CN104270575B - 成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法及装置，其中，该方法包括：获取当前场景下的光谱图像；读取该光谱图像各个像元的亮度值DN值；判断所有DN值中的最大值DN_max与2^Q‑1的大小，其中，Q表示像元分辨率位数；若DN_max＜2^Q‑1，则逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q‑1，并将对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间；若DN_max＝2^Q‑1，则逐步减小曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q‑2后，再逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q‑1，并将对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间。本发明公开的方法及装置，解决了成像光谱仪无法自动曝光的弊端，保证了成像光谱仪能够得到稳定的光谱图像数据。

Description

成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法及装置

技术领域

本发明涉及成像光谱仪技术领域，尤其涉及一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法及装置。

背景技术

成像光谱仪已经在野外光谱探测、航空航天遥感等方面得到很好的应用，与照相机类似，成像光谱仪获取的光谱图像随光照环境变化，但是到目前为止，只有照相机上实现了自动曝光补偿和自动增益补偿功能，成像光谱仪都不具备此项功能。随着成像光谱仪在诸多领域的应用逐步深入，所面临的环境也越来越复杂，因此为了保证成像光谱仪能够得到稳定的光谱图像数据，需要仪器能够根据使用环境的变化，自动补偿曝光和增益，提高仪器的普适性。

由于成像光谱仪获取的数据为光谱图像数据，与传统的相机有较大的区别，因此，自动曝光补偿所采取的方法与照相机所采用的方法不同。

目前的成像光谱仪无法自动曝光，必须人工手动调节曝光时间，虽然针对光学相机的自动曝光补偿有诸多的文章和专利，但是尚未有涉及成像光谱仪自动曝光的研究。

发明内容

本发明的目的是提供一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法及装置，解决了成像光谱仪无法自动曝光的弊端，保证了成像光谱仪能够得到稳定的光谱图像数据。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法，该方法包括：

获取当前场景下的光谱图像；

读取该光谱图像各个像元的亮度值DN值；

判断所有DN值中的最大值DN_max与2^Q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位数；

若DN_max＜2^Q-1，则逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1，并将对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间；若DN_max＝2^Q-1，则逐步减小曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-2后，再逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1，并将对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间。

进一步的，所述的逐步增加曝光时间与逐步减小曝光时间包括：

逐步增加曝光时间包括：计算最大值DN_max与2^Q-1的差值：ΔDN＝|(2^Q-1)-DN_max|；若该差值ΔDN大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长；

逐步减小曝光时间包括：获取最大DN_max值DN_max＝2^Q-1的个数n，若n大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长。

一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的装置，该方法包括：

光谱图像获取模块，用于获取当前场景下的光谱图像；

DN值读取模块，用于读取该光谱图像各个像元的亮度值DN值；

判断模块，用于判断所有DN值中的最大值DN_max与2^Q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位数；

曝光时间自适应调整模块，用于当DN_max＜2^Q-1时，逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1；以及，当DN_max＝2^Q-1时，逐步减小曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-2后，再逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1；

最佳曝光时间确定模块，用于将调整曝光时间后，DN_max＝2^Q-1时对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间。

进一步的，所述的逐步增加曝光时间与逐步减小曝光时间包括：

逐步增加曝光时间包括：计算最大值DN_max与2^Q-1的差值：ΔDN＝|(2^Q-1)-DN_max|；若该差值ΔDN大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长；

逐步减小曝光时间包括：获取最大DN_max值DN_max＝2^Q-1的个数n，若n大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，通过对成像光谱仪自动曝光算法的研究，解决了成像光谱仪无法自动曝光的弊端，保证了成像光谱仪能够得到稳定的光谱图像数据，极大地提高了成像光谱仪在复杂环境中的应用灵活性；同时，该装置的设计使该方法在成像光谱仪上的应用得以实现，满足工程需要。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例一提供的一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法的流程图；

图2为本发明实施例一提供的一种探测器像面上的高光谱图像的示意图；

图3为本发明实施例一提供的高光谱图像上某一点的光谱曲线示意图；

图4为本发明实施例二提供的一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的装置的示意图；

图5为本发明实施例二提供的一种实现成像光谱仪自适应调整曝光时间的硬件系统电路示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

实施例一

图1为本发明实施例一提供的一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法的流程图。如图1所示，该方法主要包括：

获取当前场景下的光谱图像；

读取该光谱图像各个像元的DN值(亮度值)；

判断所有DN值中的最大值DN_max与2^Q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位数；

若DN_max＜2^Q-1，则逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1，并将对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间；若DN_max＝2^Q-1，则逐步减小曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-2后，再逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1，并将对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间。

进一步的，所述的逐步增加曝光时间与逐步减小曝光时间包括：

逐步增加曝光时间包括：计算最大值DN_max与2^Q-1的差值：ΔDN＝|(2^Q-1)-DN_max|；若该差值ΔDN大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长；

逐步减小曝光时间包括：获取最大DN_max值：DN_max＝2^Q-1的个数n，若n大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长。

为了便于理解本发明，下面针对上述方法做进一步的说明。

由于高光谱成像主要用于地物遥感，探测结果为地物反射太阳光谱，探测器像面上的高光谱图像如图2所示，沿光谱维取一行像元，可以得到某一点的光谱曲线，如图3所示。

在所有典型地物类型中，雪的反射率最高，为90％以上，除此之外，石灰岩的反射率最高，为50％左右，由于雪在饱和状态下很容易探测，为了保证大部分地物都有一个较好的响应，本发明实施例选择石灰岩的反射率作为地物反射率的标准来进行最佳曝光时间的判定，为了留有一定的余量，将参考反射率定位55％。

本发明实施例中，以太阳光源作为标准实验光源，55％的漫反射白板作为参照，模拟目标场景，确定在目标场景下最佳曝光时间及DN值(像元亮度值)。

设每个像元采用Q位分辨率，读取成像光谱仪CCD探测器图像各像元的DN值，如果所有DN值均未达到2^Q-1(目标值)时，表明光电子数在像元势阱中未达到饱和，那么逐步增加曝光时间(CCD探测器的积分时间)；否则，表明光电子数大于等于像元势阱容量，即光电子数在像元势阱中已经达到饱和，此时拍摄图像有可能过曝，此时逐步减小曝光时间。

示例性的，增大与减小曝光时间可采用动态方法来计算每次曝光时间的调节步长，从而进行曝光时间的调整；具体来说：

如果所有DN值均未达到2^Q-1时，则需要逐步增加曝光时间，此时可以计算最大值DN_max与2^Q-1的差值：ΔDN＝|(2^Q-1)-DN_max|；若该差值ΔDN大于阈值，则加大曝光时间的调整步长，以较快迭代速度，否则，说明此时的曝光设置已经非常接近目标值了，减小曝光时间的调整步长，以保证算法的精度；直至当某一像元的DN值第一次为2^Q-1时(即DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1)，表明光电子数在像元势阱中第一次达到饱和，对应的曝光时间为当前场景下的最佳曝光时间。

如果一开始即有像元的DN值等于2^Q-1，则表明光电子数大于等于像元势阱容量，即光电子数在像元势阱中已经达到饱和，拍摄图像有可能过曝；获取最大DN_max值：DN_max＝2^Q-1的个数n，若n大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长，直至最大的DN值第一次等于2^Q-2，然后再增加曝光时间(调整方式与前述方式类似，不再赘述)，直至最大DN值第一次等于2^Q-1，此时对应的曝光时间为当前场景过曝情况下的最佳曝光时间。

本发明实施例通过对成像光谱仪自动曝光算法的研究，解决了成像光谱仪无法自动曝光的弊端，保证了成像光谱仪能够得到稳定的光谱图像数据，极大地提高了成像光谱仪在复杂环境中的应用灵活性。

实施例二

图4为本发明实施例二提供的一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的装置的示意图。如图4所示，该装置主要包括：

光谱图像获取模块41，用于获取当前场景下的光谱图像；

DN值读取模块42，用于读取该光谱图像各个像元的亮度值DN值；

判断模块43，用于判断所有DN值中的最大值DN_max与2^Q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位数；

曝光时间自适应调整模块44，用于当DN_max＜2^Q-1时，逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1；以及，当DN_max＝2^Q-1时，逐步减小曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-2后，再逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1；

最佳曝光时间确定模块45，用于将调整曝光时间后，DN_max＝2^Q-1时对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间。

进一步的，所述的逐步增加曝光时间与逐步减小曝光时间包括：

逐步增加曝光时间包括：计算最大值DN_max与2^Q-1的差值：ΔDN＝|(2^Q-1)-DN_max|；若该差值ΔDN大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长；

逐步减小曝光时间包括：获取最大DN_max值DN_max＝2^Q-1的个数n，若n大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长。

另一方面，本发明实施例所提供的成像光谱仪自适应调整曝光时间的装置可集成在FPGA(现场可编程门阵列)中，如图5所示，该FPGA中集成了本发明所提供的成像光谱仪自适应调整曝光时间的装置，再与探测器时序驱动电路、CCD(电荷耦合元件)探测器、模拟前端、逻辑控制电路以及SDRAM(同步动态随机存储器)相结合来实现曝光时间的自适应调整。

需要说明的是，上述装置中包含的各个功能模块所实现的功能的具体实现方式在前面的各个实施例中已经有详细描述，故在这里不再赘述。

所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将装置的内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例可以通过软件实现，也可以借助软件加必要的通用硬件平台的方式来实现。基于这样的理解，上述实施例的技术方案可以以软件产品的形式体现出来，该软件产品可以存储在一个非易失性存储介质(可以是CD-ROM，U盘，移动硬盘等)中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述的方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的方法，其特征在于，该方法包括：

获取当前场景下的光谱图像；

读取该光谱图像各个像元的亮度值DN值；

判断所有DN值中的最大值DN_max与2^Q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位数；

若DN_max＜2^Q-1，则逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1，并将对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间；若DN_max＝2^Q-1，则逐步减小曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-2后，再逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1，并将对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的逐步增加曝光时间与逐步减小曝光时间包括：

逐步增加曝光时间包括：计算最大值DN_max与2^Q-1的差值：ΔDN＝|(2^Q-1)-DN_max|；若该差值ΔDN大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长；

逐步减小曝光时间包括：获取最大DN_max值DN_max＝2^Q-1的个数n，若n大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长。

3.一种成像光谱仪自适应调整曝光时间的装置，其特征在于，该装置包括：

光谱图像获取模块，用于获取当前场景下的光谱图像；

DN值读取模块，用于读取该光谱图像各个像元的亮度值DN值；

判断模块，用于判断所有DN值中的最大值DN_max与2^Q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位数；

曝光时间自适应调整模块，用于当DN_max＜2^Q-1时，逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1；以及，当DN_max＝2^Q-1时，逐步减小曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-2后，再逐步增加曝光时间，直至DN_max值第一次达到DN_max＝2^Q-1；

最佳曝光时间确定模块，用于将调整曝光时间后，DN_max＝2^Q-1时对应的曝光时间作为当前场景下的最佳曝光时间。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述的逐步增加曝光时间与逐步减小曝光时间包括：

逐步增加曝光时间包括：计算最大值DN_max与2^Q-1的差值：ΔDN＝|(2^Q-1)-DN_max|；若该差值ΔDN大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长；

逐步减小曝光时间包括：获取最大DN_max值DN_max＝2^Q-1的个数n，若n大于阈值，则加大曝光时间的调整步长；否则，减小曝光时间的调整步长。