CN110501025B - 一种卷帘快门面阵cmos相机的在轨定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，利用卫星自身运动和敏捷机动带来的相机与地面景物之间的相对运动，与面阵CMOS卷帘快门进行速度匹配，调节行与行间曝光间隔时间，使其与景物在焦面投影在相邻像元中心位置移动所需时间相匹配，首先使卷帘方向与地面相对运动方向垂直，选取某一行作为基准行对其进行基准行定标，然后卷帘方向与地面相对运动方向平行且反向，以基准行为标准对整片CMOS的其他行进行整片定标。本发明的在轨定标方法，对其成像系统误差实现了在轨相对辐射定标，进一步确定像元间的响应关系，并且消除或降低了各像元间的响应不一致性，有效提升了图像质量。

Description

一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法

技术领域

本发明涉及在轨定标领域，更具体而言，涉及一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法。

背景技术

图像传感器各像元间由于光电特性以及外围电路电性特征上的差异，使得每个像元都具有独特的响应曲线，在图像上表现为各种随机噪声和系统噪声。为了均衡图像提升质量，需要对图像传感器进行相对辐射定标，利用高精度的辐射定标基准标定该成像系统误差，确定像元间的响应关系，并根据统计运算给出各像元的相对辐射定标系数，以消除或降低各像元间的响应不一致性。

目前在轨相对辐射定标有基于星上定标灯或漫反射板的星上定标法、基于地面均匀场的在轨场地定标法、基于卫星全生命周期图像的在轨统计定标法。其中，星上定标法需要卫星搭载定标灯或漫反射板等高精度辐射基准，同时随时间推移辐射基准也会老化失准降低定标效果；场地定标法需要地物特征单一的均匀场地，如沙漠、海洋、雪地等；统计定标法是基于海量样本信息的概率统计方法，需要处理大量数据，同时其理论具有似然估计的假设特性，无法达到较高精度。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，利用卫星自身运动和敏捷机动带来的相机与地面景物之间的相对运动，配合面阵CMOS卷帘成像进行相对辐射定标。

本发明提供一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，包括步骤：

S1:设定相机与地面景物之间的相对运动方向为第一方向，并定义面阵CMOS垂直于卷帘方向的一排像素为一行，平行于卷帘方向的一排像素为一列，面阵CMOS共有m行n列，选取基准行为第r行；

S2:调整卫星姿态，使卷帘方向与第一方向垂直，并调节行与行间曝光间隔时间T1，使地面景物在焦面投影在相邻像元中心位置移动所需时间T2和行与行间曝光间隔时间T1相等，然后对基准行进行基准行定标；

S3:调整卫星姿态，使卷帘方向与第一方向平行且相反，并调节行与行间曝光间隔时间T1，使地面景物在焦面投影在相邻像元中心位置移动所需时间T2和行与行间曝光间隔时间T1相等，然后以基准行为标准对面阵CMOS整片进行定标。

在一些实施例中，所述对基准行进行基准行定标，具体步骤包括：

S21:选取基准行为成像区域，单独使用基准行进行连续成像，前一次拍摄完成后CMOS将移动一个像元进行下一次拍摄，连续拍摄的两行图像相互交错一个像元，多次拍摄后基准行上所有像元均对同一地面景物成像,

S22:通过对不同地面景物进行成像后，得到基准行对不同亮度的响应信息，

S23:根据基准行对不同亮度的响应信息，计算基准行各像元的相对辐射定标系数。

在一些实施例中，所述响应信息为图像灰度数据。

在一些实施例中，所述根据基准行对不同亮度的相应信息，计算基准行各像元相对辐射定标系数，具体步骤包括：统计每一个亮度的灰度平均值，将基准行每一个像元在不同亮度下的灰度值，通过最小二乘法全部拟合到平均值上，得到基准行各像元的相对辐射定标系数。

在一些实施例中，所述基准行相对辐射定标系数为：

y_r，j＝k_r，j(x_r，j+b_r，j)，

其中，r为基准行行号，j为面阵CMOS任意一列，k_r，j和b_r，j为基准行r的相对辐射定标系数，k_r，j为增益参数，b_r，j为偏置参数，x_r，j为校正前第r行第j列像元在某一亮度下所成图像的灰度值，y_r，j为校正后的图像灰度值。

在一些实施例中，所述以基准行为标准对面阵CMOS整片进行定标，具体步骤包括：

S31：选取面阵CMOS整片为成像区域，使用面阵CMOS整片进行连续成像，拍摄完成一次后面阵CMOS将移动一个像元进行下一次拍摄，每一行像元都会拍到相同地面景物，一列图像就是这列像元对一个亮度的不同响应，拍摄若干帧图像就可以得到这列图像对不同亮度下的响应，

S32：以基准行为参照标准，将每一列的像元在不同亮度下的灰度值，通过最小二乘法全部拟合到基准行灰度值上，得到基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数，

S33：综合基准行各像元的相对辐射定标系数和基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数，得到面阵CMOS所有像元的相对辐射定标系数。

在一些实施例中，所述基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数为：

y′_i，j＝k′_i，j(x_i，j+b′_i，j)，

其中i和j为除基准行外任意一像元的行号和列号，k′_i，j和b′_i，j为该像元相对基准行的辐射定标系数，k′_i，j为增益参数，b′_i，j为偏置参数，x_i，j为校正前的图像灰度值，y′_i，j为校正后的图像灰度值。

在一些实施例中，所述面阵CMOS所有像元的相对辐射定标系数为：

y_i，j＝k_r，j(k′_i，j(x_i，j+b′_i，j)+b_r，j)，

整理上式得到：

根据上式可以得到除基准行外第i行第j列像元的相对辐射定标系数，增益参数为k_r，jk′_i，j，偏置参数为

本发明的有益效果在于：本发明提出一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，利用卫星自身运动和敏捷机动带来的相机与地面景物之间的相对运动，使得传感器能够对同一区域成像，配合面阵CMOS卷帘成像进行相对辐射定标，消除或降低了各像元间的响应不一致性，有效提升了图像质量。

附图说明

图1是本发明实施例提供的基准行定标过程示意图；

图2是本发明实施例提供的基准行定标图像；

图3是本发明实施例提供的基准行定标数据统计图；

图4是本发明实施例提供的基准行定标数据拟合图；

图5是本发明实施例提供的面阵CMOS整片定标过程；

图6是本发明实施例提供的面阵CMOS整片定标图像；

图7是本发明实施例提供的面阵CMOS整片定标数据拟合图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

为了使本揭示内容的叙述更加详尽与完备，下文针对本发明的实施方式与具体实施例提出了说明性的描述；但这并非实施或运用本发明具体实施例的唯一形式。实施方式中涵盖了多个具体实施例的特征以及用以建构与操作这些具体实施例的方法步骤与其顺序。然而，亦可利用其它具体实施例来达成相同或均等的功能与步骤顺序。

实施例1：

本发明提出一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，利用卫星敏捷机动带来的相机与地面景物之间的相对运动，配合面阵CMOS卷帘成像进行相对辐射定标，适用于具有与地面景物有相对运动的卫星平台，如推扫成像卫星及具有机动能力的凝视卫星等。

定义面阵CMOS垂直卷帘方向的一排像素为一行，平行卷帘方向一排像素为一列，那么卷帘快门CMOS图像传感器进行成像时，各行像元依次开始曝光，并依次结束曝光，每行图像的曝光时间相同，但成像时刻不同。成像控制时序以行时间为周期，每一个行时间内进行一次读出和一次复位操作，通过增加冗余时序可以在数十纳秒的精度下调节各段时序之间的时间间隔，即可以精确控制各行曝光起始时刻的间隔。卷帘快门CMOS图像传感器通过行选控制逻辑能够进行开窗成像，通过指定起始摄像行与终止摄像行确定成像区域，当起始行和终止行为同一行时，则该行连续成像。

本发明需要相机与地面景物之间具有相对运动，推扫相机自身相对地面运动，如果卫星本身具有机动能力也可以一起配合调整，凝视相机则需要搭载卫星具有姿态调节能力。进行本发明提出的在轨相对辐射定标时，首先联合卫星自身速度与机动速度得到景物在焦面投影的像移速度，同时调节行与行间曝光间隔时间使两者匹配，让像元尺寸除以像移速度(即景物在焦面投影在相邻像元中心位置移动所需时间)和行与行间曝光间隔时间相等。满足以上条件后卷帘快门CMOS拍摄的图像将有特定的相关性，是本发明所提出在轨辐射定标方法的实现基础。下面结合附图对本发明进行具体解释。

在轨卷帘快门面阵CMOS辐射定标时分为基准行定标和整片定标两步。定义面阵CMOS垂直卷帘方向的一排像素为一行，平行卷帘方向一排像素为一列，并且设定面阵CMOS共有m行n列，基准行为第r行。

基准行定标过程如图1所示，首先调整卫星姿态，让卷帘方向与地面相对运动方向垂直，同时调节行与行间曝光间隔时间，使其与景物在焦面投影在相邻像元中心位置移动所需时间匹配。

选择面阵CMOS的某一行作为基准行，单独使用该行连续成像，这样前一次拍摄完成后CMOS将移动一个像元进行下一次拍摄，连续拍摄的两行图像相互交错一个像元，经过多次拍摄后基准行上所有像元都将对同一景物成像，这样通过对不同地物景观进行成像后，将会得到基准行对不同亮度的响应信息，也就是图像灰度数据(DN，Digital Number)。

基准行定标图像如图2所示。统计每一个亮度的平均值，将基准行每一个像元在不同亮度下的灰度值，通过最小二乘法全部拟合到平均值上，得到基准行各像元的相对辐射定标系数。基准行定标数据统计如图3所示，基准行定标数据拟合如图4所示。基准行相对辐射定标系数有：

y_r，j＝k_r，j(x_r，j+b_r，j)，

其中r为基准行行号，j为面阵CMOS任意一列，k_r，j和b_r，j为基准行r的相对辐射定标系数(分别为增益参数和偏置参数)，x_r，j为校正前第r行第j列像元在某一亮度下所成图像的灰度值，y_r，j为校正后的图像灰度值。

整片定标过程如图5所示，调整卫星姿态，让卷帘方向与地面相对运动方向平行，且卷帘方向与地面相对运动方向反向，同时调节行与行间曝光间隔时间，使其与景物在焦面投影在相邻像元中心位置移动所需时间匹配。

面阵CMOS整片连续成像，这样前一次拍摄完成后CMOS将移动一个像元进行下一次拍摄，整帧图像每一行像元都会拍摄到相同景物，一列图像就是这列像元对一个亮度的不同响应，拍摄若干帧图像就可以得到这列图像对不同亮度下的响应。整片定标图像如图6所示。

以基准行应用相对辐射定标系数校正后的灰度值作为参照标准，将每一列的像元在不同亮度下的灰度值，通过最小二乘法全部拟合到基准行校正后灰度值上，得到基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数。整片定标数据拟合如图7所示。基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数有：

y′_i，j＝k′_i，j(x_i，j+b′_i，j)，

其中i和j为除基准行外任意一像元的行号和列号，k′_i，j和b′_i，j为该像元相对基准行的辐射定标系数，x_i，j为校正前的图像灰度值，y′_i，j为校正后的图像灰度值。

综合基准行各像元的相对辐射定标系数和基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数，得到面阵CMOS所有像元的相对辐射定标系数为：

y_i，j＝k_r，j(k′_i，j(x_i，j+b′_i，j)+b_r，j)，

整理上式得到：

根据上式可以得到除基准行外第i行第j列像元的相对辐射定标系数，增益参数为k_r，jk′_i，j，偏置参数为

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，其特征在于，包括步骤：

S1:设定相机与地面景物之间的相对运动方向为第一方向，并定义面阵CMOS垂直于卷帘方向的一排像素为一行，平行于卷帘方向的一排像素为一列，面阵CMOS共有m行n列，选取基准行为第r行；

S2:调整卫星姿态，使卷帘方向与第一方向垂直，并调节行与行间曝光间隔时间T1，使地面景物在焦面投影在相邻像元中心位置移动所需时间T2和行与行间曝光间隔时间T1相等，然后对基准行进行基准行定标；

S3:调整卫星姿态，使卷帘方向与第一方向平行且相反，并调节行与行间曝光间隔时间T1，使地面景物在焦面投影在相邻像元中心位置移动所需时间T2和行与行间曝光间隔时间T1相等，然后以基准行为标准对面阵CMOS整片进行定标。

2.根据权利要求1所述的一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，其特征在于，所述对基准行进行基准行定标，具体步骤包括：

S21:选取基准行为成像区域，单独使用基准行进行连续成像，前一次拍摄完成后CMOS将移动一个像元进行下一次拍摄，连续拍摄的两行图像相互交错一个像元，多次拍摄后基准行上所有像元均对同一地面景物成像,

S22:通过对不同地面景物进行成像后，得到基准行对不同亮度的响应信息，

S23:根据基准行对不同亮度的响应信息，计算基准行各像元的相对辐射定标系数。

3.根据权利要求2所述的一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，其特征在于，所述响应信息为图像灰度数据。

4.根据权利要求3所述的一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，其特征在于，所述根据基准行对不同亮度的相应信息，计算基准行各像元相对辐射定标系数，具体步骤包括：统计每一个亮度的灰度平均值，将基准行每一个像元在不同亮度下的灰度值，通过最小二乘法全部拟合到平均值上，得到基准行各像元的相对辐射定标系数。

5.根据权利要求4所述的一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，其特征在于，所述基准行相对辐射定标系数为：

y_r，j＝k_r，j(x_r，j+b_r，j)，

其中，r为基准行行号，j为面阵CMOS任意一列，k_r，j和b_r，j为基准行r的相对辐射定标系数，k_r，j为增益参数，b_r，j为偏置参数，x_r，j为校正前第r行第j列像元在某一亮度下所成图像的灰度值，y_r，j为校正后的图像灰度值。

6.根据权利要求1所述的一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，其特征在于，所述以基准行为标准对面阵CMOS整片进行定标，具体步骤包括：

S31：选取面阵CMOS整片为成像区域，使用面阵CMOS整片进行连续成像，拍摄完成一次后面阵CMOS将移动一个像元进行下一次拍摄，每一行像元都会拍到相同地面景物，一列图像就是这列像元对一个亮度的不同响应，拍摄若干帧图像就可以得到这列图像对不同亮度下的响应，

S32：以基准行为参照标准，将每一列的像元在不同亮度下的灰度值，通过最小二乘法全部拟合到基准行灰度值上，得到基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数，

S33：综合基准行各像元的相对辐射定标系数和基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数，得到面阵CMOS所有像元的相对辐射定标系数。

7.根据权利要求6所述的一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，其特征在于，所述基准行外各像元的相对基准行的辐射定标系数为：

y′_i，j＝k′_i，j(x_i，j+b′_i，j)，

其中i和j为除基准行外任意一像元的行号和列号，k′_i，j和b′_i，j为该像元相对基准行的辐射定标系数，k′_i，j为增益参数，b′_i，j为偏置参数，x_i，j为校正前的图像灰度值，y′_i，j为校正后的图像灰度值。

8.根据权利要求7所述的一种卷帘快门面阵CMOS相机的在轨定标方法，其特征在于，所述面阵CMOS所有像元的相对辐射定标系数为：

y_i，j＝k_r，j(k′_i，j(x_i，j+b′_i，j)+b_r，j)，

整理上式得到：

根据上式可以得到除基准行外第i行第j列像元的相对辐射定标系数，增益参数为k_{r， j}k′_i，j，偏置参数为

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