CN113596334B - 一种面向不同成像需求的tdiccd成像参数设置方法及成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法及成像装置，针对设定的四种不同的成像需求，基于设定的遥感图像统计特征的4个门限值T_high、T_low、T_Range、T_ss及成像范围内的地物反射特性的统计特征，分别形成相应的积分级数和增益参数设置策略；四种不同的成像需求为：图像无饱和，图像偏亮，图像灰度层次丰富、动态范围大以及图像整体质量较好；本发明的方法及装置能针对不同成像场景和应用需求，灵活多样的设置光学相机的积分级数和增益参数，使其满足不同的成像目的和应用需求，提高了TDICCD光学相机成像灵活性。

Description

一种面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法及成像 装置

技术领域

本发明涉及空间遥感技术领域，特别是涉及一种面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法及成像装置。

背景技术

随着空间遥感技术的发展，遥感成像对图像质量的要求越来越高，而TDICCD(Timedelay integration charge coupled device)成像灵敏度高和信噪比高的优点使其成为航天遥感领域轻小型化高分辨率光电探测设备的首选传感器。TDICCD遥感相机在轨工作期间，由于季节、天气情况、大气透过率、太阳高角和地面景物反射率等条件的变化，入射光能量变化范围很大。通过对大量光学遥感卫星图像统计和分析发现：同一轨卫星图像中，在相同的相机参数设置下，不同区域的卫星图像亮度差别很大。有的图像层次非常丰富、有的图像层次集中在少数灰度级上。在同一幅图像中，由于观测对象不同，即使在整幅图像灰度值都偏低的情况下，部分区域仍会出现饱和现象。如果需要所有成像时刻、所有区域、所有成像需求的图像都层次丰富，在同一相机参数的情况下是不可能实现的。因此，需要根据TDICCD相机载荷模型，结合成像范围场景光谱反射特性，形成面向不同成像需求的光学相机成像参数(积分级数和增益)设置策略，以提高光学相机对用户成像需求的满足能力。

为了保证航天相机输出理想的图像，《基于地-气间辐射模型的航天相机自动调光系统》(2016年，光学学报)提出了基于地气间辐射模型的航天相机自动调光方法。基于地气间辐射传输特性，分析了大气气溶胶对航天相机成像的影响，建立并改进了航天相机入瞳处辐照度模型，自动调光系统首先通过预估的辐照度以及地面目标辐照度在总辐照度中所占的比例来调节航天相机的TDI积分级数和系统增益，实现航天相机曝光量改变，然后根据大气气溶胶厚度确定自适应拉普拉斯滤波的参数，以提高遥感图像的清晰度。

《航天相机星上自适应调光的研究》(2016年，中科院长光所博士论文)针对TDICCD航天相机对于同一场景只能成像一次，无法预判目标场景信息来实现星上自适应调光的问题，设计了一种基于CMOS传感器实现目标场景的预先获取，利用CMOS图像实现目标场景的分析预判，估计航天相机TDICCD入瞳处辐照度的计算，用于计算最佳成像参数。

《星上成像均匀性及实时自动调光的研究》(2012年，中科院长光所博士论文)针对TDICCD相机的特点，提出以积分级数和增益作为调光参数，并辅助以直方图拉伸的调光方法；然后深入分析了调光参数的改变对SNR和MTF的影响，据此提出以不同积分级数下MTF的退化量作为增加积分级数时的控制条件之一；最终，以4个关键图像曝光特征统计量(图像是否存在大量饱和区域，图像是否过亮，图像是否过暗和图像灰度范围是否过窄)进行曝光判断，给出了详细的自动调光算法。

现有技术均是从传感器自身指标参数出发，通过响应的指标参数来完成最佳积分级数和增益设置，在一定程度上，能够提高成像参数设置精度，但上述方法形式单一、灵活性差。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种灵活多样且可以满足各种成像目的和应用需求的TDICCD成像参数设置方法及成像装置。

为解决上述技术问题，本发明提供采用如下技术方案：

一种面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法，针对设定的四种不同的成像需求：图像无饱和，图像偏亮，图像灰度层次丰富、动态范围大，图像整体质量较好，基于设定的遥感图像统计特征的4个门限值T_high、T_low、T_Range、T_ss及成像范围内的地物反射特性的统计特征，分别形成相应的积分级数和增益参数设置策略；

其中，T_high表示图像正常亮度均值的上限值；T_low表示图像正常亮度均值的下限值；T_Range表示图像正常动态范围的下限值；T_ss表示图像正常饱和点占比的下限值，即图像所允许出现的最大饱和点的百分比。

作为本发明进一步地改进，所述四种不同的成像需求中：

(A)图像无饱和；

其要求图像中无饱和的像素点，要求图像中饱和点比例ratio≤T_ss并且T_ss＝0；

对应的设置策略为：成像范围中地物目标的最大反射率的灰度响应值小于DN_MAX；

(B)图像偏亮；

其要求图像整体偏亮，图像均值

满足

其中，T_low＝45％·DN_MAX，T_high＝70％·DN_MAX；

对应的设置策略为：成像范围内地物平均反射率的灰度响应值在区间[0.45DN_MAX,0.7DN_MAX]；

(C)图像灰度层次丰富、动态范围大；

其要求图像灰度层次丰富，图像的灰度范围能够尽量分布在图像量化空间范围内，要求图像动态范围满足T_Range≥75％·DN_MAX；

对应的设置策略为：成像范围内最大反射率与最小反射率的灰度响应值之差大于75％DN_MAX；

(D)图像整体质量较好；

其要求：

(1)图像中有适当比例的像元值饱和，即ratio≤T_ss＝2％；

(2)图像均值在中档，即

(3)图像动态范围大于量化空间的一半，即T_Range≥50％·DN_MAX；

对应的设置策略为：

(1)成像范围地物所有反射率中，从大到小排序后，占比前2％中最小反射率的灰度响应值小于DN_MAX；

(2)成像范围内地物平均反射率的灰度响应值在区间[30％·DN_MAX,50％·DN_MAX]；

(3)成像范围内最大反射率与最小反射率的灰度响应值之差大于55％DN_MAX；

其中，DN_MAX为图像Nbit量化最大DN值,DN_MAX＝2^N-1。

进一步地，当成像需求为(A)图像无饱和时，具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到最大反射率ρ_max；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得最大反射率ρ_max对应的灰度响应值DN最大，且小于DN_MAX；

利用公式表示为：

其中，f(n,g,ρ_max)为光学相机的灰度响应模型，是在规定的积分级数n和增益g档位条件下，给定的反射率对应产生的灰度响应值(DN)。

进一步地，当成像需求为(B)图像偏亮时，具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到反射率均值ρ_mean；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得反射率均值ρ_mean对应的灰度响应值DN在区间[0.45DN_MAX,0.7DN_MAX]内；

利用公式表示为：

进一步地，当成像需求为(C)图像灰度层次丰富、动态范围大时，具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min对应的灰度响应值之差ΔDN大于75％DN_MAX；

利用公式表示为：

进一步地，当成像需求为(D)图像整体质量较好时，具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中，找到占比前2％的最小反射率ρ_2％、最大反射率ρ_max、最小反射率ρ_min、反射率均值ρ_mean；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使满足如下条件：

(1)占比前2％的最小反射率ρ_2％对应的灰度响应值DN₁接近于DN_MAX的最大值；

(2)反射率均值ρ_mean对应的灰度响应值DN₂在区间[30％·DN_MAX,50％·DN_MAX]；

(3)最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min对应的灰度响应值之差ΔDN大于55％DN_MAX；

利用公式表示为：

本发明还提供了一种的面向不同成像需求的TDICCD成像装置，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法。

通过采用上述技术方案，本发明至少具有以下优点：

(1)本发明针对TDICCD成像参数设置方法，提出了一种新的研究方向，能够根据不同的成像需求，基于成像范围内的地物反射特性的统计特征，形成相应的积分级数和增益参数设置策略和方法，能够满足不用成像需求的积分级数和增益设置，提高了TDICCD光学相机的成像参数设置灵活性和实用性。

(2)本发明提出了四种成像需求的积分级数和增益设置策略和方法，能够满足大部分光学卫星成像需求对成像参数设置的要求。

具体实施方式

本发明发现现有技术对于TDICCD光学相机积分级数和增益设置时，采用的设置策略和方法相对单一，未考虑成像目的，不能满足灵活多样的参数设置应用需求。基于上述发现，本发明提出了一种新的研究方向，使其能针对不同成像场景和应用需求时，灵活多样的设置光学相机的积分级数和增益参数，使其满足不同的成像目的和应用需求。

本实施例构建了一种面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法，能够根据不同的成像需求，基于设定的遥感图像统计特征的4个门限值T_high、T_low、T_Range、T_ss及成像范围内的地物反射特性的统计特征，形成相应的积分级数和增益参数设置策略和方法。

具体方法如下：

1、光学图像统计特征计算

首先，设定4个门限值：T_high表示图像正常亮度均值的上限值；T_low表示图像正常亮度均值的下限值；T_Range表示图像正常动态范围的下限值；T_ss表示图像正常饱和点占比的下限值，即图像所允许出现的最大饱和点的百分比。具体含义及计算方法如下：

A、T_high、T_low门限值作为图像亮暗的判定依据，即图像的均值

在T_low～T_high范围内认为是正常，超过这两个门限则认为图像过亮或过暗，其含义为：

B、T_Range作为图像动态范围过窄判断依据，即图像的最大值P_max减去最小值P_min的差值大于T_Range，认为图像是正常的动态范围内，小于T_Range则说明图像动态范围过窄，其含义为

T_Range＝P_max-P_min (2)

C、T_ss作为图像是否存在大量的饱和区域的判断依据，当图像中饱和点比例ratio超过T_ss门限值，则需要降低增益，以保证CCD的正常工作。其含义如下：

2、面向不同成像需求的积分级数和增益设置策略和方法

A.图像无饱和的设置策略和方法。

该成像需求要求图像中无饱和的像素点，要求图像中饱和点比例ratio≤T_ss并且T_ss＝0。设置策略为：成像范围中地物目标的最大反射率的灰度响应值小于DN_MAX。具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到最大反射率ρ_max；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得最大反射率ρ_max对应的灰度响应值DN最大，且小于DN_MAX。利用公式可以表示为：

其中，DN_MAX为图像Nbit量化最大DN值,DN_MAX＝2^N-1，N＝10时，DN_MAX＝1023。f(n,g,L_λ)为光学相机的灰度响应模型，是在规定的积分级数n和增益g档位条件下，给定的反射率对应产生的灰度响应值(DN)。该灰度响应模型为TDICCD光学相机固有响应特性，可以通过实验室定标获得。

B.图像偏亮的设置策略。

该成像需求要求图像整体偏亮，图像均值

满足

其中，T_low＝45％·DN_MAX，T_high＝70％·DN_MAX。设置策略为：成像范围内地物平均反射率的灰度响应值在区间[0.45DN_MAX,0.7DN_MAX]。具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到反射率均值ρ_mean；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得反射率均值ρ_mean对应的灰度响应值DN在区间[0.45DN_MAX,0.7DN_MAX]内。利用公式可以表示为：

C.图像灰度层次丰富、动态范围大的设置策略。

该成像需求要求图像灰度层次丰富，图像的灰度范围能够尽量分布在图像量化空间范围内，要求图像动态范围满足T_Range≥75％·DN_MAX。设置策略为：成像范围内最大反射率与最小反射率的灰度响应值之差大于75％DN_MAX。具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min对应的灰度响应值之差ΔDN大于75％DN_MAX。利用公式可以表示为：

D.图像整体质量较好的设置策略。

根据遥感图像分析，图像的整体质量较好，需要满足的图像特征为：

1)图像中有适当比例的像元值饱和，即ratio≤T_ss＝2％；

2)图像均值在中档，即

3)图像动态范围大于量化空间的一半，即T_Range≥50％·DN_MAX

设置策略为：

1)成像范围地物所有反射率中，从大到小排序后，占比前2％中最小反射率的灰度响应值小于DN_MAX；

2)成像范围内地物平均反射率的灰度响应值在区间[30％·DN_MAX,50％·DN_MAX]；

3)成像范围内最大反射率与最小反射率的灰度响应值之差大于55％DN_MAX。

具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中，找到占比前2％的最小反射率ρ_2％、最大反射率ρ_max、最小反射率ρ_min、反射率均值ρ_mean；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使满足如下条件：

1)占比前2％的最小反射率ρ_2％对应的灰度响应值DN₁接近于DN_MAX的最大值；

2)反射率均值ρ_mean对应的灰度响应值DN₂在区间[30％·DN_MAX,50％·DN_MAX]；

3)最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min对应的灰度响应值之差ΔDN大于55％DN_MAX。

利用公式可以表示为：

另一方面，本实施例还提供了一种的面向不同成像需求的TDICCD成像装置，包括：一个或多个处理器；存储装置，用于存储一个或多个程序，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现上述的面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法。由于上述装置的硬件部分的设计为本领域的惯用技术手段，在此不再展开描述。

综上所述，本发明构建了一种面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法，能够根据不同的成像需求，基于成像范围内的地物反射特性的统计特征，形成相应的积分级数和增益参数设置策略和方法，能够满足不用成像需求的积分级数和增益设置；本发明针对成像需求，提出了遥感图像统计特征的4个门限值，分别是：T_high表示图像正常亮度均值的上限值；T_low表示图像正常亮度均值的下限值；T_Range表示图像正常动态范围的下限值；T_ss表示图像正常饱和点占比的下限值，即图像所允许出现的最大饱和点的百分比；本发明提出了四种成像需求的积分级数和增益设置策略和方法。四种成像需求分为为：图像无饱和，图像偏亮，图像灰度层次丰富、动态范围大，图像整体质量较好。针对这四种成像需求，均形成了对应的积分级数和增益设置策略和方法，能够提高TDICCD光学相机成像灵活性。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法，其特征在于，针对设定的四种不同的成像需求，基于设定的遥感图像统计特征的4个门限值T_high、T_low、T_Range、T_ss及成像范围内的地物反射特性的统计特征，分别形成相应的积分级数和增益参数设置策略；

所述四种不同的成像需求为：图像无饱和，图像偏亮，图像灰度层次丰富、动态范围大以及图像整体质量较好；

所述T_high表示图像正常亮度均值的上限值；所述T_low表示图像正常亮度均值的下限值；所述T_Range表示图像正常动态范围的下限值；所述T_ss表示图像正常饱和点占比的下限值，即图像所允许出现的最大饱和点的百分比；

所述四种不同的成像需求中：

(A)图像无饱和；

其要求图像中无饱和的像素点，要求图像中饱和点比例ratio≤T_ss并且T_ss＝0；

对应的设置策略为：成像范围中地物目标的最大反射率的灰度响应值小于DN_MAX；

(B)图像偏亮；

其要求图像整体偏亮，图像均值

满足

其中，

T_low＝45％·DN_MAX，T_high＝70％·DN_MAX；

对应的设置策略为：成像范围内地物平均反射率的灰度响应值在区间[0.45DN_MAX,0.7DN_MAX]；

(C)图像灰度层次丰富、动态范围大；

其要求图像灰度层次丰富，图像的灰度范围能够尽量分布在图像量化空间范围内，要求图像动态范围满足T_Range≥75％·DN_MAX；

对应的设置策略为：成像范围内最大反射率与最小反射率的灰度响应值之差大于75％DN_MAX；

(D)图像整体质量较好；

其要求：

(1)图像中有适当比例的像元值饱和，即ratio≤T_ss＝2％；

(2)图像均值在中档，即

(3)图像动态范围大于量化空间的一半，即T_Range≥50％·DN_MAX；

对应的设置策略为：

(1)成像范围地物所有反射率中，从大到小排序后，占比前2％中最小反射率的灰度响应值小于DN_MAX；

(2)成像范围内地物平均反射率的灰度响应值在区间

[30％·DN_MAX,50％·DN_MAX]；

(3)成像范围内最大反射率与最小反射率的灰度响应值之差大于55％DN_MAX；

其中，DN_MAX为图像Nbit量化最大DN值,DN_MAX＝2^N-1；

当成像需求为(A)图像无饱和时，具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到最大反射率ρ_max；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得最大反射率ρ_max对应的灰度响应值DN最大，且小于DN_MAX；

利用公式表示为：

其中，f(n,g,ρ_max)为光学相机的灰度响应模型，是在规定的积分级数n和增益g档位条件下，给定的反射率对应产生的灰度响应值(DN)。

2.根据权利要求1所述的面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法，其特征在于：

当成像需求为(B)图像偏亮时，具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到反射率均值ρ_mean；基于TDICCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得反射率均值ρ_mean对应的灰度响应值DN在区间[0.45DN_MAX,0.7DN_MAX]内；

利用公式表示为：

3.根据权利要求1所述的面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法，其特征在于：

当成像需求为(C)图像灰度层次丰富、动态范围大时，具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中找到最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min；基于TD I CCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使得最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min对应的灰度响应值之差ΔDN大于75％DN_MAX；

利用公式表示为：

4.根据权利要求1所述的面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法，其特征在于：

当成像需求为(D)图像整体质量较好时，具体计算过程为：

成像范围内的地表反射率数据集Ω＝{ρ_i}_m中，找到占比前2％的最小反射率ρ_2％、最大反射率ρ_max、最小反射率ρ_min、反射率均值ρ_mean；基于TD I CCD相机的灰度响应模型，找到最佳的积分基数N和增益G，使满足如下条件：

(1)占比前2％的最小反射率ρ_2％对应的灰度响应值DN₁接近于DN_MAX的最大值；

(2)反射率均值ρ_mean对应的灰度响应值DN₂在区间

[30％·DN_MAX,50％·DN_MAX]；

(3)最大反射率ρ_max和最小反射率ρ_min对应的灰度响应值之差ΔDN大于55％DN_MAX；

利用公式表示为：

5.一种的面向不同成像需求的TDICCD成像装置，其特征在于，包括：

一个或多个处理器；

存储装置，用于存储一个或多个程序，

当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行，使得所述一个或多个处理器实现根据权利要求1至4任意一项所述的面向不同成像需求的TDICCD成像参数设置方法。