是透光的，
-具有第三滤色器元件(7.3)的第三独立数字照相机(3.3)，所述第三滤色器元件(7.3)在波长从大约400nm至大约500nm的光谱区域(B)中是透光的，
-具有第四滤色器元件(7.4)的第四独立数字照相机(3.4)，所述第四滤色器元件(7.4)在波长从大约700nm至大约900nm的光谱区域(NIR)中是透光的。
7.根据权利要求6所述的数字照相机系统，其特征在于所述第一滤色器元件(7.1)、第二滤色器元件(7.2)、第三滤色器元件(7.3)和第四滤色器元件(7.4)各自具有中性色区域(7b)，所述中性色区域(7b)在从大约400nm至大约900nm的光谱区域(ND)中是透光的。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的数字照相机系统用于从航空器中记录航空图像的摄影测量。
9.一种用于至少一个片状数字图像传感器(6)的滤色器元件(7.1-7.4)，所述滤色器元件(7.1-7.4)具有用于要透光的第一窄带光谱区域(R、G、B、NIR)的至少一个滤波器区域(7a.1-7a.4)和用于第二光谱区域(ND)的至少一个中性色区域(7b)，其中，所述中性色区域(7b)的所述第二光谱区域(ND)比所述第一窄带光谱区域(R、G、B、NIR)宽并且包括后者。
10.一种用于确定曝光时间偏差和/或记录光量偏差的方法，所述曝光时间偏差和/或记录光量偏差是根据权利要求1至8中任一项所述的数字照相机系统(2)的至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)之间的曝光时间偏差和/或记录光量偏差，更具体地在所述至少两个独立照相机(3.1-3.4)进行同步图像记录期间在所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)之间的曝光时间偏差和/或记录光量偏差，优选地是对相同场景(9)进行同步图像记录期间在所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)之间的曝光时间偏差和/或记录光量偏差，其中，在进行了同步图像记录之后，将所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)的片状数字图像传感器(6)的各个中性灰像素区域(6b)中记录的光量相互比较。
11.一种用于根据权利要求1至8中任一项所述的数字照相机系统(2)的色平衡设置方法，其中，通过根据权利要求8所述的方法来确定所述数字照相机系统(2)的至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)之间的曝光时间的偏差和/或记录光量的偏差，因此，在处理由所述至少两个独立数字照相机(3.1-3.4)在各自不同的窄带光谱区域(R、G、B、NIR)中同步记录的相同场景(9)的图像同时，以下述方式式进行均衡计算：根据以前所确定的偏差对各个窄带光谱区域(R、G、B、NIR)的图像信号分别保留不变、进行衰减或进行放大。
12.一种根据权利要求1至8中任一项所述的数字照相机系统(2)的图像处理单元(5)，该图像处理单元(5)用于执行根据权利要求10或11所述的方法。
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