CN115514900A - 一种成像光谱仪快速自动化曝光成像方法及存储介质 - Google Patents

Abstract

本发明的一种成像光谱仪快速自动化曝光成像方法及存储介质，包括以下步骤指定波段、指定行作为测光像元，根据该区域像元的平均DN值作为测光依据；然后对成像光谱仪进行初始化操作，根据需要设定相关参数：基于上述指定的波段、指定的行作为测光像元，进行测光，并得到曝光时间T；最后采用曝光时间T进行数据采集。本发明根据成像光谱仪数据特点，在保证测光质量的前提下，通过指定波段、指定空间维像元的方法，减少读出像元，缩短测光图像的读出时间；结合成像系统工作原理，通过两点法，快速读出两幅短曝光测光图像即可得到目标曝光时间、实现成像光谱仪快速自动化曝光成像，准确、可靠。

Description

一种成像光谱仪快速自动化曝光成像方法及存储介质

技术领域

本发明涉及成像技术领域，具体涉及一种成像光谱仪快速自动化曝光成像方法及存储介质。

背景技术

成像系统的成像亮度调整参数通常包括三种：调整光圈大小、调整曝光时间长短和调整成像增益(即放大倍数)。因此调整拍摄目标亮度的方法即是对此三个参数的调整。

自动曝光即是成像系统自动调整系统参数，使得目标亮度达到指定标准。该标准即是目标亮度的评价算法，通常有三种：平均亮度法、权重均值法和亮度直方图。平均亮度法就是对图像所有像素亮度求平均值，通过不断调整曝光参数最终达到目标亮度。而权重均值法是对图像不同区域设置不同权重来计算图像亮度。亮度直方图法是通过为直方图中峰值分配不同权重来计算图像亮度。

光谱仪成像系统获取的是目标区域的光谱信息，可采用平均亮度法进行目标亮度评价(即测光)，此方法获取的是目标区域全波段的平均亮度信息。当需要获取某个特定波段的高亮度信息时，此测光方法不再适用。

成像光谱仪通过获取目标区域的光谱信息，结合反演算法可获取目标区域的浓度信息。如差分成像光谱仪获取目标区域在338～370nm波段的光谱数据可反演NO2的柱浓度，307.8～330nm波段的光谱信息可用于反演SO2的柱浓度等。因此当反演特定气体时，须获取其对应反演波段的高质量数据，即指定波段具有较高亮度。

总的来说，传统方法的自动曝光标准不适合光谱仪类成像系统，且通常需要获取至少3-4幅图像用于曝光测定，浪费数据采集时间窗口。为提升数据采集效率同时保证光谱数据质量，需要快速自动化曝光方法。

发明内容

本发明提出的一种成像光谱仪快速自动化曝光成像方法及存储介质，根据成像目标亮度，实现成像光谱仪快速自动化曝光时间调整，使得获取的图像达到指定亮度，从而提升数据质量。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种成像光谱仪快速自动化曝光成像方法，包括以下步骤：

指定波段、指定行作为测光像元，根据该区域像元的平均DN值作为测光依据；然后对成像光谱仪进行初始化操作，根据需要设定相关参数：

基于上述指定的波段、指定的行作为测光像元，进行测光，并得到曝光时间T；

最后采用曝光时间T进行数据采集。

进一步，最后采用曝光时间T进行数据采集之前还包括判断目标曝光时间T是否超出最值，并且当小于设定的最小值T_MIN则将T值修改为T_MIN；大于设定的最小值T_MAX则将T值修改为T_MAX。

进一步的，所述对成像光谱仪进行初始化操作，根据需要设定相关参数，包括：

设定目标波段：λ₁～λ₂；

设定目标波段目标灰度值：DN_t；

设定测光行号：R₁,R₂,…,R_N；

设定曝光时间最值：T_MIN、T_MAX。

进一步的，所述指定波段即为目标波段的选取，即结合成像光谱仪应用场景，将目标波段数值自动曝光到高亮度目标灰度值以获取高信噪比数据。

进一步的，所述基于上述指定的波段、指定的行作为测光像元，进行测光，并得到曝光时间T，具体包括：

采用曝光时间T₁进行成像，计算测光行目标波段内平均值：DN_A1；

采用曝光时间T₂进行成像，计算测光行目标波段内平均值：DN_A2；

将T₁、T₂、DN_A1、DN_A2和DN_t带入公式(2)，得到曝光时间：T；其中，目标曝光时间T的计算方法：

T＝α·DN_t+β (2)

其中，

其中T₁、T₂，DN_A1、DN_A2分别两次曝光时间及其对应的测光像元的平均DN值，α和β为目标DN值DN_t到目标曝光时间的映射系数。

另一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述方法的步骤。

由上述技术方案可知，本发明的成像光谱仪快速自动化曝光成像方法，通过指定测光区域，可以减少成像系统读出像元的时间，从而大大缩短测光时间；具体的说，本发明根据成像系统的工作原理、数据获取机理，只需获取两幅较短曝光时间的测光区域像元，即可通过两点法得到所需曝光时间；实际应用时，可根据需要指定特定需求波段，并使用该波段进行测光，从而获取该波段的高信噪比数据，方便快捷；

总得来说，本发明根据成像光谱仪数据特点，在保证测光质量的前提下，通过指定波段、指定空间维像元的方法，减少读出像元，缩短测光图像的读出时间；结合成像系统工作原理，通过两点法，快速读出两幅短曝光测光图像即可得到目标曝光时间、实现成像光谱仪快速自动化曝光成像，准确、可靠。

附图说明

图1是成像光谱仪图像数据说明示意图；

图2是本实施例两次曝光成像获取的数据值；

图3是本实施例的快速自动化曝光成像操作流程示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

由于现有测光方法不适用于成像光谱仪；测光时间较长(通常需要先拍摄3-4幅全像面图像进行测光，再进行采集)。本发明实施例可以缩短成像光谱仪测光时间，提升设备数据采集效率，实现快速自动化曝光成像。

成像光谱仪同时获取目标区域的空间维信息和光谱维信息，即图像数据中的每一行均为光谱数据，不同行表是不用空间维的数据，如图1所示。图中光谱维每个像元的DN(Digital Number)值表示该点波长对应的光能量数字化的数字。

成像系统的将光学能量转换成过程用公式(1)表示：

E·η·μ·g+B＝DN (1)

其中，E为探测器接收到的能量，η为量子效率，μ为探测器内部放大器增益，g为成像系统电路增益，B为电路偏置，DN为转换后的像素值。对于一个固定的成像系统，其电路增益通常可调，η、μ和B均为固定数值，即E与DN值为线性关系。

而通常探测器接收到的能量E与成像系统的曝光时间呈线性关系。因此曝光时间与DN值呈线性关系。

因此只需获取两次不同曝光时间下的图像对应的DN值，即可得到指定DN值下的曝光时间，即为目标曝光时间。此过程即为测光过程。

而为了缩短测光时间，1)可使用较小的曝光时间；2)测光过程中的两次曝光成像可以仅读取感兴趣的特定行、特定波段的探测器像元数据(可称为测光像元)，求取该区域像元的平均值，根据两次曝光数据即可计算得到目标曝光时间。

计算过程如下：

两次曝光成像获取的数据值如图2所示。根据线性方程计算公式可得，目标曝光时间T的计算方法：

T＝α·DN_t+β (2)

其中，

其中(T₁，DN_A1)、(T₂，DN_A2)分别两次曝光时间及其对应的测光像元的平均DN值，d和β为目标DN值DN_t到目标曝光时间的映射系数。

具体流程如图3所示，实施步骤如下：

1)指定波段、指定行作为测光像元，根据该区域像元的平均DN值作为测光依据；对成像光谱仪进行初始化操作，根据需要设定相关参数：其中，指定波段即目标波段的选取，即结合成像光谱仪应用场景，将目标波段数值自动曝光到高亮度目标灰度值以获取高信噪比数据；具体步骤如下：

a)设定目标波段：λ₁～λ₂；波段根据需要设定；如在DOAS系统中将可选取目标波段为某种气体的最优反演波段：反演HCHO过程中，将其设置为332～358nm，反演SO2过程中可将其设置为308～315nm等；

b)设定目标波段目标灰度值：DN_t；目标波段目标灰度值根据需要设定，一般为满量程的80％；

c)设定测光行号：R₁,R₂,…,R_N，N为总的测光行数，测光行号根据需要设定，可多可少，少则更快，一般为1即可；

d)设定曝光时间最值：T_MIN、T_MAX，根据实际应用情况设定，一般为50mS-10S；

2)开始测光：T1，T2可设置较小以加快成像速度；一般可设置为10mS-100mS内，跨度大于10的两个数；

a)采用曝光时间T₁进行成像，计算测光行目标波段内平均值：DN_A1；

b)采用曝光时间T₂进行成像，计算测光行目标波段内平均值：DN_A2；

c)将T₁、T₂、DN_A1、DN_A2和DN_t带入公式(2)，得到曝光时间：T

3)判断目标曝光时间T是否超出最值：

a)小于设定的最小值T_MIN则将T值修改为T_MIN

b)大于设定的最小值T_MAX则将T值修改为T_MAX

4)根据曝光时间T，进行数据采集。

综上所述，本发明实施例提出一种适用于成像光谱仪的快速测光方法：指定特定波段、特定行作为测光像元，根据该区域像元的平均DN值作为测光依据；根据成像光谱仪的数据获取机理，结合其曝光时间与测光像元平均DN值的线性关系，使用两点法，得出目标DN值到曝光时间的映射系数(计算公式)。本发明的成像光谱仪快速自动化曝光成像方法，通过指定测光区域，可以减少成像系统读出像元的时间，从而大大缩短测光时间；具体的说，本发明根据成像系统的工作原理、数据获取机理，只需获取两幅较短曝光时间的测光区域像元，即可通过两点法得到所需曝光时间；实际应用时，可根据需要指定特定需求波段，并使用该波段进行测光，从而获取该波段的高信噪比数据，方便快捷；

又一方面，本发明还公开一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。

再一方面，本发明还公开一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一方法的步骤。

在本申请提供的又一实施例中，还提供了一种包含指令的计算机程序产品，当其在计算机上运行时，使得计算机执行上述实施例中任一方法的步骤。

可理解的是，本发明实施例提供的系统与本发明实施例提供的方法相对应，相关内容的解释、举例和有益效果可以参考上述方法中的相应部分。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，本申请所提供的各实施例中所使用的对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用，均可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器可包括只读存储器(ROM)、可编程ROM(PROM)、电可编程ROM(EPROM)、电可擦除可编程ROM(EEPROM)或闪存。易失性存储器可包括随机存取存储器(RAM)或者外部高速缓冲存储器。作为说明而非局限，RAM以多种形式可得，诸如静态RAM(SRAM)、动态RAM(DRAM)、同步DRAM(SDRAM)、双数据率SDRAM(DDRSDRAM)、增强型SDRAM(ESDRAM)、同步链路(Synchlink)DRAM(SLDRAM)、存储器总线(Rambus)直接RAM(RDRAM)、直接存储器总线动态RAM(DRDRAM)、以及存储器总线动态RAM(RDRAM)等。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (6)

1.一种成像光谱仪快速自动化曝光成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

指定波段、指定行作为测光像元，根据该区域像元的平均DN值作为测光依据；然后对成像光谱仪进行初始化操作，根据需要设定相关参数：

基于上述指定的波段、指定的行作为测光像元，使用两点法进行测光，并得到曝光时间T；

最后采用曝光时间T进行数据采集。

2.根据权利要求1所述的成像光谱仪快速自动化曝光成像方法，其特征在于：所述对成像光谱仪进行初始化操作，根据需要设定相关参数，包括：

设定目标波段：λ₁～λ₂；

设定目标波段目标灰度值：DN_t；

设定测光行号：R₁,R₂,…,R_N；

设定曝光时间最值：T_MIN、T_MAX。

3.根据权利要求2所述的成像光谱仪快速自动化曝光成像方法，其特征在于：最后采用曝光时间T进行数据采集之前还包括判断目标曝光时间T是否超出最值，并且当小于设定的最小值T_MIN则将T值修改为T_MIN；大于设定的最小值T_MAX则将T值修改为T_MAX。

4.根据权利要求1所述的成像光谱仪快速自动化曝光成像方法，其特征在于：所述指定波段即为目标波段的选取，即结合成像光谱仪应用场景，将目标波段数值自动曝光到高亮度目标灰度值以获取高信噪比数据。

5.根据权利要求1所述的成像光谱仪快速自动化曝光成像方法，其特征在于：所述基于上述指定的波段、指定的行作为测光像元，进行测光，并得到曝光时间T，具体包括：

采用曝光时间T₁进行成像，计算测光行目标波段内平均值：DN_A1；

采用曝光时间T₂进行成像，计算测光行目标波段内平均值：DN_A2；

将T₁、T₂、DN_A1、DN_A2和DN_t带入公式(2)，得到曝光时间：T；

其中，目标曝光时间T的计算方法：

T＝α·DN_t+β (2)

其中，

其中T₁、T₂，DN_A1、DN_A2分别两次曝光时间及其对应的测光像元的平均DN值，α和β为目标DN值DN_t到目标曝光时间的映射系数。

6.一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，使得所述处理器执行如权利要求1至5中任一项所述方法的步骤。

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