DE102022001920A1 - Test field and method for testing hyperspectral sensors - Google Patents
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Abstract
Testfeld zum Prüfen von hyperspektralen Sensoren, mit einer Unterlage, mit einer Mehrzahl an Kennfeldern auf der Unterlage, einem ersten Kennfeld, wobei das erste Kennfeld einen Siemensstern aufweist, mit mindestens 36 nach innen verjüngten Keilen, wobei die Keile weiß, schwarz und bunt sind und ein bunter Keil immer von einem weißen und einem schwarzen Keil eingerahmt wird und die bunten Keile unterschiedliche Farben aufweisen, einem zweiten Kennfeld, mit einer Mehrzahl an Aluminiumstreifen, die Aluminiumstreifen bestehen aus Aluminiumfolie, wobei die Aluminiumstreifen zueinander den gleichen Abstand aufweisen und die Streifen nebeneinander angeordnet sind.Test field for testing hyperspectral sensors, with a base, with a plurality of maps on the base, a first map, the first map having a Siemens star, with at least 36 inwardly tapered wedges, the wedges being white, black and colorful and a colorful wedge is always framed by a white and a black wedge and the colorful wedges have different colors, a second map, with a plurality of aluminum strips, the aluminum strips are made of aluminum foil, with the aluminum strips being the same distance from each other and the strips arranged next to each other are.
Description
Die Erfindung betrifft ein Testfeld und ein Verfahren zum Prüfen von hyperspektralen Sensoren bei fliegenden Systemen.The invention relates to a test field and a method for testing hyperspectral sensors in flying systems.
Aus dem Stand der Technik sind Testmuster für hyperspektrale Sensoren bekannt. Unteranderem sind Siemenssterne als Testmuster bekannt. Mit einem Siemensstern lässt sich die geometrische Güte von optischen Sensoren bestimmen. Dabei besteht ein Siemensstern aus einem Kreis mit abwechselnd weißen und schwarzen Kreissektoren. Mit Hilfe des Siemensstern kann die Qualität eines optisch abbildenden Systems geprüft werden.Test patterns for hyperspectral sensors are known from the prior art. Among other things, Siemens stars are known as test patterns. The geometric quality of optical sensors can be determined using a Siemens star. A Siemens star consists of a circle with alternating white and black circular sectors. The quality of an optical imaging system can be checked with the help of the Siemens star.
Aus der Offenlegungsschrift
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine einfache und schnelle Prüfung der Qualität eines hyperspektralen Sensors zu ermöglichen.It is the object of the present invention to enable a simple and quick check of the quality of a hyperspectral sensor.
Diese Aufgabe wird durch technische Gegenstände nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Technisch vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche, der Beschreibung und der Zeichnungen.This task is solved by technical objects according to the independent claims. Technically advantageous embodiments are the subject of the dependent claims, the description and the drawings.
Gemäß einem Aspekt wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch ein Testfeld zum Prüfen hyperspektralen Sensoren, mit einer wetterfesten Unterlage, mit einem ersten Kennfeld auf der Unterlage, wobei das erste Kennfeld einen Siemensstern aufweist, mit mindestens 36 nach innen verjüngten Keilen, wobei die Keile weiß, schwarz und bunt sind und ein bunter Keil immer von einem weißen und schwarzen Keil eingerahmt wird und die bunten Keile unterschiedliche Farben aufweisen, mit einem zweiten Kennfeld auf der Unterlage, mit Aluminiumstreifen und die Aluminiumstreifen aus Aluminiumfolie bestehen, wobei die Aluminiumstreifen den gleichen Abstand zueinander aufweisen und die Streifen nebeneinander angeordnet sind.According to one aspect, the object according to the invention is achieved by a test field for testing hyperspectral sensors, with a weatherproof base, with a first map on the base, the first map having a Siemens star, with at least 36 inwardly tapered wedges, the wedges being white, black and are colorful and a colorful wedge is always framed by a white and black wedge and the colorful wedges have different colors, with a second map on the base, with aluminum strips and the aluminum strips are made of aluminum foil, with the aluminum strips being the same distance from each other and the strips are arranged next to each other.
Durch das Aufbringen von mehreren Kennfeldern auf die Unterlage des Testfeldes, kann eine beschleunigte, vereinfachte und präzisiere Qualitätsprüfung und Güteabschätzung von hyperspektralen Sensoren insbesondere von fliegenden Systemen erfolgen. Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt in der miteinander koordinierten oder korrelierten Zusammenstellung von Kennfeldern. In einem einzigen Vorgang können die Eigenschaften und Fähigkeiten des hyperspektralen Sensors nach geometrischer, radiometrischer und spektraler Güte der Bildauflösung ermittelt werden. Die Unterlage ist wetterfest und bedruckbar. Mit einer wetterfesten Unterlage kann das Testfeld auch bei widrigen Wetterverhältnissen eingesetzt werden. Bei der Unterlage kann es sich zum Beispiel um eine weiße Fahrzeuggewebeplane handeln, welche bedruckt werden kann.By applying several characteristic maps to the base of the test field, an accelerated, simplified and precise quality test and quality assessment of hyperspectral sensors, especially of flying systems, can be carried out. The advantage of the solution according to the invention lies in the coordinated or correlated compilation of characteristic maps. In a single operation, the properties and capabilities of the hyperspectral sensor can be determined according to the geometric, radiometric and spectral quality of the image resolution. The base is weatherproof and printable. With a weatherproof base, the test field can also be used in adverse weather conditions. The base can be, for example, a white vehicle fabric tarpaulin, which can be printed.
Das erste Kennfeld dient zur Prüfung des sichtbaren Farbspektrums im Wellenbereich von 380 nm bis 750 nm des hyperspektralen Sensors und der Prüfung des Auflösungsvermögens. Das erste Kennfeld weist daher einen farbigen Siemensstern auf, welcher über nach innen verjüngten Keilen in Weiß, Schwarz und Farbe verfügt. Er ermöglicht die Bestimmung der Qualität des hyperspektralen Sensors hinsichtlich der Abbildungsleistung bei maximalem Kontrast von Farbe im Verhältnis zu Schwarz, keine Emission und zu Weiß, volle Emission. Die Keile in Farbe weisen unterschiedliche Körperfarben auf. Die Farbe eines Körpers hängt dabei von den Anteilen, welche reflektiert und absorbiert werden und dessen Beleuchtung ab. Jeder Farbkeil weist eine andere Körperfarbe auf. Als Körperfarben für die Farbkeile kommt jede Farbe von Rot bis Violett in Frage wobei die Farbkeile den Farbverlauf eines Regenbogens nachbilden.The first map is used to test the visible color spectrum in the wave range from 380 nm to 750 nm of the hyperspectral sensor and to test the resolution. The first map therefore has a colored Siemens star, which has inwardly tapering wedges in white, black and color. It allows determining the quality of the hyperspectral sensor in terms of imaging performance at maximum contrast of color in relation to black, no emission and to white, full emission. The wedges in color have different body colors. The color of a body depends on the parts that are reflected and absorbed and its illumination. Each color wedge has a different body color. Any color from red to violet can be used as body colors for the color wedges, with the color wedges replicating the color gradient of a rainbow.
Das zweite Kennfeld dient zur Prüfung des Infraroten-Spektrums im Wellenbereich von 750 nm bis 1 mm des hyperspektralen Sensors. Hierfür werden Streifen aus Aluminiumfolie aufgeklebt. Die Aluminiumstreifen werden auf die wetterfeste Unterlage des Testfelds aufgeklebt. Die Aluminiumstreifen weisen zueinander den gleichen Abstand auf und verfügen über die gleichen Abmaße in Länge und Breite. Dabei sorgt die Aluminiumfolie für eine thermische Strahlungsreflexion, die durch den hyperspektralen Sensor detektiert wird, um die Güte des hyperspektralen Sensors bestimmen zu können.The second map is used to test the infrared spectrum in the wave range from 750 nm to 1 mm of the hyperspectral sensor. For this purpose, strips of aluminum foil are glued on. The aluminum strips are glued to the weatherproof base of the test field. The aluminum strips are the same distance apart and have the same dimensions in length and width. The aluminum foil ensures thermal radiation reflection, which is detected by the hyperspectral sensor in order to be able to determine the quality of the hyperspectral sensor.
In einer technisch vorteilhaften Ausführungsform des Testfeldes weist das Testfeld ein drittes Kennfeld mit Gummistreifen auf. Die Streifen bestehen aus Gummi und werden auf die Unterlage aufgeklebt und weisen dabei zueinander den gleichen Abstand auf. Weiterhin haben die Gummistreifen die gleichen Abmaße. Die Gummistreifen haben den Vorteil, dass sie die Wärmestrahlung speichern.In a technically advantageous embodiment of the test field, the test field has a third map with rubber strips. The strips are made of rubber and are glued to the base and are the same distance apart from each other. Furthermore, the rubber strips have the same dimensions. The rubber strips have the advantage that they store heat radiation.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Testfelds ist ein viertes Kennfeld auf der Unterlage aufgedruckt. Das vierte Kennfeld besteht aus mindestens 4 Siemenssternen, wobei die Keile alternierend Schwarz und Weiß sind. Die Anzahl der Keile der schwarzen oder weißen sind ein Vielfaches von 2n. Hierbei können die Siemenssterne zum Beispiel in 8, 16, 32 und 64 strahliger Variante verwendet werden. Mit den verschiedenen Siemenssternen kann direkt die Güte der Modulationsübertragungsfunktion ermittelt werden. Dies ermöglicht zu dem die Ermittlung der -3 dB Abbildungsgrenze des hyperspektralen Sensors.In a further technically advantageous embodiment of the test field, a fourth characteristic map is printed on the base. The fourth map consists of at least 4 Siemens stars, with the wedges alternating between black and white. The number of wedges of black or white are multiples of 2n . The Siemens stars can be used, for example, in 8, 16, 32 and 64 beam versions. The quality of the modulation transfer function can be determined directly using the various Siemens stars. This also makes it possible to determine the -3 dB imaging limit of the hyperspectral sensor.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Testfeldes ist ein fünftes Kennfeld auf die Unterlage aufgedruckt. Das fünfte Kennfeld besteht dabei aus einem Balken in Form eines Rechtecks, wobei das Rechteck über die lange Seite den Farbverlauf eines Regenbogens wiedergibt. Mit dem Farbverlauf eines Regenbogens kann die spektrale Präzision des hyperspektralen Sensors ermittelt werden.In a further technically advantageous embodiment of the test field, a fifth characteristic map is printed on the base. The fifth map consists of a bar in the shape of a rectangle, with the rectangle reflecting the color gradient of a rainbow over the long side. The spectral precision of the hyperspectral sensor can be determined using the color gradient of a rainbow.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Testfeldes ist ein sechstes Kennfeld mit einem Graubalken in Form eines Rechtecks. Dabei besteht der Graubalken aus mehreren nebeneinander angeordneten kleinen Rechtecken, ein kleines Rechteck weist dabei einen Grauton auf. Entlang der langen Seite des Graubalkens sind die Rechtecke von hell nach dunkel der Graustufen sortiert. Aufgrund der Graustufen kann die radiometrische Präzision des Luftbildsensors ermittelt werden.In a further technically advantageous embodiment of the test field, there is a sixth characteristic field with a gray bar in the form of a rectangle. The gray bar consists of several small rectangles arranged next to each other, one small rectangle has a gray tone. Along the long side of the gray bar, the rectangles are sorted from light to dark in shades of gray. Due to the grayscale, the radiometric precision of the aerial image sensor can be determined.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Testfelds ist ein siebtes Kennfeld mit 6 Unterkennfeldern, wobei die Unterkennfelder nebeneinander angeordnet sind, jeweils aus vier Längs- und vier Querstreifen der gleichen Breite und Länge bestehen. Die Unterkennfelder sind dabei in absteigender geometrischer Breite angeordnet. Dabei werden die Unterkennfelder zum vorherigen Unterkennfeld um 25 % verkleinert. Das siebte Kennfeld dient der Verstellung einer Bewegungsrichtung, wenn der hyperspektrale Sensor an dem Testfeld vorbeibewegt wird. Der hyperspektrale Sensor kann sich zum Beispiel an einem fliegenden System befinden und über das Testfeld fliegen. Ebenfalls ermöglicht das siebte Kennfeld die Berechnung der Modulationsübertragungsfunktion zur Ermittlung der Bildqualität des hyperspektralen Sensors.In a further technically advantageous embodiment of the test field, a seventh map with 6 sub-maps, the sub-maps being arranged next to one another, each consists of four longitudinal and four transverse strips of the same width and length. The submaps are arranged in descending geometric width. The sub-maps are reduced by 25% compared to the previous sub-map. The seventh map is used to adjust a direction of movement when the hyperspectral sensor is moved past the test field. The hyperspectral sensor can, for example, be located on a flying system and fly over the test field. The seventh map also enables the calculation of the modulation transfer function to determine the image quality of the hyperspectral sensor.
In einer weiteren technisch vorteilhaften Ausführungsform des Testfelds weist die Unterlage einen schwarzen Rahmen auf. Der schwarze Rahmen ermöglicht ein präzises Auslegen des Testfeldes im Gelände und um die tatsächliche Größe exakt zu erfassen. Weiterhin ermöglicht der schwarze Rahmen ein Auslegen ohne Verzerrungen des Testfeldes.In a further technically advantageous embodiment of the test field, the base has a black frame. The black frame allows the test field to be precisely laid out in the field and to accurately record the actual size. Furthermore, the black frame allows the test field to be laid out without distortion.
Das Verfahren mit dem Testfeld zur Prüfung von hyperspektralen Sensoren umfasst die folgenden Schritte:
- a) Bedrucken der Unterlage des Testfeldes mit den druckbaren Kennfeldern,
- b) Durchführen einer hyperspektralen Vermessung des gedruckten Testfeldes zur Ermittlung eines kalibrierten Farbspektrums,
- c) Aufbringen der Streifen auf die Unterlage des Testfelds,
- d) Verbringen und Auslegen des Testfeldes,
- e) Erfassen des Testfeldes durch den hyperspektralen Sensor,
- f) Auswerten der Daten des hyperspektralen Sensors,
- g) Bestimmen der Eigenschaften und Fähigkeiten des hyperspektralen Sensors.
- a) printing the test field base with the printable maps,
- b) carrying out a hyperspectral measurement of the printed test field to determine a calibrated color spectrum,
- c) applying the strips to the base of the test field,
- d) moving and laying out the test field,
- e) recording the test field by the hyperspectral sensor,
- f) evaluating the data from the hyperspectral sensor,
- g) Determine the characteristics and capabilities of the hyperspectral sensor.
Die Unterlage des Testfeldes wird mit den Kennfeldern, die zum Beispiel mit einem RGB oder einem CMYK Farbdrucker bedruckt. Daraufhin erfolgt eine spektrale Vermessung des gedruckten Testfeldes. Die gedruckten Farben können von den definierten Farbwerten abweichen, daher wird die spektrale Vermessung des Testfeldes mit dem ersten und zweiten Testmuster durchgeführt, um ein kalibriertes Farbspektrum für die Prüfung des hyperspektralen Sensors zu haben. Anschließend werden die aufzuklebenden Streifen angebracht.The base of the test field is printed with the characteristics, for example with an RGB or a CMYK color printer. A spectral measurement of the printed test field is then carried out. The printed colors may deviate from the defined color values, therefore the spectral measurement of the test field is carried out with the first and second test patterns in order to have a calibrated color spectrum for testing the hyperspectral sensor. The strips to be glued are then attached.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden folgend näher beschrieben. Es zeigen:
-
1 das erste Kennfeld mit einem farbigen Siemensstern, wobei die schwarzen und weißen Keile jeweils einen farbigen Keil einrahmen. Die farbigen Keile sind in Graustufen dargestellt. -
2 eine mögliche Anordnung der verschiedenen Kennfelder für ein Testfeld. -
3 eine einfache Prinzipskizze mit einem hyperspektralen Luftbild-Sensor an einem fliegenden System über einem Testfeld.
-
1 the first map with a colored Siemens star, with the black and white wedges each framing a colored wedge. The colored wedges are shown in grayscale. -
2 a possible arrangement of the different maps for a test field. -
3 a simple schematic sketch with a hyperspectral aerial image sensor on a flying system over a test field.
Im Nachfolgenden wird der Funktionsablauf des Verfahrens näher beschrieben. Für die Prüfung eines hyperspektralen Sensors, der zum Beispiel an einem fliegenden System oder einem Fahrzeug angebracht ist, werden auf die Unterlage eines Testfeldes Kennfelder aufgedruckt. In Abhängigkeit von dem Drucker muss daher zunächst die jeweilige Farbmatrix gemessen werden, da die realen Druckvorgaben nicht denen theoretischen entsprechen. Hierfür wird das gedruckte Testfeld hyperspektral vermessen, um ein kalibriertes Farbspektrum für die spätere Auswertung zu erhalten. Anschließend werden die aufzuklebenden Kennfelder aufgebracht. Das Testfeld wird je nach Trägersystem des hyperspektralen Sensors in ein Testgebiet gebracht und dort ausgelegt. Das Testfeld kann auch auf einem Gestell angebracht werden und dann mittels eines Fahrzeugs in ein Testgebiet verlegt werden. Das Testfeld wird durch den hyperspektralen Sensor erfasst. Dies kann statisch oder aus der Fahrt oder dem Flug möglich sein, je nach Trägersystem des hyperspektralen Sensors. Im Anschluss nach der Erfassung des Testfelds durch den hyperspektralen Sensor können die erfassten Bilder ausgewertet werden und die Eigenschaften sowie die Funktionalität des hyperspektralen Sensors ermittelt werden.The functional sequence of the method is described in more detail below. To test a hyperspectral sensor, which is attached to a flying system or a vehicle, for example, maps are printed on the base of a test field. Depending on the printer, the respective color matrix must first be measured, as the real printing specifications do not correspond to the theoretical ones. For this purpose, the printed test field is measured hyperspectrally in order to obtain a calibrated color spectrum for later evaluation. The maps to be stuck on are then applied. Depending on the carrier system of the hyperspectral sensor, the test field is brought to a test area and laid out there. The test field can also be mounted on a frame and then moved to a test area using a vehicle. The test field is recorded by the hyperspectral sensor. This can be possible statically or while driving or flying, depending on the carrier system of the hyperspectral sensor. After the test field has been captured by the hyperspectral sensor, the captured images can be evaluated and the properties and functionality of the hyperspectral sensor can be determined.
BezugszeichenReference symbols
- 11
- TestfeldTest field
- 1010
- Erstes KennfeldFirst map
- 1111
- Schwarzer KeilBlack wedge
- 1212
- Weißer KeilWhite wedge
- 1313
- Farbiger KeilColored wedge
- 2020
- Zweites KennfeldSecond map
- 3030
- Drittes KennfeldThird map
- 4040
- Viertes KennfeldFourth map
- 5050
- Fünftes KennfeldFifth map
- 6060
- Sechstes KennfeldSixth map
- 7070
- Siebtes KennfeldSeventh map
- 7171
- UnterkennfeldSubmap
- 8080
- Unterlagedocument
- 9090
- RahmenFrame
- 100100
- Fliegendes SystemFlying system
- 110110
- Hyperspektraler SensorHyperspectral sensor
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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R086 | Non-binding declaration of licensing interest | ||
R012 | Request for examination validly filed | ||
R016 | Response to examination communication |