CN109738068B - 一种校正多光谱相机响应值非线性的方法 - Google Patents
一种校正多光谱相机响应值非线性的方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种校正多光谱相机响应值非线性的方法，包括如下步骤：选择商用色卡中的中性色块作为校正灰阶，用分光光度计测量校正灰阶中每一个色块的光谱反射比，并将光谱反射比归一化；利用多光谱相机拍摄校正灰阶的多通道图像，获得校正灰阶的多通道响应值并将其归一化；采用三次多项式建立每一个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的关系；最后获得校正目标对象的非线性校正后的多通道响应值。本发明的方法操作简单，无需测量校正灰阶的辐亮度，且无需多次曝光，并将多通道响应值进行归一化处理，不受响应值幅值的影响，同时利用三次多项式拟合归一化响应值和归一化的反射比，提高了校正方法的适用性和精度。
Description
技术领域
本发明涉及数码相机响应值的非线性校正方法技术领域，尤其是涉及一种能够简化多光谱相机响应值的非线性校正方法，提高校正方法适用性和精度的校正多光谱相机响应值非线性的方法。
背景技术
由于电子放大的非线性和相机中的杂散光等，数码相机的响应值与拍摄对象表面反射的光通量呈现一定的非线性。具体来说，数码相机需要对响应值进行伽玛校正后输出，增加成像动态范围，如在低曝光条件下，通过调整伽玛放大倍数，使传感器具有较高的光电响应；而在高曝光条件下，通过调低放大倍数降低光电响应，降低响应饱和失真的影响。传感器的线性度决定了图像获取数据的准确度，且数码成像系统经长时间使用，其响应性能指标与出厂标定数据可能会有较大偏差，需要对设备响应的非线性进行校准以避免计算误差。
传统校正数码相机的方法需要用专用的辐射度仪器测量校正灰阶的辐亮度，而且需要专用的校正灰阶，数码相机也需要多次曝光，而且校正公式受数码相机响应幅值的影响，整个校正过程比较复杂且适用性不好。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的校正公式受数码相机响应幅值的影响，整个校正过程比较复杂且适用性不好的不足，提供了一种能够简化多光谱相机响应值的非线性校正方法，提高校正方法适用性和精度的校正多光谱相机响应值非线性的方法。
为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种校正多光谱相机响应值非线性的方法，包括如下步骤：
(1-1)获得校正灰阶的归一化反射比；
(1-2)获得校正灰阶的多通道的归一化响应值；
(1-3)对于每一个通道，根据校正灰阶在各个通道下的归一化响应值和校正灰阶的归一化光谱反射比，采用三次多项式建立每一个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系；
(1-4)根据各个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系，归一化反射比与校正灰阶表面的光通量之间的线性关系以及非线性校正后的响应值与校正灰阶表面的光通量之间的线性关系，获得目标对象的非线性校正后的多通道响应值。
本发明选择商用色卡中的中性色块作为校正灰阶，用分光光度计测量校正灰阶中每一个色块的光谱反射比，并将光谱反射比归一化；利用多光谱相机拍摄校正灰阶的多通道图像，获得校正灰阶的多通道响应值并将其归一化；采用三次多项式建立每一个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的关系；最后获得校正目标对象的非线性校正后的多通道响应值。
作为优选，步骤(1-1)的具体步骤如下：
(2-1)选择商用色卡中的N个明度值不同的中性色块作为校正灰阶，并对中性色块进行标号，表示为：中性色块1，中性色块2，…，中性色块n，…，中性色块N，n的初始值设为1；
(2-2)用分光光度计测量校正灰阶中中性色块n在各个波长下的光谱反射比rnλ1，rnλ2，…，rnλm，其中，rnλ1表示中性色块n在波长λ1下的光谱反射比，rnλ2表示中性色块n在波长λ2下的光谱反射比，…，rnλm表示中性色块n在波长λm下的光谱反射比；
(2-3)利用公式
计算所有波长的光谱反射比的均值
其中，m表示光谱反射比的维数；
(2-4)将所有波长下的光谱反射比的均值
进行归一化处理，得到中性色块n的归一化反射比rn；
(2-5)将n与N进行比较，如果n＜N，使n的值增加1，转入步骤(2-2)；如果n≥N，转入步骤(1-2)。
作为优选，步骤(1-2)的具体步骤如下：
(3-1)用多光谱相机拍摄校正灰阶的多光谱图像，调整每一个通道曝光时间，获得校正灰阶的多通道响应值；
(3-2)用多光谱相机拍摄置于校正灰阶相同位置的参考白板的多光谱图像，调整每一个通道曝光时间，获得参考白板的多通道响应值；
(3-3)利用参考白板校正校正灰阶的多通道响应值的空间不均匀性，对校正后的校正灰阶的多通道响应值进行归一化处理，获得校正灰阶的多通道的归一化响应值。
作为优选，采用三次多项式建立每一个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系，表示为
rn＝k1pn 3+k2pn 2+k3pn+k4 (1)
其中：rn表示中性色块n的归一化反射比，pn表示中性色块n在各个通道下的归一化响应值；k1，k2，k3，k4分别为三次多项式的拟合系数；
每一个通道的非线性校正后的响应值、光通量和归一化反射比之间的关系表示为
pc∞Φ∞r (2)
其中：r表示利用公式(1)由目标对象的归一化响应值p求得的归一化反射比，Φ表示光通量，pc表示非线性校正后的响应值，∞表示线性关系。
作为优选，步骤(1-4)的具体步骤如下：
(5-1)用多光谱相机拍摄目标对象的多光谱图像，获得目标对象的多通道响应值；
(5-2)用多光谱相机拍摄置于目标对象相同位置的参考白板的多光谱图像，获得参考白板的多通道响应值；
(5-3)利用参考白板校正目标对象的多通道响应值的空间不均匀性，对校正后的目标对象的多通道响应值进行归一化处理，获得目标对象的多通道的归一化响应值；
(5-4)将目标对象的某一个通道下的归一化响应值代入该通道的归一化反射比与归一化响应值之间的三次多项式函数关系，得到在该通道下目标对象的归一化反射比；由于中性色块的归一化反射比与其表面反射的光通量呈线性关系，因此归一化响应值经过校正后就得到与光通量呈线性关系的响应值，即该通道下目标对象的非线性校正后的响应值；
(5-5)重复步骤(5-4)，获得目标对象的非线性校正后的多通道响应值。
因此，本发明具有如下有益效果：本发明无需专用的校正灰阶，而在商用色卡中选择若干个中性色块作为校正灰阶，且不需要测量校正灰阶的辐亮度；本发明利用多个中性色块的归一化的平均光谱反射比作为阶梯辐亮度的衡量指标，无需多次曝光；对多光谱相机的响应值进行了归一化处理，校正不受响应值幅值的影响，同时，采用了三次多项式拟合归一化响应值和归一化的反射比，提高了校正方法的适用性和精度。
附图说明
图1是本发明的一种流程图；
图2是本发明所提出的方法拟合的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性校正关系图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明做进一步描述：
实施例
本发明使用的多光谱相机为滤色片轮式的多光谱相机，该多光谱相机由16个干涉滤色片形成16个通道，16个滤色片的FWHM(峰值半高宽，Full Width of Half Maximum)均为20nm，其峰值透过率波长分别为400nm、420nm、440nm、460nm、480nm、500nm、520nm、540nm、560nm、580nm、600nm、620nm、640nm、660nm、680nm和700nm。
商用色卡选用Gretag Macbeth公司生产的Color Checker DC(DC)色卡。
分光光度计采用X-Rite公司的SP64。
如图1所示的实施例是一种校正多光谱相机响应值非线性的方法，包括如下步骤：
步骤100，获得校正灰阶的归一化反射比；
步骤101，选择DC色卡中的12个明度值不同的中性色块作为校正灰阶，并对中性色块进行标号，表示为：中性色块1，中性色块2，…，中性色块n，…，中性色块12，n的初始值设为1；
步骤102，用分光光度计SP64测量校正灰阶中中性色块n在各个波长下的光谱反射比rnλ1，rnλ2，…，rnλ31，其中，rnλ1表示中性色块n在波长λ1下的光谱反射比，rnλ2表示中性色块n在波长λ2下的光谱反射比，…，rnλ31表示中性色块n在波长λ31下的光谱反射比；
步骤103，利用公式
计算所有波长的光谱反射比的均值
其中，m表示光谱反射比的维数，m的值为31；
步骤104，将所有波长下的光谱反射比的均值
进行归一化处理，得到中性色块n的归一化反射比rn；
步骤105，将n与N进行比较，如果n＜12，使n的值增加1，转入步骤102；如果n≥12，转入步骤200；
步骤200，获得校正灰阶的多通道的归一化响应值；
步骤201，用多光谱相机拍摄校正灰16个通道的多光谱图像，调整每一个通道曝光时间，获得校正灰阶的多通道响应值；
步骤202，用多光谱相机拍摄置于校正灰阶相同位置的参考白板16个通道的多光谱图像，调整每一个通道曝光时间，获得参考白板的多通道响应值；
步骤203，利用参考白板校正校正灰阶的16个通道响应值的空间不均匀性，对校正后的校正灰阶的16个通道响应值进行归一化处理，获得校正灰阶的16个通道的归一化响应值；
步骤300，对于400nm通道，根据校正灰阶在400nm通道下的归一化响应值和校正灰阶的归一化光谱反射比，采用三次多项式建立每一个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系，表示为
rn＝k1pn 3+k2pn 2+k3pn+k4 (1)
其中：rn表示中性色块n的归一化反射比，pn表示中性色块n在各个通道下的归一化响应值；k1，k2，k3，k4分别为三次多项式的拟合系数；
将归一化响应值和校正灰阶的归一化光谱反射比的数值代入公式，得到400nm通道下归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系，即
r＝1.727p3-2.0952p2+1.457p-0.122 (2)
k1，k2，k3，k4分别为1.727，-2.095，1.457，-0.122，r表示归一化反射比，p表示归一化响应值；
对于其他剩下的15个通道，分别建立相应通道下归一化反射比与归一化响应值的三次多项式非线性函数关系，得到如图2所示的16个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性校正关系图，每一个子图中的星号表示校正灰阶中一个中性色块的归一化光谱反射比与该通道下的归一化响应值，实线表示根据星号表示的数据拟合的三次多项式函数曲线，可见曲线很好地拟合了数据的变化趋势，同时可以看到除了400nm通道和700nm通道，其他通道的拟合曲线接近直线，说明这些通道的响应值线性度好；
步骤400，根据各个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系，归一化反射比与校正灰阶表面的光通量之间的线性关系以及非线性校正后的响应值与校正灰阶表面的光通量之间的线性关系，获得目标对象的非线性校正后的多通道响应值；
步骤401，用多光谱相机拍摄目标对象的多光谱图像，获得目标对象的16个通道响应值；
步骤402，用多光谱相机拍摄置于目标对象相同位置的参考白板的多光谱图像，获得参考白板的16个通道响应值；
步骤403，利用参考白板校正目标对象的多通道响应值的空间不均匀性，对校正后的目标对象的16个通道响应值进行归一化处理，获得目标对象的16个通道的归一化响应值；
步骤404，将目标对象的某一个通道下的归一化响应值代入该通道的归一化反射比与归一化响应值之间的三次多项式函数关系，得到在该通道下目标对象的归一化反射比；每一个通道的非线性校正后的响应值、光通量和归一化反射比之间的关系表示为pc∞Φ∞r，由于中性色块的归一化反射比与其表面反射的光通量呈线性关系，因此，归一化响应值经过校正后就得到与光通量呈线性关系的响应值，由于光谱反射比和响应值都是归一化数据，因此，将计算得到的归一化反射比r作为非线性校正后的响应值pc，即该通道下目标对象的非线性校正后的响应值；其中，Φ表示光通量，pc表示非线性校正后的响应值，∞表示线性关系；
步骤405，重复步骤404，获得目标对象的非线性校正后的16个通道响应值。
应理解，本实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
Claims (4)
1.一种校正多光谱相机响应值非线性的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1-1)获得校正灰阶的归一化反射比；
(1-2)获得校正灰阶的多通道的归一化响应值；
(1-3)对于每一个通道，根据校正灰阶在各个通道下的归一化响应值和校正灰阶的归一化光谱反射比，采用三次多项式建立每一个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系；
(1-4)根据各个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系，归一化反射比与校正灰阶表面的光通量之间的线性关系以及非线性校正后的响应值与校正灰阶表面的光通量之间的线性关系，获得目标对象的非线性校正后的多通道响应值；
步骤(1-1)的具体步骤如下：
(2-1)选择商用色卡中的N个明度值不同的中性色块作为校正灰阶，并对中性色块进行标号，表示为：中性色块1，中性色块2，...，中性色块n，...，中性色块N，n的初始值设为1；
(2-2)用分光光度计测量校正灰阶中中性色块n在各个波长下的光谱反射比rnλ1，rnλ2，...，rnλm，其中，rnλ1 表示中性色块n在波长λ1下的光谱反射比，rnλ2表示中性色块n在波长λ2下的光谱反射比，...，rnλm表示中性色块n在波长λm下的光谱反射比；
(2-3)利用公式
计算所有波长的光谱反射比的均值
其中，m表示光谱反射比的维数；
(2-4)将所有波长下的光谱反射比的均值
进行归一化处理，得到中性色块n的归一化反射比rn；
(2-5)将n与N进行比较，如果n＜N，使n的值增加1，转入步骤(2-2)；如果n≥N，转入步骤(1-2)。
2.根据权利要求1所述的一种校正多光谱相机响应值非线性的方法，其特征在于，步骤(1-2)的具体步骤如下：
(3-1)用多光谱相机拍摄校正灰阶的多光谱图像，调整每一个通道曝光时间，获得校正灰阶的多通道响应值；
(3-2)用多光谱相机拍摄置于校正灰阶相同位置的参考白板的多光谱图像，调整每一个通道曝光时间，获得参考白板的多通道响应值；
(3-3)利用参考白板校正校正灰阶的多通道响应值的空间不均匀性，对校正后的校正灰阶的多通道响应值进行归一化处理，获得校正灰阶的多通道的归一化响应值。
3.根据权利要求1所述的一种校正多光谱相机响应值非线性的方法，其特征在于，采用三次多项式建立每一个通道的归一化响应值与归一化反射比之间的非线性函数关系，表示为
rn＝k1pn 3+k2pn 2+k3pn+k4 (1)
其中：rn表示中性色块n的归一化反射比，pn表示中性色块n在各个通道下的归一化响应值；k1，k2，k3，k4分别为三次多项式的拟合系数；
每一个通道的非线性校正后的响应值、光通量和归一化反射比之间的关系表示为
pc∞Φ∞r (2)
其中：r表示利用公式(1)由目标对象的归一化响应值p求得的归一化反射比，Φ表示光通量，pc表示非线性校正后的响应值，∞表示线性关系。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种校正多光谱相机响应值非线性的方法，其特征在于，步骤(1-4)的具体步骤如下：
(5-1)用多光谱相机拍摄目标对象的多光谱图像，获得目标对象的多通道响应值；
(5-2)用多光谱相机拍摄置于目标对象相同位置的参考白板的多光谱图像，获得参考白板的多通道响应值；
(5-3)利用参考白板校正目标对象的多通道响应值的空间不均匀性，对校正后的目标对象的多通道响应值进行归一化处理，获得目标对象的多通道的归一化响应值；
(5-4)将目标对象的某一个通道下的归一化响应值代入该通道的归一化反射比与归一化响应值之间的三次多项式函数关系，得到在该通道下目标对象的归一化反射比；由于中性色块的归一化反射比与其表面反射的光通量呈线性关系，因此归一化响应值经过校正后就得到与光通量呈线性关系的响应值，即该通道下目标对象的非线性校正后的响应值；
(5-5)重复步骤(5-4)，获得目标对象的非线性校正后的多通道响应值。
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