CN113473114B - 一种用于校准分焦平面偏振相机像元非均匀性的方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于校准分焦平面偏振相机像元非均匀性的方法，包括以下步骤：步骤1、采用均匀照明光源作为成像目标，调节分焦平面偏振相机，对准该光源。步骤2、分焦平面相机拍摄N副图像D，求出它们的平均值图像
Figure DDA0003155389010000011
降低随机噪声。步骤3、根据图像
Figure DDA0003155389010000012
分别对0°、45°、90°、135°的偏振图像进行曲面拟合，得到拟合图像
Figure DDA0003155389010000013
根据图像
Figure DDA0003155389010000014
和
Figure DDA0003155389010000015
求得该光强下非均匀校准矩阵
Figure DDA0003155389010000016
步骤4、在不同的光强下重复以上步骤，获得不同光强下非均匀校准矩阵Dcalibration(x,y,I)，求得用于校准相机非均匀性的校准系数k和d。步骤5、对任意拍摄图像D(x,y)，利用校准系数求得该光强下非均匀校准矩阵Dcalibration(x,y)＝k(x,y)D(x,y)+d(x,y)，则优化图像Dt(x,y)＝D(x,y)+Dcalibration(x,y)。本发明可校准分焦平面偏振相机的像元非均匀性，校准系统结构简单，成本低，适用范围较广。

Description

一种用于校准分焦平面偏振相机像元非均匀性的方法
技术领域
本发明涉及光学偏振成像领域，特别涉及一种分焦平面偏振相机的校准方法。
背景技术
光学成像探测技术在国防、工业、环境、生物医学等关系国计民生的重大领域都占有非常重要的地位。偏振成像技术可以在传统光学成像的基础上，提供更多的目标信息，优化探测效果和识别能力，扩展应用范围，它是最近三十年来国内外发展迅速的一项新型成像技术。分焦平面偏振相机以其紧凑的结构、全固态的特性，灵活的使用方式，在应用中越来越受欢迎，成为偏振相机中的重要发展方向。
然而，由于在分焦平面偏振相机每个像元前安装了不同偏振方向的偏振元件，各个像元之间会不可避免的存在不均匀性，此外随着设备使用时间的延长，各个像元前的偏振器件也会发生不同程度的衰减老化，这些不均匀性会导致图像失真、质量下降。
发明内容
本发明目的是解决各个像元之间存在的不均匀性问题，提供一种用于校准分焦平面偏振相机像元非均匀性的方法。
偏振相机测量的灰度值与入射光强之间的关系为：
D＝βI+Drandow-Dcalibration
其中D表示相机响应的灰度值，I为光强，β为光电转换系数，Dcalibration为由于CCD芯片前偏振元件的非均匀性和像元响应的非均匀性引起的灰度值响应误差，是待求的非均匀校准矩阵，Drandow为均值为0的随机噪声。
本发明的技术方案
一种用于校准分焦平面偏振相机像元非均匀性的方法，包括以下步骤：
步骤1、采用大尺寸均匀性良好的面阵光源，调节分焦平面偏振相机垂直对准面阵光源；
步骤2、固定分焦平面偏振相机，保证后续拍摄过程中相机位置不变，连续拍摄N副图像，求平均值图像
Figure BDA0003155387990000021
降低随机噪声对图像的影响。
在本步骤中，根据噪声的大小选取拍摄图像的数量N，噪声越大，采用的N值越大；N值的取值应保证随机噪声的方差
Figure BDA0003155387990000022
δheterogeneity为空间非均匀性带来的误差。经过多次测量求平均值，可以降低随机误差，因此对固定场景进行多次拍照求平均，得到的平均值图像可表示为：
Figure BDA0003155387990000023
步骤3、根据步骤(2)获得的平均值图像
Figure BDA0003155387990000024
分别对0°、45°、90°、135°偏振方向的图像
Figure BDA0003155387990000025
和
Figure BDA0003155387990000026
进行拟合，得到拟合图像
Figure BDA0003155387990000027
包括
Figure BDA0003155387990000028
和
Figure BDA0003155387990000029
平均值图像
Figure BDA00031553879900000210
和拟合图像
Figure BDA00031553879900000211
求差，得到该光强下的非均匀校准矩阵
Figure BDA00031553879900000212
由于校准光源选用了均匀性良好的光源，各个偏振方向的光场也是均匀变化的。理想相机成像后得到的图像，像元灰度值也应该均匀变化，但是由于实际相机像元的非均匀性，会导致所有像元的灰度值附带了一个固定的偏差，该偏差是由偏振相机自身的非均匀性导致的，即本校准方法要找到的校准值。因此，按照偏振方向0°、45°、90°、135°切割图像
Figure BDA00031553879900000213
得到
Figure BDA00031553879900000214
对上述四副图像分别进行拟合，求得消除非均匀性误差后的拟合图像
Figure BDA00031553879900000215
求拟合图像
Figure BDA00031553879900000216
可以采用二次曲面拟合、平面拟合或平均值法。在光强分布均匀的条件下，可以采用平面拟合或平均值法；在光强分布不均匀的条件下，可以采用二次曲面拟合，但是会降低校准的速度。
设图像
Figure BDA00031553879900000217
的分辨率为2m×2n，则某偏振方向图像的分辨率为m×n，对(x,y)(1≤x≤m,1≤y≤n)处的像元进行拟合，选取(x,y)为中心的相邻5×5小窗，拟合条件为：
Figure BDA00031553879900000218
其中
Figure BDA00031553879900000219
表示在求极值过程中遍历的任意曲面在5×5小窗中的取值，拟合得到(x,y)像元处的值分别记为
Figure BDA00031553879900000220
以上四副图像中任意(x，y)处的像素值都是由相邻的25个像元拟合得到的，由于校准系统的光源是均匀性良好的光源，因此在小窗范围内25个像元处的光强变化很小。用光滑的曲面或平面进行拟合得到的图像
Figure BDA0003155387990000031
降低了小窗内不同像元的非均匀性，
Figure BDA0003155387990000032
是像元真值的近似解。由此可计算该光强下的非均匀校准矩阵
Figure BDA0003155387990000033
步骤4、在不同的光强下重复以上步骤(1)至步骤(3)，测得各个像元在不同光强下的非均匀校准矩阵Dcalibration(x,y,I)，计算用于校准相机非均匀性的校准系数k和d。
光强值至少取5组，则在每个光强值下按照步骤(1)至步骤(3)都可以得到一组
Figure BDA0003155387990000034
Figure BDA0003155387990000035
和Dcalibration(x,y)，共5组数据。对于任意像元在不同光强下的5组数据，考虑泰勒展开式的一阶导项，校准矩阵可以写成：Dcalibration(x,y)＝β(x,y)I+d(x,y)，其中β(x,y)为像元(x,y)的光电转换效率，d(x,y)为零光强时像元(x,y)的响应误差，这些都是由于相机像元及偏振元件的非均匀性引起的。像元接收的光强在测量中未知，改用灰度值表示，即有：
Figure BDA0003155387990000036
其中k，d为待求的校准系数，
Figure BDA0003155387990000037
对于不同的光源强度有：
Figure BDA0003155387990000038
根据不同光强下的
Figure BDA0003155387990000039
求得校准系数[k(x,y),d(x,y)]。
步骤5、对任意拍摄图像，利用校准系数求得各像素处的校准值，得到非均匀校准矩阵Dcalibration(x,y)＝k(x,y)D(x,y)+d(x,y)，进而可以计算得到校准后的优化图像
Dt(x,y)＝D(x,y)+k(x,y)D(x,y)+d(x,y)
其中，D(x,y)为未校准前图像灰度值。
本发明的优点和有益效果：
1、本发明可以简单快速的对偏振相机进行校准，提高成像质量；可用于分焦平面偏振相机的出厂校准，也可用于设备维护期内的校准；
2、本发明的校准方法成本低，方法简单，适用范围广。
附图说明
图1为本发明的一种用于校准分焦平面偏振相机像元非均匀性方法的整体流程示意图；
图2为基于本发明的一种装置结构实施示意图；
图3为lucid分焦平面偏振相机的像元偏振角度分布图；
图4为经过本方法校准前后的数据对比实例。
附图标记：1、光源；2、分焦平面偏振相机；3、功率计。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步的详细描述。
本发明提供了一种用于校准分焦平面偏振相机像元非均匀性的方法，校准流程如图1所示，该方法的具体步骤如下：
步骤1、采用大尺寸均匀性良好的面阵光源，本例中采用dell显示器，型号为up2716d，屏幕显示纯白色画面，全屏的光强不均匀度小于10％。调节分焦平面偏振相机垂直对准面阵光源的中心部位，在相机视场内的光强不均匀度小于1％。相机采用lucid分焦平面偏振相机，型号为PHX050S-PC，编号182800020。
步骤2、固定偏振相机，保证后续拍摄过程中相机位置不变。图2所示为基于本发明的一种装置结构实施示意图，1为用于校准的面光源，2为偏振相机，3为用于辅助光源亮度调节的功率计。调节光源亮度，根据相机读数，确定测试中光源亮度的范围，保证相机不会出现过饱和等。再根据功率计的读数，调节光源亮度，确定5组光强值用于测量。
在第一个光源亮度下，用分焦平面偏振相机连续拍摄N副图像Di(i＝1,2…N)，求出图像中所有像元的灰度值平均值。在本实例中N＝1000；图像像元灰度平均值为：
Figure BDA0003155387990000041
lucid分焦平面偏振相机的像元偏振角度排列如图3所示。按照偏振方向，平均值图像
Figure BDA0003155387990000042
拆分为不同偏振方向的图像
Figure BDA0003155387990000043
和
Figure BDA0003155387990000044
步骤3、根据步骤(2)获得的图像，分别对0°、45°、90°、135°偏振方向的图像
Figure BDA0003155387990000045
Figure BDA0003155387990000046
和
Figure BDA0003155387990000047
进行拟合，得到拟合图像
Figure BDA0003155387990000048
和
Figure BDA0003155387990000049
按不同偏振方向的图像分别进行拟合，可以消除光源的部分偏振引起的校准误差。
偏振相机的图像分辨率为2m×2n(本例为2048×2448)，某个方向的偏振图像分辨率为m×n(本例为1024×1224)，对任一像元(x,y)处的值拟合求得消除相机非均匀性的近似解，本例中选取5×5的小窗图像，拟合条件为：
Figure BDA0003155387990000051
利用软件拟合函数(本实例采用Mablab软件)，计算像元(x，y)(1≤x≤m,1≤y≤n)处的拟合值
Figure BDA0003155387990000052
根据平均值图像
Figure BDA0003155387990000053
和拟合图像
Figure BDA0003155387990000054
计算校准矩阵
Figure BDA0003155387990000055
步骤4、在不同的光强下重复以上步骤(1)至步骤(3)，计算各个像元在不同光强下的非均匀校准矩阵Dcalibration(x,y,I)。进而计算用于校准相机非均匀性的校准系数[k(x,y),d(x,y)]。
光强值取5组，重复以上步骤(1)至步骤(3)，对于任意一个像元得到5组相机灰度值
Figure BDA0003155387990000056
拟合值
Figure BDA0003155387990000057
以及校准值Dcalibration(x,y,Ii)，i＝1,2,3,4,5
Figure BDA0003155387990000058
校准系数满足：
Figure BDA0003155387990000059
根据不同光强I下获得的5组
Figure BDA00031553879900000510
数据和上式，用Matlab软件拟合求得各个像元的校准系数[k(x,y),d(x,y)]。由于算法利用像素周围5×5的小窗进行计算，边沿2个像素无法计算校准系数，因此校准系数的矩阵边沿两行、两列位置取0。至此，标定结束，保存[k(x,y),d(x,y)]用于后期对相机拍摄图像的校准。
步骤5、对相机拍摄的原始图像D校准后的数值为
Dt(x,y)＝D(x,y)+k(x,y)D(x,y)+d(x,y)。
我们以135°方向的偏振图像为例进行校准。图4为100个像素校准前后的灰度值对比。横轴表示像元的序号，纵轴表示对应像元灰度值。虚线表示校准前数据，实线表示校准后数据。从图4中可以看出，校准后相机的不均匀性有了明显降低。校准前100个像素点灰度值方差为3.07×104，校准后的方差为4.24×103。图4的数据见表1。表1为实验图像从(251,501)至(251,600)共100个像素点的实验数据，第一列为像元位置序号，第二列为校准系数k，第三列为校准系数d，第四列为原始图像的像素值，第六列为优化后图像的像素值。
表1实验数据
Figure BDA0003155387990000061
Figure BDA0003155387990000071

Claims (1)

1.一种用于校准分焦平面偏振相机像元非均匀性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤(1)、采用均匀发光的面阵光源，调节分焦平面偏振相机，垂直对准该面阵光源；
步骤(2)、固定偏振相机，保证后续拍摄过程中相机位置不变，连续拍摄N副图像，求得平均值图像
Figure FDA0004163994180000011
Di表示第i幅图像，(i＝1,2…N)，以降低随机噪声；
步骤(3)、根据步骤(2)获得的平均值图像
Figure FDA0004163994180000012
分别对0°、45°、90°、135°偏振方向的图像
Figure FDA0004163994180000013
进行拟合，得到拟合图像
Figure FDA0004163994180000014
包括
Figure FDA0004163994180000015
和
Figure FDA0004163994180000016
选取小窗u×v，利用条件
Figure FDA0004163994180000017
其中
Figure FDA00041639941800000115
表示在求极值过程中遍历的任意曲面在5×5小窗中的取值，得到拟合数据
Figure FDA0004163994180000018
即计算像元(x，y)处的拟合值
Figure FDA0004163994180000019
1≤x≤m,1≤y≤n，m×n为某偏振方向图像的分辨率；平均值图像
Figure FDA00041639941800000110
和拟合图像
Figure FDA00041639941800000111
求差，得到当前光强I下的非均匀校准矩阵
Figure FDA00041639941800000112
拟合方法采用二次曲面拟合、平面拟合或平均值法；在光强分布均匀的条件下，采用平面拟合或平均值法；在光强分布不均匀的条件下，采用二次曲面拟合，但是会降低校准的速度；
步骤(4)、在不同的光强下重复以上步骤(1)至步骤(3)，测得各个像元在不同光强下的非均匀校准矩阵
Figure FDA00041639941800000113
其中k，d为的校准系数；根据不同光强下的
Figure FDA00041639941800000114
拟合求得用于校准相机非均匀性的校准系数[k(x,y),d(x,y)]；
步骤(5)、对任意拍摄图像，利用校准系数求得各个像素处的校准值，得到非均匀校准矩阵Dcalibration(x,y)＝k(x,y)D(x,y)+d(x,y)，进而可以计算得到校准后的优化图像Dt(x,y)＝D(x,y)+k(x,y)D(x,y)+d(x,y)，其中，D(x,y)为未校准前相机测量灰度值。
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