CN113758683B - 一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法，该方法涉及装置是由相机、光学镜头、夹具、中性灰背板、第一反射面光源、第一反射面光源、光谱光度计和色彩测试卡组成。采用调整夹具拍摄色彩测试卡，调节光学镜头，使测试卡成像清晰，进行色块选取和采图，再关闭光源，进行相机在暗场下的采图，通过数据处理软件分析获取选取色块坐标系下的坐标值等参数的相关信息，再计算出色彩还原误差、色度误差和平均色彩饱和度。将经过辐照后的相机重复测试，将辐照后的色彩还原误差、色度误差的均值分别与选定阈值作差值，通过平均色彩饱和度评估相机在不同累积辐射剂量下辐射损伤引起的图像传感器光谱退化程度。本发明可以快速评估相机在不同累积辐射剂量下的辐射损伤，方法简单，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及相机标定技术领域，具体涉及一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法。
背景技术
在如今工业生产和日常生活中,相机成为一类对环境信息进行采集的重要工具。相较于昂贵的专业设备,相机具有价格低、操作便捷等诸多优点。相机系统一般由光学系统、成像系统、数据处理和传输系统组成。其中成像系统是相机的重要组成部分，它的性能决定了相机系统的色彩表现力。相机系统的色彩表现力体现在两个方面：色彩偏差和色彩饱和度。色彩偏差是指颜色的明度和色相的准确性，反映的是相机还原被摄物体真实色彩的能力。色彩饱和度通常是指色彩的纯度，反映的是相机采集图像的色彩鲜艳程度，以光谱色为标准，越接近光谱色的色彩其纯度就越高，饱和度的数值表示范围按照0％～100％划分。色彩饱和度误差通过终端照相摄影部组件或设备比对测量标准色卡得到。
数码相机对空间某点成像的原理为：照明光源发出的光被空间坐标上为一点的物体所反射,经过光学系统的调制后成像于相机图像传感器上，其中与照明光源辐射强度、拍摄物体表面光谱反射比、光学系统传输函数、相机的光谱灵敏度相关。因此在照明光源辐射强度、拍摄物体表面光谱反射比、光学系统传输函数不发生变化的情况下，其中图像颜色特征值与其内置的图像传感器的光谱灵敏度有重要的关系。相机系统光谱灵敏度的测量与估算方法也在不断发展中,目前主要有直接测量法和间接估算法。前者使用单色仪对光源进行分光,利用漫反射白屏反射单色仪输出的光,由分光光度计和相机分别进行光谱测量和拍摄。获取相机响应和分光光度计测量的数值后便可以进行相机响应函数的计算。间接估算法一般分为两步,首先通过非线性函数预测所拍摄彩色图像各个像素对应的CMOS图像传感器(CIS)响应值,然后再通过CIS响应值预估数码相机的光谱灵敏度曲线。国内有研究对标准光源下色卡样本的测量值和基于光谱灵敏度的预测值进行比较，其相对平均误差小于2％，即利用色卡对相机的光谱灵敏度的测试具有可行性。
相机的成像系统主要由互补金属氧化物半导体有源像素传感器组成，其在核工业监控领域的应用必然面临辐射环境的威胁，辐射环境中的带电粒子作用于器件可产生累积辐射效应(电离总剂量效应)导致器件的光响应非均匀性噪声等性能参数退化，甚至功能失效。国内外研究发现，互补金属氧化物半导体有源像素传感器的辐射损伤又会导致相机在辐射环境下工作经辐照后出现相机系统的色彩表现力等性能退化现象，影响到相机的正常工作。然而国内外研究机构还未充分研究CIS图像传感器辐射损伤敏感参数的变化是如何传递到相机系统输出端从而导致系统性能参数退化的机制，也就无法定量评估CIS图像传感器辐射损伤敏感参数的变化对相机系统辐射损伤。本方法中光谱采集是在色卡和标准光源等试验条件保持一致的情况下进行的，可以保证数据的可重复性与反演性；依据色度学中色彩饱和度概念，分离出能够反映色块主要特征的对应色域光谱特征，使数据计量化更有针对性。另外单色色彩饱和度取决于该色中含色成分和消色成分(灰色)的比例。含色成分越大，饱和度越大；消色成分越大，饱和度越小。由于不同累积剂量下相机光谱响应的退化导致对应色卡成像图片中单色块含色成分不同程度的减小，因此将未辐照相机下的色块饱和度作为标准参考对象，进行单色块在不同累积剂量下的色彩饱和度测量值与色彩饱和度的标准参考值作比值，可以得到平均色彩饱和度即相机辐照后选定色块对应光谱波段的退化率。
CIE1976LAB(或L*a*b*)系统已成为世界各国正式采用，作为国际通用的测色标准。适用于一切光源色或物体色的表示与计算。可通过测试图卡和所截取图像色块经软件处理数据得到各色块对应的L*a*b*坐标系下的坐标值，代入公式计算色块中每个色块的色彩还原误差色度误差ΔC和平均色彩饱和度MC。
色块中每个色块的色彩还原误差与色度误差ΔC：
平均色彩饱和度mean chroma，MC(％)：
式中：
-光场下，未辐照相机系统辐照后拍摄测试图卡的明度测定值；/>-暗场下，未辐照相机系统辐照后拍摄测试图卡的明度测定值；/>-光场下，未辐照相机系统拍摄测试图卡的色度测定值，/>-光场下，未辐照相机系统拍摄测试图卡的色度测定值；/>-光场下，辐照后相机系统拍摄测试图卡的明度测定值；/>-暗场下，辐照后相机系统拍摄测试图卡的明度测定值；/>-光场下，辐照后相机系统拍摄测试图卡的色度测定值；/> -光场下，辐照后相机系统拍摄测试图卡的色度测定值；ΔL*-明度差；Δa*、Δb*-色度差；/>-去除背景噪声后未辐照相机系统拍摄测试图卡的色度测定值；-辐照后相机系统拍摄测试图卡的色度测定值；i-色块标号；n-色块数量。
本发明是利用相机系统实际拍摄图像测试卡，通过采取图像、Imatest软件处理计算出选定色块对应的相机色彩测量L*a*b*坐标系下的坐标值，并计算其色彩还原误差、色度误差和平均色彩饱和度，通过测量相机在不同累积辐射剂量下所选取色块的L*a*b*坐标系下的坐标值，然后计算出相机系统的色彩还原误差、色度误差和平均色彩饱和度并求均值，最后将相机系统辐照后的色彩还原误差和色度误差的均值与选定阈值作差，在差值小于一定范围内，可通过平均色彩饱和度评估相机在不同累积辐射剂量下辐射损伤引起的图像传感器光谱退化程度。
发明内容
本发明的目的在于，从色彩饱和度的变化与分析推倒出相机系统性能参数的退化，提供一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法，该方法中涉及装置是由相机、光学镜头、夹具、计算机、电源、中性灰背板、第一反射面光源、第二反射面光源、光谱光度计和色彩测试卡组成。该方法首先调整夹具拍摄色彩测试卡，调节光学镜头，使测试卡成像清晰，进行色块选取和采图，再关闭光源，进行相机在暗场下的采图，通过数据处理软件分析获取选取色块L*a*b*坐标系下的坐标值等参数的相关信息，然后计算出色彩还原误差、色彩饱和度和光谱灵敏度。将经过辐照后的相机重复测试步骤，将相机系统辐照后的色彩还原误差、色度误差的均值分别与选定阈值作差值，在差值小于一定范围内，可通过平均色彩饱和度评估相机在不同累积辐射剂量下辐射损伤引起的图像传感器光谱退化程度。本发明可以在辐照条件下快速评估相机在不同累积辐射剂量下辐射损伤，方法简单，实用性强。
本发明所述的一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法，该方法涉及装置是由相机、光学镜头、夹具、计算机、电源、中性灰背板、第一反射面光源、第二反射面光源、光谱光度计和色彩测试卡组成，将在相机(1)的上端设有光学镜头(3)，相机(1)固定在夹具(2)中，在色彩测试卡(6)的上端设有中性灰背板(8)，在中性灰背板(8)两边设有第一反射面光源(4)和第二反射面光源(5)，在色彩测试卡(6)表面设有光谱亮度计(9)，相机(1)分别与计算机(7)和电源(10)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将未经辐照的设有光学镜头(3)的相机(1)固定在夹具(2)中；
b、将夹具(2)放置在中性灰背板(8)的正前方，相机(1)分别与计算机(7)和电源(10)连接，打开电源(10)，打开第一反射面光源(4)和第二反射面光源(5)，开始进行测试，测试时需关闭设备周围所有照明光源；
c、调整夹具(2)的角度和高度，使夹具(2)中的相机(1)能够对准色彩测试卡(6)，使色彩测试卡(6)成像于镜头中心，同时调节相机(1)的光学镜头焦距，使色彩测试卡(6)中各部分成像清晰；
d、将光谱亮度计(9)放置在色彩测试卡(6)表面并对色彩测试卡(6)表面照度进行计量，色彩测试卡(6)表面任何一点的照度与色彩测试卡(6)中心照度差范围在0-5％内；
e、关闭相机自动白平衡功能，计算机(7)分别以固定积分时间进行数据采集，光场条件下采集20幅图像；
f、关闭第一反射面光源(4)和第二反射面光源(5)，重复步骤e，在暗场情况下相机拍摄20幅图像；
g、将步骤e中采集的20幅光场图像导入Imatest数据处理软件，将步骤d测出的色彩测试卡(6)表面照度输入Imatest数据处理软件，在软件中选取任一色块；
h、将步骤g选定的色块，经Imatest软件处理输出每幅图像该色块的L*a*b*坐标系下坐标值，并计算出20幅光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值
i、将步骤f中采集的20幅暗场图像导入Imatest数据处理软件，在Imatest软件中选取任一色块，经Imatest软件处理输出每幅图像选定色块所在位置的L*a*b*坐标系下坐标值，并计算出20幅暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值
j、将步骤h、步骤i中光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值与暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值代入公式计算出去除背景噪声后未辐照相机系统拍摄测试图卡的色块L*a*b*坐标系下的坐标值
k、将辐照到任意累积剂量的相机(1)固定在夹具(2)上，重复步骤b、c、d、e、f、g、h、i，得到辐照后光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值与暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值/>代入公式计算出去除背景噪声后辐照后相机系统拍摄测试图卡的色块L*a*b*坐标系下的坐标值/>
1、将步骤j、k得到的坐标值与/>代入公式计算选定色块的色彩还原误差/>色度误差ΔC分别与选定阈值M、N作差，得到A、B；
m、若A、B值均不超过2，则计算选定色块的平均色彩饱和度MC，MC即为相机辐照后选定色块对应光谱波段的退化率。
本发明所述的一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法，该方法中使用的采图软件是由中国科学院新疆理化技术研究所提供；数据处理专用的软件时由Imatest提供。Imatest数据处理软件功能：(1)读取图像；(2)完成色块匹配和比对功能，并输出选取色块L*a*b*坐标(3)通过色块L*a*b*坐标值计算彩还原误差、色度误差和平均色彩饱和度，评估光谱退化程度。
通过Imatest数据处理软件进行数据处理步骤及方法为：
1)测试图卡匹配：
(1)给定初始参数：利用Imatest数据处理软件，输入焦距，照度，相机与色彩测试卡距离，便进行后期Imatest软件计算；
(2)读取图像、色块匹配：读入需处理光场下色彩测试卡，由于实际图片与软件ROI之间存在误差，匹配易失败，因此，需进行人工位置调整图片位置，软件可自动完成图片匹配功能，然后进行软件计算，导出匹配成功的色块L*a*b*坐标参数，输出CSV表格；
读入需处理暗场下图片，利用Image Statistics功能对图片进行分析，导出暗场下L*a*b*坐标参数；
通过未辐照相机系统在光场和暗场下采集图像的匹配和计算，得到相机在光场下选定的色块L*a*b*坐标系下的坐标值相机在暗场下选定的色块L*a*b*坐标系下的坐标值/>
通过辐照后相机系统在光场和暗场下采集图像的匹配和计算，得到相机在光场下选定的色块L*a*b*坐标系下的坐标伯相机在暗场下选定的色块L*a*b*坐标系下的坐标值/>
根据公式(1)、(2)、(3)计算出去除背景噪声后未辐照相机系统拍摄色彩测试卡的色块L*a*b*坐标系下的坐标值
根据公式(4)、(5)、(6)计算出去除背景噪声后辐照后相机系统拍摄色彩测试卡的选定色块L*a*b*坐标系下的坐标值
利用计算出的L*a*b*坐标系下的坐标值根据公式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(12)计算出色彩还原误差/>色度误差ΔC，可通过选取相应色块根据公式(12)计算相应的平均色彩饱和度MC；
本发明所述的一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法，该方法中涉及装置包括相机、光学镜头、夹具、计算机、电源、中性灰背板、第一反射面光源、第二反射面光源、光谱光度计和色彩测试卡。该方法首先调整夹具拍摄色彩测试卡，调节光学镜头，使测试卡成像清晰，进行色块选取和采图，再关闭光源，进行相机在暗场下的采图，通过数据处理软件分析获取选取色块L*a*b*坐标系下的坐标值等参数的相关信息，然后计算出色彩还原误差、色度误差、色彩饱和度。将经过辐照后的相机重复测试步骤，将将经过辐照后的相机重复测试步骤，将相机系统辐照后的色彩还原误差、色度误差的均值分别与选定阈值作差值，在差值小于一定范围内，可通过平均色彩饱和度评估相机在不同累积辐射剂量下辐射损伤引起的图像传感器光谱退化程度。本发明可以快速评估相机在不同累积辐射剂量下辐射损伤，方法简单，实用性强。更可以为相机系统在辐照条件下快速评估辐射损伤技术的研究奠定一定的基础，同时可以为抗辐照相机系统的设计提供一定的理论依据。
本发明所述的一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法，适用于成像系统是任意型号互补金属氧化物半导体有源像素传感器的相机系统。
因此本发明适用于需要预估或者掌握相机辐射损伤程度的研制单位、科研院所使用。
附图说明
图1为本发明测试系统示意图；
图2为本发明计算机采集到的一幅图像；
图3为本发明Imatest软件对光场测试卡图像处理结果(输出CSV表格)；
图4为本发明Imatest软件对暗场测试卡图像处理结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例
本发明涉及一种基于平均色彩饱和度测量的相机系统辐射损伤评估方法，该方法涉及装置是由相机、光学镜头、夹具、计算机、电源、中性灰背板、第一反射面光源、第二反射面光源、光谱光度计和色彩测试卡组成，将在相机1的上端设有光学镜头3，相机1固定在夹具2中，在色彩测试卡6的上端设有中性灰背板8，在中性灰背板8两边设有第一反射面光源4和第二反射面光源5，在色彩测试卡6表面设有光谱亮度计9，相机1分别与计算机7和电源10连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将未经辐照的设有光学镜头3的相机1固定在夹具2中，相机所用的互补金属氧化物半导体有源像素传感器型号为AR0230，其分辨率为1920×1080；
b、将夹具2放置在中性灰背板8的正前方，相机1分别与计算机7和电源10连接，打开电源10，打开第一反射面光源4和第二反射面光源5，开始进行测试，测试时需关闭设备周围所有照明光源；
c、调整夹具2的角度和高度，使夹具2中的相机1能够对准色彩测试卡6，使色彩测试卡6成像于镜头中心，同时调节相机1的光学镜头3焦距，使色彩测试卡6中各部分成像清晰；
d、将光谱亮度计9放置在色彩测试卡6表面，并对色彩测试卡6表面照度进行计量，表面照度为820lux，色彩测试卡6表面任何一点的照度与色彩测试卡6中心照度差范围在0-5％内；
e、关闭相机自动白平衡功能，计算机7分别以固定积分时间72.8ms进行数据采集，光场条件下采集20幅图像，采图软件由中国科学院新疆理化技术研究所提供；
f、关闭第一反射面光源4和第二反射面光源5，重复步骤e，在暗场情况下相机拍摄20幅图像；
g、将步骤e中采集的20幅光场图像导入Imatest数据处理软件，将步骤d测出的色彩测试卡6表面实际照度8201ux输入Imatest数据处理软件，通过人工调整图片位置和软件ROI区域，便于软件自动匹配和进行数据处理，在软件中选取蓝色色块进行后续计算；
h、将步骤g选定的蓝色色块，经软件处理输出每幅图像该色块的L*a*b*坐标系下坐标值，并计算出20幅光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值
i、将步骤f中采集的20幅暗场图像导入数据处理软件，经软件处理输出每幅图像选定色块所在位置的L*a*b*坐标系下坐标值，并计算出20幅暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值
j、将步骤h、i中光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值与暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值代入公式(1)、(2)、(3)计算出去除背景噪声后未辐照相机系统拍摄测试图卡的色块L*a*b*坐标系下的坐标值
k、将辐照到任意累积剂量的相机1固定在夹具2上，重复步骤b、c、d、e、f、g、h、i，得到辐照后光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均伯与暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值/>代入公式(4)、(5)、(6)计算出去除背景噪声后辐照后相机系统拍摄测试图卡的色块L*a*b*坐标系下的坐标值/>
1、将步骤j、k得到的与/>代入公式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(13)、(14)计算色块中选定色块的色彩还原误差/>色度误差ΔC分别与选定阈值M＝1，N＝1作差(其中阈值大小自行选定，一般1-2之间)，得到A、B；
B＝ΔC-N (14)
m、其中A、B值均不超过2，则代入公式(12)计算选定色块的平均色彩饱和度MC，MC即为相机辐照后选定色块对应光谱波段的退化率。色彩还原误差1.6，色度误差1.31，平均色彩饱和度92％(辐射剂量为50krad)；色彩还原误差2.52，色度误差1.99，平均色彩饱和度76％(辐射剂量为200krad)；
如果想评估辐照累积剂量为不同大小的相机(1)所对应的图像传感器光谱退化程度，可以将步骤k中的相机1内部互补金属氧化物半导体有源像素传感器样品更换成不同辐照累积剂量后的样品，重复步骤k到步骤m，即可得到结果。
以上仅为本发明所述的一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解到的替换或增减，都应涵盖在本发明的包含范围之内。
Claims (1)
1.一种基于平均色彩饱和度的相机系统辐照后光谱退化评估方法，其特征在于，该方法中涉及装置是由相机、光学镜头、夹具、计算机、电源、中性灰背板、第一反射面光源、第二反射面光源、光谱光度计和色彩测试卡组成，将在相机(1)的上端设有光学镜头(3)，相机(1)固定在夹具(2)中，在色彩测试卡(6)的上端设有中性灰背板(8)，在中性灰背板(8)两边设有第一反射面光源(4)和第二反射面光源(5)，在色彩测试卡(6)表面设有光谱亮度计(9)，相机(1)分别与计算机(7)和电源(10)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将未经辐照的设有光学镜头(3)的相机(1)固定在夹具(2)中；
b、将夹具(2)放置在中性灰背板(8)的正前方，相机(1)分别与计算机(7)和电源(10)连接，打开电源(10)，打开第一反射面光源(4)和第二反射面光源(5)，开始进行测试，测试时需关闭设备周围所有照明光源；
c、调整夹具(2)的角度和高度，使夹具(2)中的相机(1)能够对准色彩测试卡(6)，使色彩测试卡(6)成像于镜头中心，同时调节相机(1)的光学镜头(3)焦距，使色彩测试卡(6)中各部分成像清晰；
d、将光谱亮度计(9)放置在色彩测试卡(6)表面并对色彩测试卡(6)表面照度进行计量，色彩测试卡(6)表面任何一点的照度与色彩测试卡(6)中心照度差范围在0-5％内；
e、关闭相机自动白平衡功能，计算机(7)分别以固定积分时间进行数据采集，光场条件下采集20幅图像；
f、关闭第一反射面光源(4)和第二反射面光源(5)，重复步骤e，在暗场情况下相机拍摄20幅图像；
g、将步骤e中采集的20幅光场图像导入Imatest数据处理软件，将步骤d测出的色彩测试卡(6)表面照度输入Imatest数据处理软件，在软件中选取任一色块；
h、将步骤g选定的色块，经Imatest软件处理输出每幅图像该色块的L*a*b*坐标系下坐标值，并计算出20幅光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值
i、将步骤f中采集的20幅暗场图像导入Imatest数据处理软件，在Imatest软件中选取任一色块，经Imatest软件处理输出每幅图像选定色块所在位置的L*a*b*坐标系下坐标值，并计算出20幅暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值
j、将步骤h和步骤i中光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值与暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值代入公式(1)、(2)、(3)计算出去除背景噪声后未辐照相机系统拍摄测试图卡的色块L*a*b*坐标系下的坐标值
k、将辐照到任意累积剂量的相机(1)固定在夹具(2)上，重复步骤b、c、d、e、f、g、h和i，得到辐照后光场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值与暗场图像L*a*b*坐标系下坐标值的均值/>代入公式(4)、(5)、(6)计算出去除背景噪声后辐照后相机系统拍摄测试图卡的色块L*a*b*坐标系下的坐标值/>
l、将步骤j和步骤k得到的与/>代入公式(7)、(8)、(9)、(10)、(11)、(13)、(14)计算色块中选定色块的色彩还原误差/>色度误差ΔC分别与选定阈值M＝1,N＝1作差，得到A、B；
B＝ΔC-N (14)；
m、若A、B值均不超过2，则计算选定色块的平均色彩饱和度MC，MC即为相机辐照后选定色块对应光谱波段的退化率。
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