CN106840387A - 一种增益差别较大的成像系统的目标提取及平场改正方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例涉及一种增益差别较大的成像系统的目标提取及平场改正方法，针对增益差别较大的成像系统在原始观测图像中分辨不出观测目标的现状，设计一种目标提取和平场改正方法。该方法包括：建立准均匀面光源系统，并拍摄光源图像；获得多帧观测目标在探测器不同位置的图像；利用准均匀面光源，扣除每帧观测图像的不均匀背景，提取观测目标的特征信息；在获得观测目标特征基础上对序列在探测器不同位置的图像进行配准；利用观测目标在探测器不同位置强度之比等于不同位置增益之比的基本原理迭代平场；利用迭代的平场图像，对观测目标图像进行平场改正，完成对观测目标的精确光度标定。
Description
技术领域
本发明涉及遥感成像领域，包括对地或天文目标的遥感成像，尤其涉及一种增益差别较大的成像系统的目标提取及平场改正方法。
背景技术
在遥感观测领域，如空间对地观测或空间、地基的天文观测，都使用望远镜对软X射线、紫外、可见光、红外等波长进行观测，观测图像最终记录在探测器上。通常地，探测器可使用电荷耦合器件(Charge-Coupled Device，CCD)或互补金属氧化物半导体器件(Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS)相机。在可见光波段，CCD或CMOS相机对不同像元的增益差别一般不大，当望远镜系统基本没有渐晕时，一般可以轻而易举的观测到目标。
但实际观测中，有的观测设备不可避免地存在渐晕，如外掩式的日冕仪。有的波长限于探测器的制造工艺，不同像元增益差别较大，例如红外波段。此外，传统的天文观测许多使用光纤光谱仪来同时得到观测目标的空间和光谱信息，每根光纤的透过率不同，导致某个波长处的成像强度受不同根光纤的透过率影响。上述限制最终导致探测器获得的观测目标存在较大的仪器效应，当观测目标的亮度差小于仪器增益差时，很难分辨出观测目标的细节。
通过数据标定可以校正上述仪器效应，从低质量的观测图像中精确的提取出观测目标的真实信息。通常渐晕效应可以通过光学设计计算得到，也可以通过观测均匀面光源实测到。平场不仅可以描述渐晕，也可以描述高频的不均匀性，如探测器不同像元的差异、近焦面处光学元件的透过率不均匀性，脏点，光纤光谱仪每根光纤的透过率差异等。平场测量一般选择均匀面光源，如探测器的平场可以在实验室通过积分球测量出来，望远镜系统的平场夜天文中多采用圆顶平场或晨昏蒙影平场。圆顶平场需要在观测圆顶内建造一个幕布，一个光源，光源打到幕布上散射出均匀的面光源，天光平场在日出或日落前后背对太阳的方向选择一块无云、尽可能均匀的天区，将该天区视做面光源。小视场太阳观测中可以通过随机抖动望远镜，获得均匀面光源；大视场的太阳观测可以通过高斯扩散片或乳白玻璃在观测视场内扩散出较为均匀的面光源。还有一种方法移动太阳像使得太阳像在面阵成像器件内位置变化，采集多帧图像，计算不同帧之间的位移量，采用最小二乘拟合方法拟合出平场，该方法可以适用于非均匀的面光源。
上述方法实际使用时都存在一些限制，如天空平场可以用于可见光，在红外波段，太阳辐射比可见光弱得多，红外对温度也十分敏感，沿天空方向大气的温度不均匀性会影响天空光源的均匀性，从而影响天空平场的测量精度。同理，在中红外波段，圆顶平场的均匀性也很难保证，因周围的物体都是发射源。在真空紫外波段，散射材料不容易选择，所以采用扩散片的方法难以应用。对于增益差别较大的成像系统，因增益差别较大，观测时原始图像中几乎看不到观测目标，移动太阳像的方法需要知道精确的移动量，因分辨不出观测目标导致不同帧图像之间的位移无法计算，该方法也无法应用。可见，对于增益差别较大的成像系统，亟需一种有效的方法在原始观测图像中提取出观测目标，也亟需一种精确的平场定标方法实现对观测目标精确的光度标定。
发明内容
本发明实施例提供一种增益差别较大的成像系统的目标提取及平场改正方法，可以在原始观测图像中提取观测目标图像，并在此基础上进行平场改正，以实现对观测目标精确的光度标定。
为了实现上述目的，本发明提供了一种基于扣除非均匀面光源背景实现目标特征提取，并在此基础上计算平场，从而实现增益差别较大的成像系统的精确定标。
第一方面，本发明实施例提供了一种增益差别较大的成像系统的目标提取方法，该方法包括：建立准均匀面光源，将成像系统对准所述准均匀面光源，拍摄第一图像，其中，所述成像系统包括探测器；将所述成像系统对准观测目标，拍摄多帧所述观测目标在所述探测器不同位置的第二图像，计算每帧第二图像的平均亮度；分别调整所述第一图像的亮度，以调整所述准均匀面光源的亮度，使得调整后的准均匀面光源与所述每帧第二图像的平均亮度一致，得到每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像；将所述每帧第二图像的亮度减去所述每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像的亮度，得到去除背景的每帧第二图像，完成对所述观测目标的特征提取。
在一个可能的实施例中，所述准均匀的面光源包括：人造光源或自然光源，其中，所述人造光源包括经漫反射板、扩散片后反射或透射的均匀性一般的光源或经积分球后的光源；所述自然光源包括：天空背景、太阳以及夜晚月亮中的任一种。
在一个可能的实施例中，所述将所述每帧第二图像的亮度减去所述每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像的亮度，得到去除背景的每帧第二图像，完成对所述观测目标的特征提取，包括：SSi(x)＝Si(x)-SM(x)＝g(x)×O(x)-g(x)×m；其中，SSi(x)表示第i帧去除背景的第二图像第x个像元处的亮度值；Si(x)表示第i帧第二图像中在第x个像元处探测器接收的观测目标的亮度值；SM(x)表示第i帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像中在第x个像元处探测器接收的准均匀面光源的亮度值，所述准均匀面光源的亮度已调整到和所述第i帧第二图像的平均亮度一致；g(x)表示第二图像中第x个像元处的增益；O(x)表示第i帧第二图像中对应的第x个像元处对应的观测目标的亮度值；m表示调整后的准均匀面光源的亮度值。
在一个可能的实施例中，该方法还包括：在对所述第一图像和所述多帧第二图像进行处理之前，对所述第一图像和所述多帧第二图像进行扣除暗场和剔除坏点的预处理。
第二方面，本发明实施例提供了增益差别较大的精确光度定标装置，该装置包括：准均匀面光源单元，用于建立准均匀面光源；成像单元，用于对准所述准均匀面光源，拍摄第一图像，其中，所述成像单元包括探测器；所述成像单元，还用于对准观测目标，拍摄多帧所述观测目标在所述探测器不同位置的第二图像；处理单元，用于计算每帧第二图像的平均亮度；分别调整所述第一图像的亮度，以调整所述准均匀面光源的亮度，使得调整后的准均匀面光源与所述每帧第二图像的平均亮度一致，得到每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像；将所述每帧第二图像的亮度减去所述每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像的亮度，得到去除背景的每帧第二图像，完成对所述观测目标的特征提取；根据提取的所述观测目标的特征对去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到多帧第二图像相对观测目标移动的位移；根据所述多帧第二图像相对观测目标移动的位移和多帧第二图像中观测目标的亮度，迭代运算出所述成像单元的平场，其中，所述平场用于指示所述成像单元在不同像元处的增益；根据所述成像单元的平场，对所述多帧第二图像进行平场改正，得到精确光度标定的多帧观测目标图像；显示单元，用于显示所述精确光度标定后的多帧观测目标图像。
在一个可能的实施例中，所述准均匀面光源单元，具体通过人造光源或自然光源得到，其中，所述人造光源包括经漫反射板、扩散片后反射或透射的均匀性一般的光源或经积分球后的光源；所述自然光源包括：天空背景、太阳以及夜晚月亮中的任一种。
在一个可能的实施例中，所述处理单元具体通过以下公式得到去除背景的每帧第二图像，完成对所述观测目标的特征提取，包括：
SSi(x)＝Si(x)-SM(x)＝g(x)×O(x)-g(x)×m
其中，SSi(x)表示第i帧去除背景的第二图像第x个像元处的亮度值；Si(x)表示第i帧第二图像中在第x个像元处探测器接收的观测目标的亮度值；SM(x)表示第i帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像中在第x个像元处探测器接收的准均匀面光源的亮度值，所述准均匀面光源的亮度已调整到和所述第i帧第二图像的平均亮度一致；g(x)表示第二图像中第x个像元处的增益；O(x)表示第i帧第二图像中对应的第x个像元处对应的观测目标的亮度值；m表示调整后的准均匀面光源的亮度值。
在一个可能的实施例中，对去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到所述观测目标相对多帧第二图像之间的位移，包括：通过互相关或绝对差分算法中的任一种算法对所述去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到所述观测目标相对多帧第二图像之间的位移。
在一个可能的实施例中，所述根据所述多帧第二图像相对观测目标移动的位移和多帧第二图像中观测目标的亮度，迭代运算出所述成像系统的平场，包括：
其中，O(x+ai)＝O(x+aj)，O(x+ai)表示第i帧目标图像中对应的第x+ai个像元处对应的观测目标的亮度值；O(x+aj)表示第j帧目标图像中对应的第x+aj个像元处对应的观测目标的亮度值；χ表示最小二乘函数；ai表示第i帧目标图像相对观测目标移动的位移；aj表示第j帧目标图像相对观测目标移动的位移。
基于上述技术方案，本发明实施例提供的增益差别较大的成像系统的目标提取及平场改正方法，针对增益差别较大的成像系统无法直接看到观测目标的现状，可以在增益差别较大的成像系统得到的看不清目标的图像中提取目标，并在此基础上进行平场改正，以实现对观测目标精确的光度标定。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种用于增益差别较大的成像系统的目标提取方法流程示意图；
图2A为本发明实施例提供的一种增益差别较大的成像系统对目标成像的原始图像示意图；
图2B为本发明实施例提供的一种增益差别较大的成像系统对目标成像的减去背景图像后的可分辨目标的图像示意图；
图2C为本发明实施例提供的一种增益差别较大的成像系统对准均匀面光源背景成像的图像示意图；
图3A为本发明实施例提供的一种增益差别较大的成像系统对目标成像的原始图像示意图；
图3B为本发明实施例提供的一种增益差别较大的成像系统对目标图像进行平场改正后的高精度的目标图像示意图；
图3C为本发明实施例提供的一种增益差别较大的成像系统对目标图像的迭代平场图像示意图；
图4为本发明实施例提供的增益差别较大的定标装置架构图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。
为便于对本发明实施例的理解，下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
图1为本发明实施例提供的一种用于增益差别较大的成像系统的目标提取方法流程示意图。如图1所示，包括步骤S101至步骤S107：
步骤S101，建立准均匀面光源，将成像系统对准所述准均匀面光源，拍摄第一图像，其中，所述成像系统包括探测器。
建立准均匀面光源系统，将增益差别较大的成像系统对准准均匀面光源M，拍摄图像SM。其中，本发明实施例提到的准均匀面光源指的是近似均匀面光源，图像SM可设为第一图像。
需要说明的是，在可见光波段，均匀的面光源很容易获得，可以直接进行平场改正。具体根据均匀面光源进行平场改正的方法，可参照现有技术，在此不做赘述。但在红外波段，因其对温度敏感，背景杂散光导致天空背景也不再是均匀面光源，只能看作准均匀面光源。其中，准均匀的面光源包括：人造光源或自然光源，其中，人造光源包括经漫反射板、扩散片后反射或透射的均匀性一般的光源或经积分球后的光源；自然光源包括：天空背景、太阳以及夜晚月亮中的任一种。红外波段还可以选用金材料的漫反射板，也可以选用镀金的积分球。因要求准均匀面光源，所以光源系统不需要制冷，消杂散光系统要求也不严格。准均匀面光源系统也可选择太阳或夜晚月球。
具体地，将增益差别较大的成像系统对准准均匀面光源M，拍摄多帧图像，扣除暗场求平均后得到近似均匀的面光源图像SM，计算平均亮度LM。
步骤S102，将所述成像系统对准观测目标，拍摄多帧所述观测目标在所述探测器不同位置的第二图像，计算每帧第二图像的平均亮度。
将增益差别较大的成像系统对准观测目标，拍摄多帧观测目标在探测器不同位置的图像Si。扣除暗场后计算每帧图像的平均亮度LSi，此时观测图像Si中因不同像元增益差别较大看不出观测目标的特征。其中，i代表采集的第i帧图像。
具体地，成像系统探测器接收到的图像Si和观测目标的关系为：Si(x)＝g(x)×O(x)。
其中，O(x)代表在第x个像元处对应的观测目标的亮度值。Si(x)代表第i帧第二图像中在第x个像元处探测器接收的观测目标的亮度值，g(x)代表在第x个像元处的系统增益。
在一个可能的实施例中，在第i帧图像中的两个观测目标：O(x1)和O(x2)。在探测器x1和x2像元处最终接收信号S可以表示为：Si(x1)＝g(x1)×O(x1)，Si(x2)＝g(x2)×O(x2)。
其中，g(x1)和g(x2)分别为光学系统在x1和x2像元处的增益。
探测器接收到的Si(x1)和Si(x2)的对比度为：ΔS＝Si(x1)-Si(x2)＝g(x1)×O(x1)-g(x2)×O(x2)
在一个可能的示例中，如果g(x1)＝g(x2)，ΔS＝O(x1)-O(x2)，此时观测图像中的ΔS为真实观测目标O(x1)和O(x2)的亮度差异。如果g(x1)不等于g(x2)，观测图像中的ΔS不能反映出真实的O(x1)和O(x2)的亮度差异，g(x1)和g(x2)的差异越大，观测图像中ΔS偏离真实的O(x1)和O(x2)的亮度越大，设想一个极端情况，O(x1)/O(x2)＝g(x2)/g(x1)，此时观测目标O(x1)不等于O(x2)，但观测图像中ΔS＝0，此时观测的O(x1)和O(x2)亮度完全相同，即分辨不出O(x1)和O(x2)来。这就是为什么对于增益差别较大的成像系统，原始观测图像中无法看出真实目标的信息。
步骤S103，分别调整所述第一图像的亮度，以调整所述准均匀面光源的亮度，使得调整后的准均匀面光源与所述每帧第二图像的平均亮度一致，得到每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像。
具体地，将步骤S101拍摄的近似均匀的面光源M的亮度调整到和步骤S102拍摄的观测目标亮度一致，调整时可以选用整幅图像的平均值。在一个可能的示例中，近似均匀的面光源M的强度LM与第i帧观测目标亮度LSi的关系为：LSi＝bi×LM。则设原始准均匀面光源的亮度为M，第i帧观测目标图像对应的调整后的准均匀面光源的亮度为m＝bi×M，调整后的图像的亮度为：bi×SM。
步骤S104，将所述每帧第二图像的亮度减去所述每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像的亮度，得到去除背景的每帧第二图像，完成所述观测目标的特征提取。
具体地，两张图像相减即可分辨出观测目标：Si-bi×SM，完成增益差别较大的成像系统的目标提取。其中，bi×SM即为第i帧观测目标图像对应的背景亮度。
需要说明的是，在第i帧观测目标图像成像时所在的位置，如果将整个成像系统对准一个近似均匀光源M拍摄，探测器最终接收信号SM表示为：
SM(x1)＝g(x1)×m，SM(x2)＝g(x2)×m。
仍考虑刚刚的观测目标，减去均匀背景后，此时的信号SS为：
SSi(x1)＝Si(x1)-SM(x1)＝g(x1)×O(x1)-g(x1)×m
SSi(x2)＝Si(x2)-SM(x2)＝g(x2)×O(x2)-g(x2)×m
这时SSi(x1)和SSi(x2)的对比度为：
ΔSS＝SSi(x1)-SSi(x2)＝g(x1)×O(x1)-g(x2)×O(x2)+[g(x2)-g(x1)]×m
在一个可能的示例中，假设均匀光源背景亮度m和观测目标O(x1)亮度一致，此时图像的对比度ΔSS＝g(x2)×[O(x1)-O(x2)]。在上述极端情况O(x1)/O(x2)＝g(x2)/g(x1)时，原始图像对比度为0，而扣除均匀背景m后对比度g(x2)×[O(x1)-O(x2)]不等于0。
对于近似均匀的面光源m，像素x1和x2点的亮度差异不大，m(x1)≈m(x2)。仍假设m(x1)＝O(x1)，此时ΔSS＝g(x2)×m(x2)-g(x2)×O(x2)≈g(x2)×[O(x1)-O(x2)]，在极端情况时减去近似均匀的面光源仍然存在对比度，可以提取出目标信号。这就是扣除和观测目标强度相近的近似均匀的面光源背景提取目标信息的基本原理。
步骤S105，根据提取的所述观测目标的特征对去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到多帧第二图像相对观测目标移动的位移。
对步骤S102中拍摄的多帧观测目标在探测器不同位置的图像Si做步骤S103和步骤S104的处理，得到多帧可以看到观测目标在探测器不同位置的图像，然后计算相邻帧之间的位移量，进行图像配准。计算位移量可以用互相关的方法，也可以用绝对差分方法。
步骤S106，根据所述多帧第二图像相对观测目标移动的位移和多帧第二图像中观测目标的亮度，迭代运算出所述成像系统的平场，其中，所述平场用于指示所述成像系统在不同像元处的增益。
具体地，扣除准均匀面光源背景后，可以分辨出目标细节，此时可以采用图像移动方法计算增益差别较大的成像系统的平场。在实际观测中拍摄多帧目标图像，使得目标相对探测器的位置发生变化，探测器接收到多帧不同的目标图像。探测器接收的图像和目标的关系为：Si(x)＝g(x)×Oi(x)。
在一个可能的示例中，如果第i帧目标图像移动的位移为ai，ai是一个矢量，则Oi(x)＝O(x-ai)。假设连续采集N(N>1，且N为整数)帧图像过程中目标图像O(x)光强不变，则可知第i帧和第j帧不同位移的图像关系为：Si(x+ai)/Sj(x+aj)＝g(x+ai)/g(x+aj)。
可见此时不同位置处的观测图像强度之比等于不同位置处的增益之比。上式左右取对数，简单运算得到：log[Oi(x)]＝log[Si(x)]-log[g(x)]。平场函数g和采集目标图像帧数无关，而观测的图像Si受平场函数的影响，所以可以从多帧不同位移的图像中迭代出平场函数g。迭代用到的最小二乘拟合公式为：χ2＝∑i＜j，x{log[Si(x+ai)]-log[Sj(x+aj)]-log[g(x+ai)]+log[g(x+aj)]}2。
其中，O(x+ai)＝O(x+aj)，O(x+ai)表示第i帧目标图像中对应的第x+ai个像元处对应的观测目标的亮度值；O(x+aj)表示第j帧目标图像中对应的第x+aj个像元处对应的观测目标的亮度值；χ表示最小二乘函数；ai表示第i帧目标图像相对观测目标移动的位移；aj表示第j帧目标图像相对观测目标移动的位移；Si(x+aj)表示第i帧目标图像中在x+ai个像元处探测器接收的观测目标的亮度值；Sj(x+aj)表示第j帧目标图像中在第x+aj个像元处探测器接收的观测目标的亮度值。
利用上述最小二乘拟合公式，预设平场函数拟合的初值g(x)＝1，即可以迭代出整套系统的平场。
利用步骤S105中计算的位移量，对步骤S102中拍摄的多帧观测目标在探测器不同位置的图像Si按照上述最小二乘拟合进行计算，迭代出增益差别较大的成像系统的平场。
步骤S107，根据所述成像系统的平场，对所述多帧第二图像进行平场改正，得到精确光度标定的多帧观测目标图像。
利用步骤S106中计算的平场，对步骤S102中拍摄的多帧观测目标在探测器不同位置的图像进行平场改正，即O(x)＝S(x)/g(x)，得到高精度的多帧观测目标图像。
可以理解的是，本发明实施例提供的用于增益差别较大的成像系统的目标提取方法，对于因增益差别较大无法分辨观测目标的原始图像。通过步骤S101至步骤S104减去准均匀面光源背景可以增强对比度，分辨出观测目标，完成观测目标的特征提取。在此基础上，将步骤S102采集的多帧在探测器不同位置的目标图像，利用步骤S103和步骤S104减去近似均匀背景后的观测目标图像计算不同帧的位移。带入步骤S106可以迭代出平场，得到整套系统的真实增益差别。最后在步骤S107利用原始观测图像和平场像求得观测目标的真实图像，完成对观测目标的精确光度标定。
需要说明的是，还包括：在对第一图像和所述多帧第二图像进行处理之前，对第一图像和所述多帧第二图像进行扣除暗场和剔除坏点的预处理。在本发明实施例中，将不再对此做详细描述。
本发明实施例提供的目标提取方法和平场改正方法，无需寻找均匀的面光源测量平场。在增益差别较大的成像系统无法分辨出观测目标时，通过简单的扣除非均匀面光源背景就可以提取出观测目标。相比移动太阳像进行平场测量方法，该发明可以弥补其应用时因原始观测图像无法分辨出，观测目标无法进行图像配准的缺陷。利用本发明的目标提取方法，可以精确计算不同帧图像之间的位移。总之，该方法应用范围更广，操作起来比较简单，计算平场精度较高。
相应地，以下结合图2、图3附图对本发明实施例提供的用于增益差别较大的成像系统的目标提取和平场改正方法做进一步描述。
在一个可能的实施例中，利用光纤阵列光谱仪或者探测器增益差别较大的相机时，如果增益差别大于观测目标的强度差别时，原始观测图像中很难分辨出观测目标。图2A为利用增益差别较大的成像系统观测太阳黑子的示意图，观测时的滤光片的中心波长为4.637微米，带宽0.211微米，造成整个系统增益差别较大的主要器件是红外相机。该相机是国产的红外焦平面阵列，响应波长3-5微米，用的是HgCdTe的芯片，阵列规格为320×256，像元尺寸为30微米。由图2A可见，基本分辨不出观测目标太阳黑子的结构，此时寻找一种目标提取方法和精确的平场改正方法就显得十分必要了。
参考图1所示的实施例，针对图2A所示的增益差别较大的成像系统得到的分辨不出目标的图像，进行目标提取和平场改正方法，具体如下：
步骤S201，寻找近似均匀的面光源，将增益差别较大的成像系统对准该光源，拍摄多帧图像，扣除暗场求平均后得到近似均匀的面光源图像。此处我们观测的是太阳的局部像，如图2C所示。太阳本身就是面光源，局部图像的均匀性更好，但仍不是均匀的面光源，满足我们的准均匀面光源条件。观测时可以将成像系统对准日面中心宁静区拍摄。
步骤S202，将增益差别较大的成像系统对准观测目标，拍摄多帧观测目标在探测器不同位置的图像，并对这些图像扣除暗场。这里我们观测的是一个太阳黑子，如图2A所示。在图2A中可见，因成像系统不同像元处增益差别较大，原始图像中看不出观测目标太阳黑子的细节。
步骤S203，将近似均匀的面光源强度调整到和观测目标一致，调整时可以选用整幅图像的平均值，两张图像相减即可分辨出观测目标，完成增益差别较大的成像系统的目标提取。实施例中因选择的是稍微偏离观测目标的太阳像，所以二者强度基本一致，可以直接相减，相减后得结果见图2B所示，图2B中可以清晰地看出观测目标黑子的特征。
步骤S204，对步骤S202中拍摄的多帧观测目标在探测器不同位置的图像做步骤S203的处理，得到多帧可以看到观测目标在探测器不同位置的图像。然后计算相邻帧之间的位移量，完成图像配准。此时，图像配准选用的是互相关的方法。
步骤S205，利用步骤S204中计算的位移量，对步骤S202中拍摄的多帧观测目标在探测器不同位置的图像按照上述最小二乘拟合进行计算，迭代出增益差别较大的成像系统的平场，本实施例测量的平场见图3C所示。
步骤S206，利用步骤S205中计算的平场，对步骤S202中拍摄的多帧观测目标在探测器不同位置的图像进行平场改正，得到高精度的多帧观测目标像见图3B所示，平场改正前的观测目标像见图3A所示。
可以理解的是，由图2A、图2B以及图2C所示的扣除准均匀面光源背景前后对比可见，本发明可以在因增益差别较大导致原始观测图像无法分辨出观测目标时，通过观测近似均匀的面光源和原始观测图像相减后分辨出观测目标，完成对观测目标的特征提取。通过观测多帧在探测器不同位置的目标像，计算相邻帧的位移，并利用最小二乘迭代算法迭代出整个系统的平场。通过平场改正完成整套系统的精确光度标定。由图3A、图3B以及图3C所示平场改正前后对比可见，本发明可以得到较好的平场改正效果。
本申请在因成像系统增益差别较大分辨不出观测目标的现状下，通过寻找近似均匀的面光源，将近似均匀的面光源强度调整至和观测目标强度一致，二者相减后可以分辨出观测目标的细节。在此基础上，观测多帧在探测器不同位置的目标像，进而计算不同帧之间的位移量，采用相应的算法计算平场，得到不同像元处的增益差别，最后对观测像进行平场改正，得到精确的观测目标，完成对观测目标的光度定标。
图4为本发明实施例提供的增益差别较大的定标装置架构图。如图4所示，包括：准均匀面光源单元401、成像单元402、处理单元403以及显示单元404。
该实施例提供的定标装置的准均匀面光源单元401用于建立准均匀面光源。
成像单元402用于对准准均匀面光源，拍摄第一图像，其中，成像单元402包括探测器。
成像单元402还用于对准观测目标，拍摄多帧观测目标在探测器不同位置的第二图像。
处理单元403用于计算每帧第二图像的平均亮度。分别调整所述第一图像的亮度，以调整所述准均匀面光源的亮度，使得调整后的准均匀面光源与所述每帧第二图像的平均亮度一致，得到每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像。将每帧第二图像的亮度减去每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像的亮度，得到去除背景的每帧第二图像，完成对观测目标的特征提取。根据提取的观测目标特征对去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到多帧第二图像相对观测目标移动的位移。根据多帧第二图像相对观测目标移动的位移和多帧第二图像中观测目标的亮度，迭代运算出成像单元的平场，其中，平场用于指示成像单元在不同像元处的增益。根据成像单元的平场，对多帧第二图像进行平场改正，得到精确光度标定的多帧观测目标图像。
显示单元404用于显示精确光度标定后的多帧观测目标图像。
在一个可能的实施例中，准均匀面光源单元401具体通过人造光源或自然光源得到。其中，所述人造光源包括经漫反射板、扩散片后反射或透射的均匀性一般的光源或经积分球后的光源；所述自然光源包括：天空背景、太阳以及夜晚月亮中的任一种。
在一个可能的实施例中，处理单元403具体通过以下公式得到去除背景的每帧第二图像，包括：
SSi(x)＝Si(x)-SM(x)＝g(x)×O(x)-g(x)×m
其中，SSi(x)表示第i帧去除背景的第二图像第x个像元处的亮度值；Si(x)表示第i帧第二图像中在第x个像元处探测器接收的观测目标的亮度值；SM(x)表示第i帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像中在第x个像元处探测器接收的准均匀面光源的亮度值，所述准均匀面光源的亮度已调整到和所述第i帧第二图像的平均亮度一致；g(x)表示第二图像中第x个像元处的增益；O(x)表示第i帧第二图像中对应的第x个像元处对应的观测目标的亮度值；m表示调整后的准均匀面光源的亮度值。
在一个可能的实施例中，处理单元403具体通过互相关或绝对差分算法中的任一种算法对去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到观测目标相对多帧第二图像之间的位移。
在一个可能的实施例中，处理单元403具体通过以下公式迭代运算出成像系统的平场，包括：
其中，O(x+ai)＝O(x+aj)，O(x+ai)表示第i帧目标图像中对应的第x+ai个像元处对应的观测目标的亮度值；O(x+aj)表示第j帧目标图像中对应的第x+aj个像元处对应的观测目标的亮度值；χ表示最小二乘函数；ai表示第i帧目标图像相对观测目标移动的位移；aj表示第j帧目标图像相对观测目标移动的位移。
本领域技术人员应该可以意识到，在上述一个或多个示例中，本申请所描述的功能可以用硬件、软件、固件或它们的任意组合来实现。当使用软件实现时，可以将这些功能存储在计算机可读介质中或者作为计算机可读介质上的一个或多个指令或代码进行传输。计算机可读介质包括计算机存储介质和通信介质，其中通信介质包括便于从一个地方向另一个地方传送计算机程序的任何介质。存储介质可以是通用或专用计算机能够存取的任何可用介质。
最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本申请的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本申请的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本申请技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本申请的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种增益差别较大的成像系统的目标提取及平场改正方法，其特征在于，所述方法包括：
建立准均匀面光源，将成像系统对准所述准均匀面光源，拍摄第一图像，其中，所述成像系统包括探测器；
将所述成像系统对准观测目标，拍摄多帧所述观测目标在所述探测器不同位置的第二图像，计算每帧第二图像的平均亮度；
分别调整所述第一图像的亮度，以调整所述准均匀面光源的亮度，使得调整后的准均匀面光源与所述每帧第二图像的平均亮度一致，得到每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像；
将所述每帧第二图像的亮度减去所述每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像的亮度，得到去除背景的每帧第二图像，完成对所述观测目标的特征提取；
根据提取的所述观测目标的特征对去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到多帧第二图像相对观测目标移动的位移；
根据所述多帧第二图像相对观测目标移动的位移和多帧第二图像中观测目标的亮度，迭代运算出所述成像系统的平场，其中，所述平场用于指示所述成像系统在不同像元处的增益；
根据所述成像系统的平场，对所述多帧第二图像进行平场改正，得到精确光度标定的多帧观测目标图像。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述准均匀的面光源包括：人造光源或自然光源，其中，所述人造光源包括经漫反射板、扩散片后反射或透射的均匀性一般的光源或经积分球后的光源；所述自然光源包括：天空背景、太阳以及夜晚月亮中的任一种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述每帧第二图像的亮度减去所述每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像的亮度，得到去除背景的每帧第二图像，完成对所述观测目标的特征提取，包括：
SSi(x)＝Si(x)-SM(x)＝g(x)×O(x)-g(x)×m
其中，SSi(x)表示第i帧去除背景的第二图像第x个像元处的亮度值；Si(x)表示第i帧第二图像中在第x个像元处探测器接收的观测目标的亮度值；SM(x)表示第i帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像中在第x个像元处探测器接收的准均匀面光源的亮度值，所述准均匀面光源的亮度已调整到和所述第i帧第二图像的平均亮度一致；g(x)表示第二图像中第x个像元处的增益；O(x)表示第i帧第二图像中对应的第x个像元处对应的观测目标的亮度值；m表示调整后的准均匀面光源的亮度值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到所述观测目标相对多帧第二图像之间的位移，包括：
通过互相关或绝对差分算法中的任一种算法对所述去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到所述观测目标相对多帧第二图像之间的位移。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据所述多帧第二图像相对观测目标移动的位移和多帧第二图像中观测目标的亮度，迭代运算出所述成像系统的平场，包括：
其中，O(x+ai)＝O(x+aj)，O(x+ai)表示第i帧目标图像中对应的第x+ai个像元处对应的观测目标的亮度值；O(x+aj)表示第j帧目标图像中对应的第x+aj个像元处对应的观测目标的亮度值；χ表示最小二乘函数；ai表示第i帧目标图像相对观测目标移动的位移；aj表示第j帧目标图像相对观测目标移动的位移。
6.根据权利要求1至5任一项所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
在对所述第一图像和所述多帧第二图像进行处理之前，对所述第一图像和所述多帧第二图像进行扣除暗场和剔除坏点的预处理。
7.一种增益差别较大的定标装置，其特征在于，包括：
准均匀面光源单元，用于建立准均匀面光源；
成像单元，用于对准所述准均匀面光源，拍摄第一图像，其中，所述成像单元包括探测器；
所述成像单元，还用于对准观测目标，拍摄多帧所述观测目标在所述探测器不同位置的第二图像；
处理单元，用于计算每帧第二图像的平均亮度；分别调整所述第一图像的亮度，以调整所述准均匀面光源的亮度，使得调整后的准均匀面光源与所述每帧第二图像的平均亮度一致，得到每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像；将所述每帧第二图像的亮度减去所述每帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像的亮度，得到去除背景的每帧第二图像，完成对所述观测目标的特征提取；根据提取的所述观测目标的特征对去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到多帧第二图像相对观测目标移动的位移；根据所述多帧第二图像相对观测目标移动的位移和多帧第二图像中观测目标的亮度，迭代运算出所述成像单元的平场，其中，所述平场用于指示所述成像单元在不同像元处的增益；根据所述成像单元的平场，对所述多帧第二图像进行平场改正，得到精确光度标定的多帧观测目标图像；
显示单元，用于显示所述精确光度标定后的多帧观测目标图像。
8.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述准均匀面光源单元，具体通过人造光源或自然光源得到，其中，所述人造光源包括经漫反射板、扩散片后反射或透射的均匀性一般的光源或经积分球后的光源；所述自然光源包括：天空背景、太阳以及夜晚月亮中的任一种。
9.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理单元具体通过以下公式得到去除背景的每帧第二图像，完成对所述观测目标的特征提取，包括：
SSi(x)＝Si(x)-SM(x)＝g(x)×O(x)-g(x)×m
其中，SSi(x)表示第i帧去除背景的第二图像第x个像元处的亮度值；Si(x)表示第i帧第二图像中在第x个像元处探测器接收的观测目标的亮度值；SM(x)表示第i帧第二图像对应的亮度调整后的第一图像中在第x个像元处探测器接收的准均匀面光源的亮度值，所述准均匀面光源的亮度已调整到和所述第i帧第二图像的平均亮度一致；g(x)表示第二图像中第x个像元处的增益；O(x)表示第i帧第二图像中对应的第x个像元处对应的观测目标的亮度值；m表示调整后的准均匀面光源的亮度值。
10.根据权利要求7所述的装置，其特征在于，所述处理单元具体通过互相关或绝对差分算法中的任一种算法对所述去除背景的多帧第二图像中的观测目标进行图像配准，得到所述观测目标相对多帧第二图像之间的位移。
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