CN111383280A - 一种空间遥感tdiccd相机非均匀性校正方法及装置 - Google Patents

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CN111383280A CN201811636122.4A CN201811636122A CN111383280A CN 111383280 A CN111383280 A CN 111383280A CN 201811636122 A CN201811636122 A CN 201811636122A CN 111383280 A CN111383280 A CN 111383280A
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石俊霞
韩诚山
薛旭成
李洪法
吕恒毅
刘海龙
李祥之
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Abstract

本发明涉及成像技术领域，具体涉及一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法及装置，本发明的实施例中提供了一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法及装置，简化校正步骤同时提高校正精度；本发明的实施例不区分通道内像元的非均匀性和通道间像元的非均匀性，对所有图像像元进行统一校正，简化了步骤，另外，本发明的实施例在十个不同亮度下对遥感TDICCD相机进行标定，能全面的覆盖CCD的光电响应区间，同时，采用二次非线性校正可以有效地提高像元非均匀性的校正精度，提高遥感TDICCD相机的成像质量。

Description

一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法及装置
技术领域
本发明涉及成像技术领域，具体涉及一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法及装置。
背景技术
像元非均匀性是评价遥感TDICCD相机图像质量的一项重要指标。空间遥感相机像元非均匀性是指在相同的光照条件下，各个像元响应的不一致性，直接表现在各个像元输出的图像灰度值不一样。空间遥感相机像元非均匀性包括通道内像元非均匀性、通道间像元非均匀性和CCD片间像元非均匀性。产生通道内像元非均匀性的最主要原因是探测器的像元非均匀性噪声和暗电流噪声，以及探测器多谱段间的串扰；而通道间和片间像元非均匀性则是由驱动电路，视频处理电路和探测器芯片的差异导致。无论是通道内、通道间还是片间像元非均匀性，体现在图像上都是图像灰度的不一致性。空间遥感TDICCD相机的图像非均匀性校正基本都采用基于辐射定标的方法，也就是使用均匀辐射光对相机进行标定，计算校正参数，存储在相机内部，实际成像时根据校正参数对图像数据进行运算，即地面标定，星上运算。目前辐射标定一般采用两点法获得图像，即在暗场和亮场分别获取一幅图像，进行线性拟合计算校正参数，星上根据计算所得校正参数进行像元非均匀性线性校正。
传统的非均匀性校正方法区分通道间校正和通道内校正，首先获得通道间不均匀性参数，利用相机模拟增益来对通道间不均匀性进行校正，在此基础上再进行通道内定标，一般多片TDICCD拼接相机通道内标定采用两点法，因为两点法操作较为简单，但其前提是CCD的光电响应呈良好线性，而实际的CCD 光电响应并非线性，特别是在近饱和区域呈现明显的非线性，因此，两点法校正存在较大误差。另外，在参数拟合时，传统方法是采用线性拟合，其优点是方法简单，参数数据量小，星上运算量较小，但线性拟合的缺点是只能在部分亮度下获得较好地校正效果，在大多数亮度下对图像非均匀性仅能起到稍改善作用。
鉴于此，克服以上现有技术中的缺陷，提供一种新的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法及装置成为本领域亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的上述缺陷，提供一种空间遥感TDICCD 相机非均匀性校正方法及装置。
本发明的目的可通过以下的技术措施来实现：
本发明体供了一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法，该方法包括：
通过辐射定标采集多个不同亮度下的图像，针对每一个亮度下的图像获取当前图像像元的灰度值；
建立校正后图像像元的灰度值与当前图像像元的灰度值的二次非线性预设策略，所述二次非线性预设策略中包含多个校正参数；
根据所述二次非线性预设策略及校正后图像像元的灰度值的一致性，计算所述校正参数；
根据所述校正参数的计算结果和所述二次非线性预设策略进行非均匀性校正并输出校正后图像。
优选地，所述二次非线性预设策略为：
Figure RE-GDA0001978442530000021
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000022
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000023
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA0001978442530000024
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000025
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。
优选地，所述校正参数包括qi、gi、oi。
优选地，“根据所述二次非线性预设策略及校正后图像像元的灰度值的一致性，计算所述校正参数”的步骤包括：
建立每一个校正后图像像元的灰度值与多个校正后图像像元的灰度值的平均值的关系方程；
结合所述二次非线性预设策略和所述关系方程获得拟合方程，采用在最小二乘法拟合所述校正参数。
优选地，“建立每一个校正后图像像元的灰度值与校正后图像像元的灰度值的平均值的关系方程”的步骤中，所述关系方程为：
Figure RE-GDA0001978442530000031
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000032
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000033
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA0001978442530000034
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，L代表图像行数，N代表每行图像像元总数，
Figure RE-GDA0001978442530000035
表示第l行中n个图像像元的灰度值。
优选地，“结合所述二次非线性预设策略和所述关系方程获得拟合方程，采用在最小二乘法拟合所述校正参数”的步骤中，所述拟合方程为：
Figure RE-GDA0001978442530000036
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000037
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，
Figure RE-GDA0001978442530000038
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000039
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。
本发明还提供了一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正装置，该装置包括：
图像获取模块，用于通过辐射定标采集多个不同亮度下的图像，针对每一个亮度下的图像获取当前图像像元的灰度值；
预设策略建立模块，用于建立校正后图像像元的灰度值与当前图像像元的灰度值的二次非线性预设策略，所述二次非线性预设策略中包含多个校正参数；
计算模块，用于根据所述二次非线性预设策略及校正后图像像元的灰度值的一致性，计算所述校正参数；
校正模块，用于根据所述校正参数的计算结果和所述二次非线性预设策略进行非均匀性校正；
图像输出模块，用于输出非均匀性校正后的图像。
优选地，所述二次非线性预设策略为：
Figure RE-GDA0001978442530000041
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000042
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000043
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA0001978442530000044
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000045
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子，所述校正参数包括qi、gi、oi。
优选地，所述计算模块包括：
建立关系方程模块，用于建立每一个校正后图像像元的灰度值与多个校正后图像像元的灰度值的平均值的关系方程，所述关系方程为：
Figure RE-GDA0001978442530000046
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000047
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000048
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA0001978442530000049
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，L代表图像行数，N代表每行图像像元总数，
Figure RE-GDA00019784425300000410
表示第l行中n个图像像元的灰度值；
拟合模块，用于结合所述二次非线性预设策略和所述关系方程获得拟合方程，采用在最小二乘法拟合所述校正参数，所述拟合方程为：
Figure RE-GDA00019784425300000411
其中，
Figure RE-GDA00019784425300000412
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，
Figure RE-GDA00019784425300000413
表示亮度
Figure RE-GDA00019784425300000414
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。
优选地，该装置包括：存储模块，用于存储所述校正参数的计算结果。
本发明的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法及装置在不同亮度下对遥感TDICCD相机进行标定，能全面的覆盖CCD的光电响应区间，同时，采用二次非线性校正可以有效地提高像元非均匀性的校正精度，提高遥感TDICCD 相机的成像质量。
附图说明
图1是本发明的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法的第一种实施例的流程图；
图2是本发明的实施例中非均匀性校正前的一幅图像；
图3是图2局部放大细节图；
图4是本发明的实施例中非均匀性校正前十个亮度下图像像元灰度分布情况；
图5是本发明的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法的第二种实施例的流程图；
图6是本发明的实施例中非均匀性校正后的一幅图像；
图7是本发明的实施例中非均匀性校正后十个亮度下图像像元灰度分布情况；
图8是本发明的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正装置的框图；
图9本发明的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正装置结构示意图；
图10是本发明的实施例中图像非均匀性校正的数据流程图。
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。
本发明的实施例提供了一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法及装置，简化校正步骤同时提高校正精度；本发明的实施例不区分通道内像元的非均匀性和通道间像元的非均匀性，对所有图像像元进行统一校正，简化了步骤，另外，本发明的实施例在十个不同亮度下对遥感TDICCD相机进行标定，能全面的覆盖CCD的光电响应区间，同时，采用二次非线性校正可以有效地提高像元非均匀性的校正精度，提高遥感TDICCD相机的成像质量。
图1示出了一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法，该方法包括：
步骤S1：通过辐射定标采集多个不同亮度下的图像，针对每一个亮度下的图像获取当前图像像元的灰度值。
在本实施例中，从暗场到近饱和选取共十个亮度，采集该十个亮度下的相机图像，较全面地覆盖了CCD的光电响应区间。请参见图2和图3，图2示出了其中一个亮度下的一幅图像，该图像为非均匀性校正前的图像，图3是该图像的局部放大细节图，可明显看到图像灰度的不均匀性。针对这十个亮度下的相机图像获取对应图像像元的灰度值，请参见图4，图4为非均匀性校正前十个亮度下图像像元灰度分布情况。
步骤S2：建立校正后图像像元的灰度值与当前图像像元的灰度值的二次非线性预设策略，二次非线性预设策略中包含多个校正参数。
进一步地，二次非线性预设策略为：
Figure RE-GDA0001978442530000061
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000062
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000063
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA0001978442530000064
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000065
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。校正参数包括qi、gi、oi。
步骤S3：根据二次非线性预设策略及校正后图像像元的灰度值的一致性，计算校正参数。
进一步地，请参见图5，步骤S3还包括如下步骤：
步骤S31：建立每一个校正后图像像元的灰度值与多个校正后图像像元的灰度值的平均值的关系方程；
进一步地，在均匀光照下，每一个校正后图像像元的灰度值均一致，多个校正后图像像元的灰度值的计算公式为：
Figure RE-GDA0001978442530000071
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000072
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000073
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA0001978442530000074
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，L代表图像行数，N代表每行图像像元总数，
Figure RE-GDA0001978442530000075
表示第l 行中n个图像像元的灰度值。因此，得到上述关系方程为：
Figure RE-GDA0001978442530000076
Figure RE-GDA0001978442530000077
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000078
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000079
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA00019784425300000710
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，L代表图像行数，N代表每行图像像元总数，
Figure RE-GDA00019784425300000711
表示第l行中n个图像像元的灰度值。
步骤S32：结合二次非线性预设策略和关系方程获得拟合方程，采用在最小二乘法拟合校正参数；
进一步地，拟合方程为：
Figure RE-GDA00019784425300000712
其中，
Figure RE-GDA00019784425300000713
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，
Figure RE-GDA00019784425300000714
表示亮度
Figure RE-GDA00019784425300000715
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。
在本实施例中，采用可调亮度的积分球作为光源进行辐射定标，在进行均匀光辐射定标时，在十个亮度
Figure RE-GDA00019784425300000716
下，得到方程组：
Figure RE-GDA0001978442530000081
采用在最小二乘法拟合获得校正参数：qi、gi、oi。
步骤S4：根据校正参数的计算结果和二次非线性预设策略进行非均匀性校正并输出校正后图像。
具体地，遥感TDICCD相机正常运行时，根据校正参数的计算结果以及二次非线性预设策略对采集的图像进行非线性校正，获得均匀性良好的图像并输出校正后的图像。请参见图6和，图6为非均匀性校正后的图像，图像灰度的不均匀性得到明显改善。非均匀性校正后十个亮度下图像像元灰度分布情况如图7所示。经试验验证，采用本发明方法可以使相机图像像元非均匀性降低到 0.3％以下，说明采用二次非线性校正可以有效地提高像元非均匀性的校正精度，提高遥感TDICCD相机的成像质量。
本发明的另一方面提供了一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正装置，请参见图8，该装置包括：
图像获取模块10，用于通过辐射定标采集多个不同亮度下的图像，针对每一个亮度下的图像获取当前图像像元的灰度值；
预设策略建立模块20，用于建立校正后图像像元的灰度值与当前图像像元的灰度值的二次非线性预设策略，二次非线性预设策略中包含多个校正参数；
计算模块30，用于根据二次非线性预设策略及校正后图像像元的灰度值的一致性，计算校正参数；
校正模块40，用于根据校正参数的计算结果和二次非线性预设策略进行非均匀性校正；
图像输出模块50，用于输出非均匀性校正后的图像。
进一地，二次非线性预设策略为：
Figure RE-GDA0001978442530000091
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000092
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000093
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA0001978442530000094
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000095
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子，校正参数包括qi、gi、oi。
进一步地，计算模块30包括：建立关系方程模块31和拟合模块32；
建立关系方程模块31，用于建立每一个校正后图像像元的灰度值与多个校正后图像像元的灰度值的平均值的关系方程，该关系方程为：
Figure RE-GDA0001978442530000096
其中，
Figure RE-GDA0001978442530000097
表示亮度
Figure RE-GDA0001978442530000098
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure RE-GDA0001978442530000099
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，L代表图像行数，N代表每行图像像元总数，
Figure RE-GDA00019784425300000910
表示第l行中n个图像像元的灰度值；
拟合模块32，用于结合上述二次非线性预设策略和上述关系方程获得拟合方程，采用在最小二乘法拟合校正参数，拟合方程为：
Figure RE-GDA00019784425300000911
其中，
Figure RE-GDA00019784425300000912
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，
Figure RE-GDA00019784425300000913
表示亮度
Figure RE-GDA00019784425300000914
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。
进一步地，该装置包括：存储模块60，用于存储校正参数的计算结果。
在本实施例中，请参见图9，该装置包括：设于真空罐1中的遥感TDICCD相机2、与遥感TDICCD相机2分别通信连接的仿星设备3和快视设备4、为遥感TDICCD相机2提供可调亮度光源的积分球5。将遥感TDICCD相机2放置在真空罐1中，可保证试验结果精确可靠，仿星设备3用于模拟卫星向遥感TDICCD 相机2发送指令及数据，快视设备4用于获取图像并采集图像数据。具体地，请参见图10，图10示出了图像非均匀性校正的数据流程，计算模块30拟合得到的校正参数录入到遥感TDICCD相机2的焦面处理FPGA中，通过焦面处理 FPGA写入EEPROM中，遥感TDICCD相机2正常运行时，焦面处理FPGA接收图像数据的同时读取EEPROM中的校正参数，进行二次非线性非均匀性校正并输出校正后图像。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法，其特征在于，该方法包括：
通过辐射定标采集多个不同亮度下的图像，针对每一个亮度下的图像获取当前图像像元的灰度值；
建立校正后图像像元的灰度值与当前图像像元的灰度值的二次非线性预设策略，所述二次非线性预设策略中包含多个校正参数；
根据所述二次非线性预设策略及校正后图像像元的灰度值的一致性，计算所述校正参数；
根据所述校正参数的计算结果和所述二次非线性预设策略进行非均匀性校正并输出校正后图像。
2.根据权利要求1所述的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法，其特征在于，所述二次非线性预设策略为：
Figure FDA0001930090120000011
其中，
Figure FDA0001930090120000012
表示亮度
Figure FDA0001930090120000013
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure FDA0001930090120000014
表示亮度
Figure FDA0001930090120000015
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。
3.根据权利要求2所述的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法，其特征在于，所述校正参数包括qi、gi、oi。
4.根据权利要求3所述的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法，其特征在于，“根据所述二次非线性预设策略及校正后图像像元的灰度值的一致性，计算所述校正参数”的步骤包括：
建立每一个校正后图像像元的灰度值与多个校正后图像像元的灰度值的平均值的关系方程；
结合所述二次非线性预设策略和所述关系方程获得拟合方程，采用在最小二乘法拟合所述校正参数。
5.根据权利要求4所述的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法，其特征在于，“建立每一个校正后图像像元的灰度值与校正后图像像元的灰度值的平均值的关系方程”的步骤中，所述关系方程为：
Figure FDA0001930090120000021
其中，
Figure FDA0001930090120000022
表示亮度
Figure FDA0001930090120000029
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure FDA0001930090120000023
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，L代表图像行数，N代表每行图像像元总数，
Figure FDA0001930090120000024
表示第l行中n个图像像元的灰度值。
6.根据权利要求5所述的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正方法，其特征在于，“结合所述二次非线性预设策略和所述关系方程获得拟合方程，采用在最小二乘法拟合所述校正参数”的步骤中，所述拟合方程为：
Figure FDA0001930090120000025
其中，
Figure FDA0001930090120000026
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，
Figure FDA0001930090120000027
表示亮度
Figure FDA0001930090120000028
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。
7.一种空间遥感TDICCD相机非均匀性校正装置，其特征在于，该装置包括：
图像获取模块，用于通过辐射定标采集多个不同亮度下的图像，针对每一个亮度下的图像获取当前图像像元的灰度值；
预设策略建立模块，用于建立校正后图像像元的灰度值与当前图像像元的灰度值的二次非线性预设策略，所述二次非线性预设策略中包含多个校正参数；
计算模块，用于根据所述二次非线性预设策略及校正后图像像元的灰度值的一致性，计算所述校正参数；
校正模块，用于根据所述校正参数的计算结果和所述二次非线性预设策略进行非均匀性校正；
图像输出模块，用于输出非均匀性校正后的图像。
8.根据权利要求7所述的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正装置，其特征在于，所述二次非线性预设策略为：
Figure FDA0001930090120000031
其中，
Figure FDA0001930090120000032
表示亮度
Figure FDA0001930090120000033
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure FDA0001930090120000034
表示亮度
Figure FDA0001930090120000035
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子，所述校正参数包括qi、gi、oi。
9.根据权利要求8所述的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正装置，其特征在于，所述计算模块包括：
建立关系方程模块，用于建立每一个校正后图像像元的灰度值与多个校正后图像像元的灰度值的平均值的关系方程，所述关系方程为：
Figure FDA0001930090120000036
其中，
Figure FDA0001930090120000037
表示亮度
Figure FDA0001930090120000038
下非均匀校正后图像像元i的灰度值，
Figure FDA0001930090120000039
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，L代表图像行数，N代表每行图像像元总数，
Figure FDA00019300901200000310
表示第l行中n个图像像元的灰度值；
拟合模块，用于结合所述二次非线性预设策略和所述关系方程获得拟合方程，采用在最小二乘法拟合所述校正参数，所述拟合方程为：
Figure FDA00019300901200000311
其中，
Figure FDA00019300901200000312
表示校正后图像像元的灰度值的平均值，
Figure FDA00019300901200000313
表示亮度
Figure FDA00019300901200000314
下非均匀性校正前图像像元i的灰度值，qi为二次因子，gi为一次因子，oi为偏置因子。
10.根据权利要求7所述的空间遥感TDICCD相机非均匀性校正装置，其特征在于，该装置包括：存储模块，用于存储所述校正参数的计算结果。
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