您好,欢迎来到年旅网。
搜索
您的当前位置:首页CCD相机输出非均匀性线性校正系数的定标

CCD相机输出非均匀性线性校正系数的定标

来源:年旅网
第41誊第8期 Vo1.41 NO.8 红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering 2012年8月 Aug.2012 CCD相机输出非均匀性线性校正系数的定标 刘则洵1,2,全先荣 -一,任建伟 ,李宪圣 ,万志 ,李葆勇 ,孙景旭 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春130033; 2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘 要:宽幅CCD相机的输出非均匀性校正对获取高质量的遥感图像具有重要意义。通过分析造成 CCD输出非均匀的原因,提出了基于辐射亮度反演的非均匀性线性校正概念。在已知的多种辐亮度 照明下,采集相机每个像素的灰度值,利用最小二乘法建立像元灰度值与辐亮度的函数,求出像元的 两项非均匀性校正系数——暗信号与响应度。实验结果表明:利用这两项校正系数进行相机非均匀性 校正,改善效果明显。校正前图像的灰度值均方根偏差为1.3%,校正后为0.2%;从图像上看,校正前 图像上的明暗条纹很明显,校正后得到消除。不仅如此,采用该校正方法还能够有效去除通道间输出 非均匀性造成的整幅拼接图像的明暗不一致,得到均匀清晰的图像,结果令人满意。 关键词:输出非均匀性校正; CCD; 辐射亮度反演 中图分类号:0436 文献标志码:A 文章编号:1007—2276(2012)08—2211-05 Calibration of CCD camera S output non-uniformity linear corrected coe ̄cient Liu Zexun ,Quan Xianrong ’’,Ren Jianwei ,Li Xiansheng ,Wan Zhi ,Li Baoyong ,Sun Jingxu (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun 130033,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China) Abstract:The non—uniformity correction is essential for CCD camera to gain high quality remote image. After analyzing the reasons related to the non—uniformity of CCD,a linear correction conception based on radince retrievala to correct the non—uniformity was built.The grey value of each pixel of all channels was acquired in the case of different iradiances.The least square method was used to estimate the relation between irradiance and average grey value of all pixels.The correct parameters of each pixel,the dark signal and the responsibility were computed.The result indicates that the effect of non—uniformity correction using the two parameters is obvious.The grey values RMS of the primitive image is 1.3%. However.the RMS is only 0.2%after correcting.The stripes in the image are eliminated after correcting. Besides the light—and—shade variance between diferent channels are also eliminated,which is satisfying. Key words:output non—uniformity correction; CCD;radiance retrieval 收稿日期:2011一l2~O9; 修订日期:2012一O1—12 基金项目:国家863计划(863-2—5—1—13B) 作者简介:刘则洵(1980一),男,硕士生,主要从事遥感图像处理及辐射定标方面的研究。Email:bjxlzx@l63.com 导师简介:任建伟(1956一),男,高级工程师,主要从事光学遥感辐射校正方面的研究。Email:Renjw@ciomp.ac.cn 2212 红外与激光工程 第4l卷 0引言 近年来,在航天航空遥感中,CCD作为图像传 感器得到了越来越广泛的应用。它在成像系统的小 型化、轻量化、提高分辨率等方面起着至关重要的 作用。但由于CCD像元输出非均匀性的影响,图像 中往往存在亮暗不一致的条纹,为获得高质量的图 像,需要对相机的输出非均匀性进行校正。对于宽 幅相机,需要将几片甚至十几片CCD拼接成像,由 于各通道CCD本身的差异以及后续处理电路的差 异导致各片CCD响应有一定的差异,从而造成拼 接后的图像出现亮暗不一致的现象,严重影响图像 质量,因此,需要对相机通道间的输出非均匀性进 行校正[1-61。 非均匀性校正算法主要有一点校正法、两点校 正法、多点校正法、神经网络法 】、偏置均衡瞄 等。一 点校正算法只对各个像元的偏移量进行补偿,没有 对增益作校正,当目标的辐亮度偏移定标点时,空间 噪声很大,校正范围很小。对于航天相机,成像背景 复杂多变,亮背景下增益对非均匀性的影响较大,而 暗背景下像元暗噪声对输出非均匀性的影响更是不 能忽视,因而需要同时校正增益和暗噪声。两点校正 算法对器件的暗电流和增益都做了校正嘲,但是通常 取两个辐照度下的响应作一条直线作为理想响应曲 线,未能充分利用多个辐照度下的数据,校正误差比 较大。多点校正法算法精度高但是较复杂,实现起来 比较困难,且对探测单元自身响应的非均匀性无法 校正。针对以上校正法的不足,文中通过分析CCD 输出非均匀性产生的原因,提出了基于辐射亮度反 演的非均匀性线性校正算法,可以利用多个辐亮度 数据同时对响应度和暗电流进行校正。首先通过相 机辐射定标,获得相机所有通道每个像元在各个辐 亮度下的图像灰度数据,利用最小二乘法建立像元 灰度值与辐亮度的函数,求出像元的暗信号与响应 度;然后用每个像元的响应度和暗信号对图像进行 亮度反演,求得亮度图像;最后利用平均响应度和平 均暗噪声将亮度图像转换为灰度图像。该过程可以 很好地消除图像中的条纹,且避免了拼接后的图像 由于通道间响应非均匀造成的亮暗不一致,明显改 善了图像质量。 1输出非均匀性 造成CCD输出非均匀性的原因多种多样。硅材料 本身的质量以及CcD的生产工艺造成的不均匀性都 是无法改变的,如沟道掺杂浓度不均匀、表面态密度分 布不均匀以及栅氧化物厚度不同造成的开启电压不 同、感光单元有效面积不同而引入的固定模式噪声 等,它们都表现为暗电流及光电响应的不均匀性 lO]。 对于成像相机,光学系统的影响也是CCD输出 非均匀的重要因素,其主要表现为成像系统像面照 度的不均匀。 轴上像点的照度表达式为: ,: 佰Lsin2U, (1) 式中:,z 为像方折射率;n为物方折射率;f为光学系统 的光透射比江为物面光照度;U 为像方孔径角。该式 表明,轴上像点的照度与孔径角正弦的平方成正比。 对于轴外像点,在物面亮度均匀的情况下,其照 度表达式为: E =Eo COS tO (2) 式中: 为像面轴上点的照度,tO 为像方视场角。公 式(2)表明,轴外像点的光照度随视场角tO 的增大而 降低。因此,不同视场在CCD上形成的照度不同,从 而影响其输出均匀性。 由于以上各种原因,同一片CCD中每个像元的 响应会有差别。将不同的CCD拼接在一起,CCD个 体之间的差异、每个CCD后续处理电路的差异、光 学系统在不同CCD上形成的照度差异等因素使拼 接后CCD之间的辐射响应存在较大不同,最终影响 拼接图像的质量 】。输出非均匀性在图像上表现为 灰度值的上下波动,单片CCD的输出非均匀性如 图l(a)所示,多片CCD之间的差异如图1(b)所示。 CCD工作时的非均匀性主要表现为光电响应的 非均匀性(PRNU),所以通常在校正非均匀性时,只校 正光电响应非均匀性,而不考虑暗信号的校正。但是 对于航天相机,其成像背景复杂多变,很多情况下需要 对暗背景成像,如对海洋景物成像时,由于景物目标辐 射较弱,相机输出信号幅度很小,暗电流的非均匀性对 成像质量的影响相对较大。为了获得高质量的图像,不 仅要对光电响应的非均匀性进行校正,而且要对暗电 流的非均匀性进行校正。 第8期 刘则洵等:CCD相机输出非均匀性线性校正系数的定标 2213 一鑫  分 岛 曲 .宴 目 0 Z 图1同一辐照度F CCD输出的归一化灰度值 Fig.1 Normalizing grey level curve of CCD output in the salne iIradiance 2校正系数的计算 根据实验室辐射定标原理,相机输出数码DN与 辐射亮度L之间关系的辐射响应函数可以表示为: DN=A0+A正+A +A3 +…+A, (3) 式中:A。,A。,A ,… 为待定标的系数,绝对辐射定 标的任务是确定公式(3)中的多个定标系数。若公式(3) 中的二次以上系数很小以至于其影响可以忽略,则 该遥感器可以简化为线性响应系统。满足公式: DN=D.Ⅳd + ・L (4) 式中: 代表暗电流信号;R代表响应度。 首先,在相同辐亮度下计算每个像元的灰度值, 统计所有像元的灰度平均值DN,然后在不同亮度点 下求出所有CCD像元的灰度平均值,用最小二乘法 可确定平均灰度值与辐亮度之间的函数关系: DN=DN +尺・L (5) 式中:DN姒和 分别为最小二乘拟合曲线的拟合系 数,DN 为平均暗电流输出, 为所有像元的平均 响应度。同理,根据公式(4)可以确定每个像元的定 标系数 和足。 实验室定标时采用均匀的扩展辐射源(积分球光 源)照明相机 ”,经相机光学系统成像后均匀照明 CCD感光面,每个像元的辐射照度是一致的。因此, 将CCD输出的灰度图像转变为相机入射辐射亮度 图像后,每个像元对应的辐射亮度厶应该是一致的。 根据辐射亮度图像反演原理,相机输入辐射亮度反 演公式为: DN———i- ——=DNLi=————————dar一 k, (~6)u, ^f 由公式(6)计算的辐射亮度值厶对于所有像元是一 致的,可统一用L表示,将公式(6)代入公式(5)得到 平均数码值表达式如下: DN 一a ̄+一R×—DN i-DN ̄k:, (7) 令校正后的数码值等于平均数码值(即 = DN),则校正后的数码值DNi 可写为: DN/= : 姒十一R x—DN i-D N ̄一a, ,(8) 』 - 由此可得每个像元响应度的校正系数R =R/R ,暗 信号校正值为: DN 诎=DN dark—DⅣ x(R/Rf) (9) 将校正系数代人公式(8)得: DM =DN'd +R ・DN, (10) 公式(10)完成了从测得灰度值到校正灰度值的 转换,实现了CCD输出非均匀性的校正。 将公式(7)转换为矩阵表示,可得到相机所有 CCD像元输出非均匀性校正函数矩阵: DN1r DN Rl 0 ・・・0 fDN, DN DN d 0 R2 ・・・0  IDN2 DN =IDN'd + 0 0 … : ×l DN3 (11) : : .0 DN 0 0 0 R 【DN. 经过以上推导得出相机输出非均匀性线性校正 算法,由该算法定标出线性校正系数DN a 和风 。 该算法同时对暗电流信号和响应度进行校正,能够 取得较好的校正效果。 3实验及分析 在实验室对相机进行定标,确定每个像元的定 标系数以及所有通道像元的平均灰度值—DN—与辐亮 度L之间的关系,如图2所示。 第8期 刘则洵等:CCD相机输出非均匀性线性校正系数的定标 2215 4结论 bner D A,Sarkady K A,K/Her M R.Adaptive non・ [4】 Sciuniformity correction for IR focal plne arrays usiang neural 文中提出了基于最小二乘法和辐射亮度反演的 CCD输出非均匀性线性校正算法。该算法在不同辐 [5】 network【C]//SPIE,1991,1541:100—109. Parrish W J,Wootaway J T.Improvements in uncooled 照度下采集所有通道每个像元的灰度值,用最小二 乘法得到所有通道像元灰度平均值与辐照度的对应 [6] systems using bias equalization[C]//SPIE,1999,3698:748—755. Cai Rongtai,Wang Yanjie.Three steps tO correct image sensor S non—uniformity[J]_Semiconduction Optoelectronics, 2007,28(6):888—891.(in Chinese) 关系,并计算出各个通道每个像元的校正系数;通过 辐射亮度反演对每个像元的实际灰度值进行校正, 同时校正了暗电流和响应度,实现了CCD各像元灰 度输出的一致性。实验中,7通道CCD校正前像元 灰度归一化的均方根偏差为1.3%,校正后为0.2%, 表明了该方法的可行性和有效性。 该算法简单、可编程性强,实际工程中使用时多 是对卫星下传的图像进行校正,对于在轨实时性校 cheng,Chen Dong,Cao Guohua,et a1.Reducing the [7] Su Zhiinfluence of non—uniformity of luminous intensity on the inhomogeneity co ̄ection for CCD[J].Infrared and Laser Engineering,2011,40(4):680—684.(in Chinese) n,Guo Yong ̄i,Si Guoliang.Real—time correction 【8】 Zhu Hongyiof imaging nonuniformity for multi—TDICCD mosic camera aon hardware[J].@tics and Precision Engineering,2011,19 (12):3034-3042.(in Chinese) 正需要相机软、硬件的配合,因此还需要进一步的实 验验证。 参考文献: [1】 Li Haichao,Hao Shengyong,Zhu Qi.Fast seamless mosaic [9】 Wang Wenhua,He Bin,Han Shuangli,et a1.Real—time correction of nonuniformity in CCD imaging for remote sensing[J1.Optics and Precision Engineering,2010,l8(2): 1420-1428.(in Chinese) ck J R,Tom E,Stewart C,et ai.Scientific charge— 【1O】 Janesialgorithm for mulitple remote sensing images[J].Infrared and Laser Engineering,2011,40(7):1381—1386.(in Chinese) bner D A,Sarkady K A,Kruer M R.Non—uniformity 【2】 Scicorrection for staring IR focal plane arrays using scene—based coupled devices[J】.Optical Engineering,1987,26(8): 692—714. anwei,Liu Zexun,Wan Zhi,et a1.Radiometric 【ll】 Ren Jicalibration of off--axis three--miror・-nastaigmat space camera techniques【C]//SPIE,1990,1308:224—233. er simulation of spatial non—uniformity [3] Cheung L.Computwith wide viewing field [J】.Optics and Precision Engineering,2010,18(7):1491—1497.(in Chinese) correction in a staring sensor【C]//SPIE,1988,972:65—82. 

因篇幅问题不能全部显示,请点此查看更多更全内容

Copyright © 2019- oldu.cn 版权所有 浙ICP备2024123271号-1

违法及侵权请联系:TEL:199 1889 7713 E-MAIL:2724546146@qq.com

本站由北京市万商天勤律师事务所王兴未律师提供法律服务