CN112200825B - 一种基于贝尔编码图像的空间目标光度反演方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种基于贝尔编码图像的空间目标光度反演方法，属于空间目标光度特征测量与反演技术领域，解决了贝尔编码相机带外响应的干扰问题。包括以下步骤：步骤一、建立贝尔编码相机辐射传递矩阵；步骤二、贝尔编码图像插值还原；步骤三、空间目标分割提取，剔除无效的图像背景；步骤四、空间目标光度数据解算，利用辐射矩阵逆向求解得到目标的辐亮度特征，代入相机的基本参数，反演计算得到目标的光度信息。本发明实现了基于贝尔编码相机拍摄的空间目标图像定量反演空间目标光度，提升了贝尔编码相机在空间目标观测领域的应用能力。

Description

一种基于贝尔编码图像的空间目标光度反演方法

技术领域

本发明属于空间目标光度特征测量与反演技术领域，特别是涉及一种基于贝尔编码图像的空间目标光度反演方法

背景技术

随着航天技术的发展和经济社会对航天资源与日俱增的依赖，人造空间目标的数量逐年递增，如何利用目标多维度特征实现空间资产的运行维护与安全管理成为热点研究方向。光度特征是空间目标的重要物理特征之一，能在一定程度上反映目标的尺寸、形状、类别、表面材质、姿态及运行状态等特征，可以用于空间目标的辅助识别。利用相机拍摄空间目标，并根据获取的图像进行光度反演计算是获取空间目标光度特性最有效且应用最广泛的方法。

目前，空间目标光度反演方法仅适用于全色图像，该方法主要是利用拍摄相机的辐射定标系数较为直接的解算目标光度信息。与全色图像相比，贝尔编码图像主要有两方面区别，一是贝尔编码图像存在颜色像素缺失，单独一个通道的数据不能构成一幅完整的彩色图像；二是获取贝尔编码图像的贝尔编码相机往往存在带外响应，即相机R、G、B三通道探测器在相互的谱段范围内具有一定的带外响应，导致获取的单通道图像所表示的空间目标光度混叠了另外两个通道的光度信息，三个通道的信息也无法直接合并为空间目标在可见光波段内的光度信息。由于上述原因，针对全色图像的空间目标光度反演方法不适用于贝尔编码图像，限制了贝尔编码相机在空间目标光度测量领域的应用。

因此，研究基于贝尔图像的空间目标光度反演方法可拓展贝尔编码相机在空间目标观测领域的应用范围，具有重要的理论意义和实用价值。

发明内容

本发明的目的是突破传统光度反演方法仅适用于全色图像的局限性，提供一种基于贝尔编码图像的空间目标光度反演方法，通过构建贝尔编码相机辐射传递矩阵的方法，实现了基于贝尔编码图像的空间目标反演目标光度信息。

本发明是通过以下技术方案实现的，一种基于贝尔编码图像的空间目标光度反演方法，所述方法包括以下步骤：

步骤一、建立贝尔编码相机辐射传递矩阵：测量贝尔编码相机的三个不同通道的光谱响应，确立三个通道的谱段带宽区间，建立辐射传递矩阵；

步骤二、贝尔编码图像插值还原：利用插值方法恢复所拍摄空间目标原始数据中缺失像素的DN值，以获得三个通道的图像数据；

步骤三、空间目标分割提取：采用阈值分割方法分别从三个通道中提取得到表示空间目标光度信息的像素，剔除无效的图像背景；

步骤四、空间目标光度数据解算：利用辐射矩阵逆向求解得到空间目标的辐亮度特征；根据相机的基本参数，通过反演计算得到目标的光度信息。

进一步地，所述步骤一中，拍摄空间图像的相机采用贝尔编码模式探测器，相机输出含有R、G、B三个通道的贝尔编码图像；其中R、G、B三个通道光谱带宽分别为λ₁、λ₂、λ₃，R、G、B三个通道的谱段带宽为可连续且不重叠覆盖的可见光波段。

进一步地，所述步骤一中，采用光谱定标装置测量相机R、G、B三个通道的光谱响应，建立相机R、G、B三个通道内像素输出DN值与拍摄目标辐亮度的关系，即：

其中，(i，j)为探测器像素坐标，DN_R(i,j)、DN_G(i,j)、DN_B(i,j)分别为探测器R、G、B三个通道在(i，j)像素坐标处输出图像的DN值，L_(i,j)(λ₁)、L_(i,j)(λ₂)、L_(i,j)(λ₃)分别为光谱定标光源在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的积分辐亮度；κ_R(λ₁)、κ_R(λ₂)、κ_R(λ₃)为探测器R通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数，由光谱定标装置测量获取；κ_G(λ₁)、κ_G(λ₂)、κ_G(λ₃)为探测器G通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数，由光谱定标装置测量获取；κ_B(λ₁)、κ_B(λ₂)、κ_B(λ₃)为探测器B通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数，由光谱定标装置测量获取。

进一步地，所述步骤一中，利用光谱响应系数构建辐射传递矩阵，即：

其中K为辐射传递矩阵；

贝尔编码相机R、G、B三个通道的输出与拍摄目标辐亮度的关系由辐射传输矩阵表示为：

进一步地，所述步骤二中，采用双线性插值方法恢复R、G、B三个通道缺失的像素，其中，R通道分量还原公式为：

G通道分量还原公式为：

B通道分量还原公式为：

进一步地，所述步骤三中，采用阈值分割方法分别提取R、G、B三个通道的目标像素，具体为：

DN_1(i,j)为经过阈值分割后的(i,j)像素位置处的DN值；DN_(i,j)为(i,j)像素位置处的DN值；T为设定的阈值。

进一步地，所述T求解具体为：贝尔编码图像某一通道的像元总数目为P，像素DN值大于或等于阈值T的像元个数为P₁，μ₁为像元个数为P₁时的平均灰度值；像素DN值小于阈值T的像元个数为P₀，μ₀为像元个数为P₀时其平均灰度值，则有：

ν＝P₁/P×P₀/P×(μ₁-μ₀)²

其中ν为图像的最大类间方差；采用遍历的方法在使ν为最大值时，对应的阈值T即为所求分割阈值。

进一步地，所述步骤四中，目标光度采用视星等进行表述，空间目标光度利用阈值分割处理后的空间目标图像可反演计算得到，具体为：

利用辐射传输逆矩阵，求解目标在R、G、B三个通道对应谱段带宽内的辐亮度，即：

其中，L_1(i,j)(λ₁)、L_1(i,j)(λ₂)和L_1(i,j)(λ₃)分别为目标在三个通道对应λ₁、λ₂、λ₃谱段带宽内的辐亮度；DN_1R(i,j)、DN_1G(i,j)和DN_1B(i,j)分别为空间目标R、G、B三个通道经过阈值分割处理后的图像DN值；K^-1为辐射传递矩阵K的逆矩阵，K^*为辐射传递矩阵K的伴随矩阵；

光瞳照度计算：代入相机焦距和像元尺寸参数，通过积分将目标辐射亮度转换为相机光瞳照度，即：

E_obj＝E(λ₁)+E(λ₂)+E(λ₃)

其中，d为相机探测器像元尺寸，f为相机焦距，m和n分别为相机探测器像元行数和列数，E(λ)为目标单一通道的光瞳照度，E(λ₁)、E(λ₂)和E(λ₃)分别为目标在对应λ₁、λ₂、λ₃光谱段的光瞳照度；L_1(i,j)(λ)为目标在三个通道谱段带宽内的辐亮度；E_obj为空间目标在可见光谱段范围内的光瞳照度总和；

视星等计算：以太阳作为基准，利用视星等表述空间目标的光度，即空间目标的光度Mag表达式为：

Mag＝-26.72-2.51log₁₀(E_obj)。

本发明有益效果：本发明通过构建贝尔编码相机辐射传递矩阵消除贝尔编码相机固有的带外响应干扰，利用插值方法还原空间目标三通道图像，进而实现了基于贝尔编码相机拍摄的空间目标图像定量反演空间目标光度，提升了贝尔编码相机在空间目标观测领域的应用能力。

附图说明

图1为实施例“吉林一号”视频卫星贝尔编码相机归一化光谱曲线；

图2为贝尔编码相机光谱定标装置示意图；

图3为相机拍摄的国际空间站贝尔编码图像；

图4为贝尔编码图像插值还原过程示意图；

图5为国际空间站贝尔而编码图像插值还原处理后结果；图中(a)、(b)、(c)为插值还原处理后的结果；

图6为国际空间站贝尔而编码图像阈值分割处理后结果；图中(a)、(b)、(c)为阈值分割处理后的结果；

图7为空间目标成像过程示意图。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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。

结合图1-7说明本实施方式，实施例基于“吉林一号”视频卫星贝尔编码相机(以下简称视频星相机)拍摄的国际空间站空间目标图像，对本发明进行验证。视频星相机像元尺寸5.5μm，焦距3200mm。视频星相机归一化光谱响应曲线如图1所示，λ₁带宽为590～780nm，λ₂带宽为492～590nm，λ₃带宽为420～492nm，三个谱段的带宽连续且不重叠的覆盖可见光谱段。

采用光谱定标装置测量相机各个通道的光谱响应，构建辐射传递矩阵。相机光度定标测量有多种实验方法，本发明举一例进行说明。光谱定标装置如图2所示，主要包括光源室、单色仪、平行光管、能够进行多维调整的多功能转台、数据处理系统、快视系统、标准探测器等。具体测量过程为：利用光源室照明单色仪的入射狭缝，校正单色仪位置，使经过单色仪的出射狭缝光斑位于反射式平行光管的焦平面处。将视频星相机安置在平行光管出口处，调整相机位置，实现光轴的校准，保证光斑成像在相机焦面处。然后利用多功能转台对视频星相机位置进行精确调整，实现不同通道之间的切换。通过控制单色仪的光栅电机改变入射至相机的辐射波长，根据单色辐射的波长位置及平行光管的相对光谱辐亮度积分与对应视频星相机输出图像DN值之间的线性关系，即：

其中κ_R(λ)为单色辐射的波长位置；

为对应视频星相机输出图像DN值；∫L(λ)dλ为平行光管的相对光谱辐亮度积分。

对于全色波谱段的光源或拍摄目标，相机输出图像DN值是单个谱段响应输出的线性叠加，即：

其中，(i，j)为探测器像素坐标，DN_R(i,j)、DN_G(i,j)、DN_B(i,j)分别为探测器R、G、B三个通道在(i，j)像素坐标处输出图像的DN值，L_(i,j)(λ₁)、L_(i,j)(λ₂)、L_(i,j)(λ₃)分别为光谱定标光源在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的积分辐亮度；κ_R(λ₁)、κ_R(λ₂)、κ_R(λ₃)为探测器R通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数；κ_G(λ₁)、κ_G(λ₂)、κ_G(λ₃)为探测器G通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数；κ_B(λ₁)、κ_B(λ₂)、κ_B(λ₃)为探测器B通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数。

利用光谱响应系数构建辐射传递矩阵，即：

其中K为辐射传递矩阵；

贝尔编码相机R、G、B三个通道的输出与拍摄目标辐亮度的关系由辐射传输矩阵表示为：

视频星相机实际拍摄的国际空间站图像如图3所示，图像为贝尔编码格式，图像中带有多个长条形状太阳帆板的飞行器为国际空间站，即为拍摄目标；国际空间站周围的蓝色背景为大气背景，属于图像中的无效像素，需要进行剔除处理。采用插值方法将贝尔编码图像还原为R、G、B三个通道独立的图像，还原过程如图4所示。

采用双线性插值方法恢复R、G、B三个通道缺失的像素，其中R通道分量还原公式为：

G通道分量还原公式为：

B通道分量还原公式为：

经过双线性插值算法还原得到的R、G、B三个通道的图像如图5所示。

采用阈值分割方法分别提取R、G、B三个通道的目标像素，方法如下：

DN_1(i,j)为经过阈值分割后的(i,j)像素位置处的DN值；DN_(i,j)为(i,j)像素位置处的DN值；T为设定的阈值。

其中T求解具体为：贝尔编码图像某一通道的像元总数目为P，像素DN值大于或等于阈值T的像元个数为P₁，μ₁为像元个数为P₁时的平均灰度值；像素DN值小于阈值T的像元个数为P₀，μ₀为像元个数为P₀时其平均灰度值，则有：

ν＝P₁/P×P₀/P×(μ₁-μ₀)²

其中ν为图像的最大类间方差；采用遍历的方法在使ν为最大值时，对应的阈值T即为所求分割阈值。

阈值分割处理得到的R、G、B三个通道图像如图6所示，图像中无效背景像素DN值为0，不影响空间目标的光度计算。

空间目标成像过程如图7所示，拍摄目标按照网格划分成多个微面元组成，每一个微面元与相机探测器的一个像元相对应，目标微面元的面积为S₁，图像的像素数目为m×n；o为目标微面元表面法线向量，α为目标微面元与相机入瞳中心连线与o的夹角。拍摄目标与相机光瞳的距离为τ，相机焦距为f，探测器像元尺寸为d，微面元相对光瞳的立体张角为ω。

相机光瞳接收目标表面(i，j)位置处微面元出射的光通量可以分别用辐亮度和照度表示为：

dΦ＝L_(i,j)(λ)·cosα·S₁·ω

＝E_(i,j)(λ)·S₂

S₂为相机光瞳面积，L_(i,j)(λ)为拍摄场景微面元发光辐亮度，E_(i,j)(λ)为目标微面元在光瞳处产生的光照度，利用阈值分割后的图像代入辐射逆矩阵，去除光谱间的带外响应，可求解图像R、G、B三个通道的目标L_1(i,j)(λ)，即：

其中，L_1(i,j)(λ₁)、L_1(i,j)(λ₂)和L_1(i,j)(λ₃)分别为空间目标在三个通道对应λ₁、λ₂、λ₃谱段带宽内的辐亮度；DN_1R(i,j)、DN_1G(i,j)和DN_1B(i,j)分别为空间目标R、G、B三个通道经过阈值分割处理后的图像DN值；

根据几何成像关系有：

ω＝S₂/τ²

因此，空间目标在光瞳处产生的光照度可以用微面元辐亮度表示为：

E_obj＝E(λ₁)+E(λ₂)+E(λ₃)

其中，m和n分别为相机探测器像元行数和列数，E(λ)为目标单一通道的光瞳照度，E(λ₁)、E(λ₂)和E(λ₃)分别为目标在对应λ₁、λ₂、λ₃光谱段的光瞳照度；L_1(i,j)(λ)为目标在三个通道谱段带宽内的辐亮度；E_obj为空间目标在可见光谱段范围内的光瞳照度总和；

在可见光波段，空间目标光度的视星等用Mag表示。计算视星等大小的基准是相差五个星等时照度差一百倍来计算的，即星等相差一倍，亮度相差2.512倍，目标的星等可以表示为：

Mag＝-2.512log₁₀(E_obj/E₀)

E₀为零星等对应的照度。

由于空间目标在可见光波段的光学特征主要表现为其对太阳光的散射特性，因此，采用太阳的目视星等作为基准，对空间目标的光度进行换算。已知太阳的目视星等为-26.74Mv，在400～780nm波段内的照度为634.1W/m²，则空间目标光度表达式为：

Mag＝-26.72-2.51log₁₀(E_obj)

以上对本发明所提出的一种基于贝尔编码图像的空间目标光度反演方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种基于贝尔编码图像的空间目标光度反演方法，其特征在于：所述方法包括以下步骤：

步骤一、建立贝尔编码相机辐射传递矩阵：测量贝尔编码相机的三个不同通道的光谱响应，确立三个通道的谱段带宽区间，建立辐射传递矩阵；

步骤二、贝尔编码图像插值还原：利用插值方法恢复所拍摄空间目标原始数据中缺失像素的DN值，以获得三个通道的图像数据；

步骤三、空间目标分割提取：采用阈值分割方法分别从三个通道中提取得到表示空间目标光度信息的像素，剔除无效的图像背景；

步骤四、空间目标光度数据解算：利用辐射矩阵逆向求解得到空间目标的辐亮度特征；根据相机的基本参数，通过反演计算得到目标的光度信息。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：

所述步骤一中，拍摄空间图像的相机采用贝尔编码模式探测器，相机输出含有R、G、B三个通道的贝尔编码图像；其中R、G、B三个通道光谱带宽分别为λ₁、λ₂、λ₃，R、G、B三个通道的谱段带宽为可连续且不重叠覆盖的可见光波段。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：

所述步骤一中，采用光谱定标装置测量相机R、G、B三个通道的光谱响应，建立相机R、G、B三个通道内像素输出DN值与拍摄目标辐亮度的关系，即：

其中，(i，j)为探测器像素坐标，DN_R(i,j)、DN_G(i,j)、DN_B(i,j)分别为探测器R、G、B三个通道在(i，j)像素坐标处输出图像的DN值，L_(i,j)(λ₁)、L_(i,j)(λ₂)、L_(i,j)(λ₃)分别为光谱定标光源在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的积分辐亮度；κ_R(λ₁)、κ_R(λ₂)、κ_R(λ₃)为探测器R通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数，由光谱定标装置测量获取；κ_G(λ₁)、κ_G(λ₂)、κ_G(λ₃)为探测器G通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数，由光谱定标装置测量获取；κ_B(λ₁)、κ_B(λ₂)、κ_B(λ₃)为探测器B通道在λ₁、λ₂、λ₃三个谱段的光谱响应系数，由光谱定标装置测量获取。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：

所述步骤一中，利用光谱响应系数构建辐射传递矩阵，即：

其中K为辐射传递矩阵；

贝尔编码相机R、G、B三个通道的输出与拍摄目标辐亮度的关系由辐射传输矩阵表示为：

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：

所述步骤二中，采用双线性插值方法恢复R、G、B三个通道缺失的像素，其中，R通道分量还原公式为：

G通道分量还原公式为：

B通道分量还原公式为：

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：

所述步骤三中，采用阈值分割方法分别提取R、G、B三个通道的目标像素，具体为：

DN_1(i,j)为经过阈值分割后的(i,j)像素位置处的DN值；DN_(i,j)为(i,j)像素位置处的DN值；T为设定的阈值。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于：

所述T求解具体为：贝尔编码图像某一通道的像元总数目为P，像素DN值大于或等于阈值T的像元个数为P₁，μ₁为像元个数为P₁时的平均灰度值；像素DN值小于阈值T的像元个数为P₀，μ₀为像元个数为P₀时其平均灰度值，则有：

ν＝P₁/P×P₀/P×(μ₁-μ₀)²

其中ν为图像的最大类间方差；采用遍历的方法在使ν为最大值时，对应的阈值T即为所求分割阈值。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：

所述步骤四中，目标光度采用视星等进行表述，空间目标光度利用阈值分割处理后的空间目标图像可反演计算得到，具体为：

利用辐射传输逆矩阵，求解目标在R、G、B三个通道对应谱段带宽内的辐亮度，即：

其中，L_1(i,j)(λ₁)、L_1(i,j)(λ₂)和L_1(i,j)(λ₃)分别为目标在三个通道对应λ₁、λ₂、λ₃谱段带宽内的辐亮度；DN_1R(i,j)、DN_1G(i,j)和DN_1B(i,j)分别为空间目标R、G、B三个通道经过阈值分割处理后的图像DN值；K^-1为辐射传递矩阵K的逆矩阵，K^*为辐射传递矩阵K的伴随矩阵；

光瞳照度计算：代入相机焦距和像元尺寸参数，通过积分将目标辐射亮度转换为相机光瞳照度，即：

E_obj＝E(λ₁)+E(λ₂)+E(λ₃)

其中，d为相机探测器像元尺寸，f为相机焦距，m和n分别为相机探测器像元行数和列数，E(λ)为目标单一通道的光瞳照度，E(λ₁)、E(λ₂)和E(λ₃)分别为目标在对应λ₁、λ₂、λ₃光谱段的光瞳照度；L_1(i,j)(λ)为目标在三个通道谱段带宽内的辐亮度；E_obj为空间目标在可见光谱段范围内的光瞳照度总和；

视星等计算：以太阳作为基准，利用视星等表述空间目标的光度，即空间目标的光度Mag表达式为：

Mag＝-26.72-2.51log₁₀(E_obj)。

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