CN114710659B - 基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后prnu退化快速评估方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，该方法中涉及装置包括相机、图像传感器、夹具、计算机、电源和积分球。该方法首先调整夹具使相机对准积分器出光口，令积分器出光口发射出的光线均匀成像于图像传感器的焦平面上，然后进行采图，通过数据处理软件分析后代入公式计算获取图像亮度非均匀性，将辐照后图像传感器安装到相机上重复上述测试步骤，计算出相机在不同累积剂量下图像亮度非均匀性，最后根据辐照前后相机亮度非均匀性与辐照前图像传感器PRNU计算获得不同累积剂量下图像传感器PRNU退化后的估计值。本发明能够快速对辐照后图像传感器PRNU的退化值进行评估，方法简单，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及图像传感器性能评估技术领域，具体涉及一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法。
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亮度非均匀性的大小。相机系统亮度指的是不同区域的成像后亮度的效果具有差异性。
核工业的作业工况多数是强辐射环境。由于辐射环境的恶劣，为保证工作人员与设施的安全，需要应用相机系统以实现精细化远程遥控操作。但核辐射环境中的γ射线、中子等作用于相机系统，可产生瞬时效应和累积辐射损伤，导致器件参数退化或功能衰退，影响相机的均匀性等参数。
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，相机成像亮度非均匀性与相机内置图像传感器的光响应非均匀性(PRNU)与暗信号非均匀性(DSNU)有重要联系。图像传感器PRNU、DSNU的测试与估算方法在不断发展中,目前主要基于EMVA1288标准对两个参数进行评估，但随着图像传感器尺寸、分辨率的增长，测试需要消耗的时间大幅上升。本发明根据辐照前后相机亮度非均匀性与辐照前图像传感器PRNU计算获得不同累积剂量下图像传感器PRNU退化后的估计值。相比于EMVA1288标准，本发明能够快速对辐照后图像传感器PRNU的退化值进行评估。
发明内容
本发明的目的在于，从相机亮度非均匀性的变化入手，分析计算出图像传感器辐照后PRNU的退化值，提供一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，该方法中涉及装置包括相机、图像传感器、夹具、计算机、电源和积分球。该方法首先调整夹具使相机对准积分器出光口，令积分器出光口发射出的光线均匀成像于图像传感器的焦平面上，然后进行采图，通过数据处理软件分析后代入公式计算获取图像亮度非均匀性，将辐照后图像传感器安装到相机上重复上述测试步骤，计算出相机在不同累积剂量下图像亮度非均匀性，最后根据辐照前后相机亮度非均匀性与辐照前图像传感器PRNU计算获得不同累积剂量下图像传感器PRNU退化后的估计值。本发明能够快速对辐照后图像传感器PRNU的退化值进行评估，方法简单，实用性强。
本发明所述的一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，该方法中涉及装置是由相机(1)、夹具(2)、图像传感器(3)、积分球(4)、计算机(5)和电源(6)组成，将图像传感器(3)安装在相机(1)上，相机(1)固定在夹具(2)中，在夹具(2)的前端放置积分球(4)，相机(1)与计算机(5)和电源(6)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将图像传感器(3)安装在相机(1)，将相机(1)固定在夹具(2)上，再将夹具(2)放置在积分球(4)前方；
b、相机(1)与计算机(5)和电源(6)连接，打开电源(6)与积分球(4)，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)上的相机(1)固定的图像传感器(3)对准积分球(4)的出光口，使积分球(4)出光口的光线均匀成像于图像传感器(3)的焦平面上，固定夹具(2)，保持夹具(2)与积分球(4)之间的距离不变；
d、调整积分球(4)的亮度，令计算机(5)在积分时间不变的情况下采集整幅图像，并使像素输出的灰度值位于47.5％-52.5％饱和灰度值范围内；
e、计算机(5)在与步骤d中的积分时间保持一致的情况下进行采集20幅图像；
f、将步骤e中采集的20幅光场图像导入数据处理软件，选取图像处理的区域，并对选取区域进行子区域划分；
g、将步骤f选定的图像处理区域，经软件处理输出每幅图像处理区域内各子区域的亮度Y值，选出其中最大与最小亮度值max[Y(i)]与min[Y(i)]，并代入公式(1)计算出20幅光场图像亮度非均匀性的均值DY0，式中n为采图数量；
h、将辐照到任意累积剂量的图像传感器(3)安装在相机(1)，将相机(1)固定在夹具(2)上，重复步骤b、c、d、e、f、g，得到辐照后光场图像亮度非均匀性的均值DY1；
i、将步骤g、h得到的亮度非均匀性均值DY0、DY1与辐照前图像传感器的PRNU的测量值PRNU0代入公式(2)
计算出图像传感器PRNU辐照后的估计值PRNU1。
本发明所述的一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，对于完整的相机系统，在测试设备保持一致的情况下，数据具有可重复性。相机亮度非均匀性的变化主要受图像传感器PRNU与DSNU的影响，光场下相机亮度非均匀性受PRNU的影响远大于DSNU的影响，因此可通过对相机亮度非均匀性进行测量分析快速获得辐照后图像传感器PRNU的变化值。相比于EMVA1288标准，本发明能够快速对辐照后图像传感器PRNU的退化值进行评估。
本发明所述的一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，通过将辐照前后的相机亮度非均匀性参数与图像传感器PRNU的初始值进行公式的计算可以得到辐照后的图像传感器PRNU的估计值；
图像选定区域的亮度非均匀性DY均值的计算：
式(1)中，Y(i)为序号为i的图像选定区域内部分割后子区域Y的测试值，其中最大与最小亮度值分别为max[Y(i)]与min[Y(i)]，n为图像数量；
辐照后图像传感器PRNU的估计值PRNU1的计算公式为：
式(2)中，PRNU1为辐照后图像传感器PRNU的估计值，DY0为辐照前相机亮度非均匀性的均值，DY1为辐照后相机亮度非均匀性的均值，PRNU0为辐照前图像传感器PRNU的测试值。
本发明所述的一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，是利用相机系统实际拍摄积分球出光口射出的均匀光，通过采取图像、软件处理获得每幅图像处理区域内各个子区域的亮度Y值，选出其中最大与最小亮度值，并代入公式计算图像亮度非均匀性，然后将辐照后图像传感器安装到相机上重复上述测试步骤，计算出相机在不同累积剂量下图像亮度非均匀性，最后根据辐照前后相机亮度非均匀性与辐照前图像传感器PRNU计算获得不同累积剂量下图像传感器PRNU退化后的估计值。本发明能够快速对辐照后图像传感器PRNU的退化值进行评估。
本发明所述的一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，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是由Imatest提供。Imatest数据处理软件功能：(1)读取图像；(2)完成图像区域选取和子区域的分割功能，并输出各个子区域的亮度Y值；
通过Imatest数据处理软件进行数据处理步骤及方法介绍如下：
(1)读取图像：
对软件进行测试功能模块选取，读入需处理的图像，进行人工位置调整图像位置，软件可自动完成图像匹配功能；
(2)图像区域选取与子区域分割：
对读入需处理图像，利用均匀性功能对图像进行分析后，手动选取图像需处理区域，并设置图像需处理区域内部子区域分割数目，经软件处理输出各个子区域的亮度Y；
通过未辐照相机系统在积分球下采集图像的匹配和计算，将图像子区域亮度Y的最大与最小值代入公式(1)得到相机亮度非均匀性的均值DY0；通过辐照后相机系统在积分球下采集图像的匹配和计算，从图像子区域的亮度Y值中选出最大与最小亮度值max[Y(i)]与min[Y(i)]，代入公式以(1)得到相机亮度非均匀性的均值DY1；
利用实验室辐照前图像传感器的PRNU的测量值PRNU0，根据公式(2)
计算出图像传感器PRNU的辐照后的估计值PRNU1。
本发明所述的一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，该方法中涉及装置包括相机、图像传感器、夹具、计算机、电源和积分球。该方法首先调整夹具使相机对准积分器出光口，令积分器出光口发射出的光线均匀成像于图像传感器的焦平面上，然后进行采图，通过数据处理软件分析后代入公式计算获取图像亮度非均匀性，将辐照后图像传感器安装到相机上重复上述测试步骤，计算出相机在不同累积剂量下图像亮度非均匀性，最后根据辐照前后相机亮度非均匀性与辐照前图像传感器PRNU计算获得不同累积剂量下图像传感器PRNU退化后的估计值。本发明能够快速对辐照后图像传感器PRNU的退化值进行评估，方法简单，实用性强，更可以为抗辐照图像传感器的设计提供一定的理论依据。
本发明所述的一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，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图像传感器与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为计算机采集到的一幅图像；
图3为Imatest软件对图像处理结果。
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
本发明所述的一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，该方法中涉及装置是由相机1、夹具2、图像传感器3、积分球4、计算机5和电源6组成，将图像传感器3安装在相机1上，相机1固定在夹具2中，在夹具2的前端放置积分球4，相机1与计算机5和电源6连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将图像传感器3安装在相机1，将相机1固定在夹具2上，再将夹具2放置在积分球4前方，相机1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、相机1与计算机5和电源6连接，打开电源6与积分球4，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上的相机1固定的图像传感器3对准积分球4的出光口，使积分球4出光口的光线均匀成像于图像传感器3的焦平面上，固定夹具2，保持夹具2与积分球4之间的距离不变；
d、调整积分球4的亮度，令计算机5在积分时间不变的情况下采集整幅图像，并使像素输出的灰度值位于47.5％-52.5％饱和灰度值范围内；
e、计算机5在与步骤d中的积分时间保持一致的情况下进行采集20幅图像；
f、将步骤e中采集的20幅光场图像导入数据处理软件，选取图像处理的区域，并对选取区域进行子区域划分；
g、将步骤f选定的图像处理区域，经软件处理输出每幅图像处理区域内各子区域的亮度Y值，选出其中最大与最小亮度值max[Y(i)]与min[Y(i)]，并代入公式(1)计算出20幅光场图像亮度非均匀性的均值DY0，式中n为采图数量；
h、将辐照到任意累积剂量的图像传感器3安装在相机1，将相机1固定在夹具2上，重复步骤b、c、d、e、f、g，得到辐照后光场图像亮度非均匀性的均值DY1；
i、将步骤g、h得到的亮度非均匀性均值DY0、DY1与辐照前图像传感器的PRNU的测量值PRNU0代入公式(2)
计算出图像传感器PRNU辐照后的估计值PRNU1。
a、将图像传感器3安装在相机1，将相机1固定在夹具2上，再将夹具2放置在积分球4前方，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、相机1与计算机5和电源6相连，打开电源6与积分球4，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上相机1固定的图像传感器3对准积分球4的出光口，使积分球4出光口的光线均匀成像于图像传感器3的焦平面上，然后固定夹具2，保持夹具2与积分球4之间的距离不变；
d、调整积分球4的亮度，令计算机5在积分时间不变的情况下采集整幅图像，并使像素输出的灰度值位于47.5％-52.5％饱和灰度值范围内，其中由于相机1图像饱和灰度值为255，因此调整积分球4的亮度令输出图像的灰度值位于121至133(DN)之间；
e、计算机5在与步骤d中的积分时间保持一致的情况下进行采集20幅图像；
f、将步骤e中采集的20幅图像导入Imatest图像处理软件，选取图像处理的区域，并对选取区域划分为11×11个子区域划；
g、将步骤f选定的图像区域，经Imatest图像处理软件处理输出每幅图像处理区域内部各个子区域的亮度Y值，选出其中最大与最小亮度值max[Y(i)]与min[Y(i)]，并计算代入公式(1)计算出20幅图像亮度非均匀性的均值DY0；
h、将辐照到任意累积剂量的图像传感器3安装在相机1，将相机1固定在夹具2上，重复步骤b、c、d、e、f、g，得到辐照后光场图像亮度非均匀性的均值DY1；
i、将步骤g、h得到的亮度非均匀性均值DY0、DY1与辐照前图像传感器的PRNU的测量值PRNU0代入公式(2)计算出的大小即为图像传感器PRNU的辐照后的估计值PRNU1。
图像传感器3辐照后PRNU对应的估计值为1.95％(辐射剂量为200krad)，图像传感器3辐照后PRNU对应的估计值为2.1％(辐射剂量为280krad)；如果要评估辐照到不同累积剂量图像传感器3PRNU的退化程度，可以将步骤h中的图像传感器3更换成辐照到不同累积剂量的相机样品，重复步骤h到步骤i，即得到结果。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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)
1.一种基于相机亮度非均匀性的图像传感器辐照后PRNU退化快速评估方法，其特征在于，该方法中涉及装置是由相机(1)、夹具(2)、图像传感器(3)、积分球(4)、计算机(5)和电源(6)组成，将图像传感器(3)安装在相机(1)上，相机(1)固定在夹具(2)中，在夹具(2)的前端放置积分球(4)，相机(1)与计算机(5)和电源(6)连接，具体操作按下列步骤进行：
a、将图像传感器(3)安装在相机(1)，将相机(1)固定在夹具(2)上，再将夹具(2)放置在积分球(4)前方；
b、相机(1)与计算机(5)和电源(6)连接，打开电源(6)与积分球(4)，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)上的相机(1)固定的图像传感器(3)对准积分球(4)的出光口，使积分球(4)出光口的光线均匀成像于图像传感器(3)的焦平面上，固定夹具(2)，保持夹具(2)与积分球(4)之间的距离不变；
d、调整积分球(4)的亮度，令计算机(5)在积分时间不变的情况下采集整幅图像，并使像素输出的灰度值位于47.5％-52.5％饱和灰度值范围内；
e、计算机(5)在与步骤d中的积分时间保持一致的情况下进行采集20幅图像；
f、将步骤e中采集的20幅光场图像导入数据处理软件，选取图像处理的区域，并对选取区域进行子区域划分；
g、将步骤f选定的图像处理区域，经软件处理输出每幅图像处理区域内各子区域的亮度Y值，选出其中最大与最小亮度值max[Y(i)]与min[Y(i)]，并代入公式(1)计算出20幅光场图像亮度非均匀性的均值DY0，式中n为采图数量；
h、将辐照到任意累积剂量的图像传感器(3)安装在相机(1)，将相机(1)固定在夹具(2)上，重复步骤b、c、d、e、f、g,得到辐照后光场图像亮度非均匀性的均值DY1；
i、将步骤g、h得到的亮度非均匀性均值DY0、DY1与辐照前图像传感器的PRNU的测量值PRNU0代入公式(2)
计算出图像传感器PRNU辐照后的估计值PRNU1。
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