CN111121968B - 噪声评价方法、反射率反演方法以及图像分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种噪声评价方法、反射率反演方法以及图像分析装置，该装置包括相互连接的高光谱图像采集装置和高光谱图像处理装置，高光谱图像采集装置包括：样本台、标准反射率板、高光谱仪、转台和照明系统，样本台放置于所述转台上，样本台的两侧分别放置标准反射率板；高光谱图像处理装置用于执行噪声评价方法和反射率反演方法。该装置能够减小图像高光谱图像采集过程中光照不均匀对成像质量的影响，该图像分析装置能够求解出图像各个点的噪声近似值，并据此反演得到高光谱图像的反射率。该装置能够更加方便、高效、高精度地执行噪声评价和反射率反演过程。

Description

噪声评价方法、反射率反演方法以及图像分析装置

技术领域

本发明涉及高光谱图像分析技术领域，具体涉及一种噪声评价方法、反射率反演方法以及图像分析装置。

背景技术

高光谱图像由于同时具备样本的光谱以及空间信息，而被广泛应用于农业、军事、地物目标探测和目标识别等领域，而光谱作为物体的“指纹”，在目标分类识别过程中发挥着关键作用。

由于高光谱仪成像过程受多种噪声的影响，对高光谱图像中噪声的评估异常困难，现有技术中的方法很难得到精确的图像噪声值，且对不同环境光源的校正也是一个问题。

进一步，高光谱仪所测得的图像往往只具有目标的相对辐射强度信息，不同光照条件下，相同目标的辐射强度也会表现出很大差异，影响高光谱图像分类识别的准确度。因此，高光谱图像反射率反演往往是高光谱图像处理的首要也是关键一步，其好坏直接影响了后期分类结果的准确性、可靠性以及稳定性。

在对高光谱图像反射率反演方面，传统上的方法大多针对卫星高光谱图像，随着高光谱成像技术的发展与普及，高光谱仪也被广泛应用于日常生活中。相较于航天卫星采集高光谱图像，地面高光谱设备的采集环境更加多样，即便相同的样本在不同的环境下采集高光谱图像，其辐射强度信息也会有所不同，因此，发明一种操作简单、准确高效的将原始高光谱图像中的辐射强度信息归一化为反射率的方法，在不同的环境中也能得到相同的目标本征反射率信息从而消除不同环境对图像识别分类的影响是非常必要的。

针对上述需求，目前现有技术中多采用以下的公式求高光谱图像的反射率：

式中I_o表示原始高光谱图像数据，I_b表示CCD的暗噪声，I_w表示通过标准反射率板校正后的光照强度，R_c表示经过反射率反演标准化后的高光谱图像。

但是，现有技术中求得高光谱图像的反射率的方法存在缺陷，得到的高光谱图像的反射率误差较大，缺陷主要体现在以下两方面：

1、目前现有技术中多采用遮盖镜头的方式采集暗噪声I_b，由于暗噪声受电流波动温度等到因素影响而不断变化，这种方法得到的暗噪声必定误差较大；

2、对于I_w的获取目前也没有统一的校正方法。

综上两点，使用现有技术中求得高光谱图像的反射率的方法所得到的结果误差较大。

因此，急需设计一种能够更为准确地评价高光谱图像噪声的方法和一种高光谱图像噪声反射率反演方法以及一种高光谱图像分析装置。

发明内容

有鉴于此，为了解决现有的高光谱图像中噪声的评估误差大的问题，本发明提供一种噪声评价方法，其包括如下步骤：

步骤S1，采集样本与放置在所述样本两侧的标准反射率板的高光谱图像；

步骤S2，将同一成像区域的噪声近似点归类；

步骤S3，计算出高光谱图像中每个点的噪声近似值。

较佳地，步骤S3中的高光谱图像中每个点的噪声近似值计算公式为：

其中，g1，g2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的真实灰度值，ref1，ref2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的反射率值，f1，f2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的DN值，h代表高光谱图像中像元对应的噪声畸变值。

本发明提供一种反射率反演方法，其包括如下步骤：

步骤S11，获取通过噪声评价方法得到的高光谱图像中的点所对应的噪声近似值；

步骤S12，计算得到每个点对应的实际亮度；

步骤S13，计算各个点的反射率。

较佳地，步骤S13中反射率的计算公式为：

其中，ref代表高光谱图像中像元对应的反射率值，f代表高光谱图像中像元对应的DN值，h代表高光谱图像中像元对应的噪声畸变值。

本发明提供一种图像分析装置，其包括高光谱图像采集装置和高光谱图像处理装置，高光谱图像采集装置和高光谱图像处理装置连接；

所述高光谱图像采集装置包括：样本台、标准反射率板、高光谱仪、转台和照明系统，所述样本台放置于所述转台上，所述样本台的两侧分别放置所述标准反射率板；

所述高光谱图像处理装置用于执行噪声评价方法和反射率反演方法。

较佳地，所述样本台为具有灰度值的漫散射表面平板。

较佳地，所述转台、所述高光谱仪分别与计算机连接，所述计算机用于构建自动转速匹配模型，并实时调整所述转台转速。

较佳地，在高光谱仪镜头前倾斜放置平面反射镜，所述平面反射镜角度能够进行调节。

较佳地，所述高光谱仪为推扫式成像高光谱仪，所述照明系统为溴钨灯光源。

较佳地，所述样本台两侧分别留有凹槽，所述凹槽内用于放置所述标准反射率板，所述凹槽深度或所述标准反射率板的高度能够调节，所述标准反射率板的数量为两个。

与现有技术比较本发明的有益效果在于：

本发明提供了一种噪声评价方法，通过该方法能够求解出图像各个点的噪声近似值；本发明还提供一种反射率反演方法，相比采用暗噪声进行反射率反演的方法，本发明中的反射率反演方法精度更高，效率更高。本发明还提供一种图像分析装置。该装置能够减小图像高光谱图像采集过程中光照不均匀对成像质量的影响，该图像分析装置能够求解出图像各个点的噪声近似值，并据此反演得到高光谱图像的反射率，相比采用暗噪声进行反射率反演的方法，本发明图像分析装置所达到的精度更高，且标准反射率板的高光谱数据可与样本一起采集得到，减少了测量系统暗噪声的环节，故而本图像分析装置能够更加方便地、高效地执行噪声评价和反射率反演过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明中噪声评价方法的流程示意图；

图2位本发明中反射率反演方法的流程示意图；

图3位本发明中高光谱图像采集装置的结构示意图。

附图标记：

样本1、样本台2、标准反射率板3和凹槽4。

具体实施方式

以下结合附图，对本发明上述的和另外的技术特征和优点作更详细的说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接或彼此可通讯；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本发明实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本发明。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本发明的描述。

在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

本发明提供一种图像分析装置，其包括高光谱图像采集装置和高光谱图像处理装置，高光谱图像采集装置和高光谱图像处理装置连接。

高光谱图像采集装置包括：样本1、样本台2、标准反射率板3、高光谱仪、转台和照明系统。样本1放置于样本台2上，样本台2放置于转台上，样本台2的两侧分别放置标准反射率板3。标准反射率板3的高度能够调节。

标准反射率板3的数量优选为两个。

如图1所示，优选地，样本台2为具有灰度值的漫散射表面平板，使用具有灰度值的漫散射表面平板的有益效果在于：可减少样本台2的反光对高光谱仪成像过程的影响。进一步，采用反射率在50％左右漫散射表面样本台2，能够避免样本台2表面反射光影响。

优选地，样本台2两侧分别留有凹槽4，凹槽4内用于放置标准反射率板3，同时凹槽4深度可调节，从而能够适配不同的样本1或标准反射率板3，以保证样本1表面与标准反射率板3表面在同一焦平面，使得成像时标准反射率板3与样本1处在焦平面内。

优选地，转台为椭圆形转台，样本台2放在椭圆形转台上，转台转速0.0005-0.05m/s，转台运动过程平稳，转动过程中上下振幅小于1mm，从而保证高光谱仪能够稳定准确的采集得到样本1的高光谱图像。转台和高光谱仪分别与计算机连接，计算机将转台转速与高光谱仪相机的积分时间进行匹配。通过计算机实现转台转速自动调节。其有益效果在于：转台、高光谱仪与计算机相互通讯，根据高光谱仪的积分时间，构建自动转速匹配模型，实时调整转台转速，避免成像过程中信息丢失或拉长。

优选地，高光谱仪采用推扫式成像高光谱仪，成像波段为可见光波段。根据推扫式成像高光谱仪的成像原理，优化噪声评价模型，利用两块已经标定好的标准反射率板3，可获得高光谱图像中每个点对应的噪声近似值，并据此进行高光谱图像反射率的反演。

优选地，照明系统采用高功率的溴钨灯光源。由于高光谱仪采用推扫式成像高光谱仪，其成像波段为可见光波段，因此，照明系统的光源采用高功率的溴钨灯光源。

在成像高光谱仪镜头前3cm处倾斜放置一块平面镜，平面镜角度与照明系统光源角度均可调，可根据样本1表面形貌特征调整平面镜与光源角度，从而使高光谱图像中的阴影面积最小。放置平面镜的有益效果在于：在成像高光谱仪前加装角度可调平面反射镜，可根据所测样本1的三维形态调节反射镜角度与光源入射角度，使得高光谱图像中样本处在阴影中的面积尽可能小。

高光谱图像处理装置用于执行高光谱图像噪声评价方法和高光谱图像反射率反演方法。

如图2所示，所述高光谱图像噪声评价方法包括：

步骤S1，采集样本1与标准反射率板3的高光谱图像；

步骤S2，将同一成像区域的噪声近似点归类；

步骤S3，计算出高光谱图像中每个点的噪声近似值。

据此根据下面的公式可以求出高光谱图像中每个点的噪声近似值。

其中，g1，g2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的真实灰度值，ref1，ref2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的反射率值，f1，f2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的DN值，h代表高光谱图像中像元对应的噪声畸变值。下标1代表第一块标准反射率板，下标2代表第二块标准反射率板。

高光谱图像可定义为一个三维函数f(x，y，z)，其中x和y是空间(平面)坐标，z是光谱(波段)坐标。且任何坐标(x，y，z)处的幅度f称为高光谱图像在这一点的亮度。对于高光谱图像中每一点的亮度有：

f(x，y，z)＝g(x，y，z)+η(x，y，z)

其中g(x，y，z)代表图像中(x，y，z)点所对于的样本点的真实亮度，η(x，y，z)代表图像中(x，y，z)点的噪声。

高光谱仪成像过程中，样本1跟随转台平滑移动，从而使视场线缓慢扫描待测样本。令x方向为高光谱仪的扫描方向，y方向为视场线方向，固定y的值，对任意的x所成的线上的点对应高光谱仪感光芯片同一成像区域，这些点的噪声高度相似，故而认为这些点的噪声相等，固定x的值，对任意的y所成的视场线中每一点对应高光谱仪感光芯片中不同的成像区域，这些点的噪声区别较大，不做近似处理。据此根据下面的公式可以求出高光谱图像中每个点的噪声近似值。

其中，ref表示标准反射率板的反射率(已经过标定获得)，求解上述方程组可的：

如上公式中所有参数都已知故，可由此得到高光谱图像中不同坐标值所对应的点的噪声近似值。

本发明中所述的高光谱图像噪声评价方法结合高光谱仪成像原理，认为成像芯片中相同感光区域所成的像的噪声相同，并以两块标准反射率板为基准，推导得到高光谱噪声评价公式，标准反射率板的数据已经经过严格标定，评价公式中所有参数均已知，可根据噪声评价公式获得图像每个点的噪声的具体值，并据此进行图像反射率反演。本发明中所述的高光谱图像噪声评价方法解决了高光谱图像系统噪声难以准确评价的问题，相对于通过测量暗噪声来替代系统噪声的方法，本发明中所述的高光谱图像噪声评价方法具有一次测量并可准确、能够快速得到图像系统噪声的优点。

如图3所示，所述高光谱图像反射率反演方法包括：

步骤S11，获取通过所述高光谱图像噪声评价方法得到的高光谱图像中的点所对应的噪声近似值；

步骤S12，计算得到每个点对应的实际亮度；

步骤S13，计算各个点的反射率。

步骤S13中反射率的计算公式为：

其中，ref代表高光谱图像中像元对应的反射率值，f代表高光谱图像中像元对应的DN值，h代表高光谱图像中像元对应的噪声畸变值。

光照环境的改变也会带来高光谱图像中点的亮度的变化，如果能够根据高光谱图像反演出样本1的反射率则可以排除不同光照环境的影响，同时图像原本亮度值分布在0-5000，反射率反演后所有点的亮度都被限制在0-1，反射率反演的同时也对图像进行了归一化。因此反射率反演是高光谱图像处理的首要也是基础，反演的准确度直接影响后期图像处理的结果。

通过所述高光谱图像噪声评价方法，能够得到高光谱图像中的点所对应的噪声近似值，进而求出每个点对应的实际亮度，最后根据下面的公式求解得到各个点的反射率。

使用本发明图像分析装置时，首先观察样本的三维结构与颜色特征，然后，调节硬件系统的参数，其包括：调节样本1和标准反射率板3的高度、调节成像高光谱仪的积分时间以及调节光源角度和平面镜角度。进一步，采集样本1与标准反射率板3的高光谱图像，并标定好标准反射率板3各个波段的反射曲线；之后建立高光谱图像噪声评价模型；最后，根据噪声评价结果，继续进行高光谱图像反演。

本发明图像分析装置能够减小图像高光谱图像采集过程中光照不均匀对成像质量的影响，该图像分析装置采用两块标准反射率板，能够求解出图像各个点的噪声近似值，并据此反演得到高光谱图像的反射率，相比采用暗噪声进行反射率反演的方法，本发明图像分析装置所达到的精度更高，且标准反射率板的高光谱数据可与样本一起采集得到，减少了测量系统暗噪声的环节，故而本图像分析装置能够更加方便地、高效地执行噪声评价和反射率反演过程。

以上所述实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种噪声评价方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S1，采集样本与放置在所述样本两侧的标准反射率板的高光谱图像；

步骤S2，将同一成像区域的噪声近似点归类；

步骤S3，计算出高光谱图像中每个点的噪声近似值；

步骤S3中的高光谱图像中每个点的噪声近似值计算公式为：

其中，g1，g2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的真实灰度值，ref1，ref2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的反射率值，f1，f2代表两块标准反射率板的高光谱图像中对应像元的DN值，h代表高光谱图像中像元对应的噪声畸变值。

2.一种反射率反演方法，其特征在于，其包括如下步骤：

步骤S11，获取通过如权利要求1所述的噪声评价方法得到的高光谱图像中的点所对应的噪声近似值；

步骤S12，计算得到每个点对应的实际亮度；

步骤S13，计算各个点的反射率；

步骤S13中反射率的计算公式为：

其中，ref代表高光谱图像中像元对应的反射率值，f代表高光谱图像中像元对应的DN值，h代表高光谱图像中像元对应的噪声畸变值。

3.一种图像分析装置，其特征在于，其包括高光谱图像采集装置和高光谱图像处理装置，高光谱图像采集装置和高光谱图像处理装置连接；

所述高光谱图像采集装置包括：样本台、标准反射率板、高光谱仪、转台和照明系统，所述样本台放置于所述转台上，所述样本台的两侧分别放置所述标准反射率板；

所述高光谱图像处理装置用于执行如权利要求1所述的噪声评价方法和如权利要求2所述的反射率反演方法。

4.如权利要求3所述的图像分析装置，其特征在于，所述样本台为具有灰度值的漫散射表面平板。

5.如权利要求3所述的图像分析装置，其特征在于，所述转台、所述高光谱仪分别与计算机连接，所述计算机用于构建自动转速匹配模型，并实时调整所述转台转速。

6.如权利要求3所述的图像分析装置，其特征在于，在高光谱仪镜头前倾斜放置平面反射镜，所述平面反射镜角度能够进行调节。

7.如权利要求3所述的图像分析装置，其特征在于，所述高光谱仪为推扫式成像高光谱仪，所述照明系统为溴钨灯光源。

8.如权利要求3所述的图像分析装置，其特征在于，所述样本台两侧分别留有凹槽，所述凹槽内用于放置所述标准反射率板，所述凹槽深度或所述标准反射率板的高度能够调节，所述标准反射率板的数量为两个。

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