楊 雷, 周錦松, 景娟娟, 聶博洋

1. 中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院, 北京 100094

2. 中國科學(xué)院大學(xué)光電學(xué)院, 北京 100049

3. 中國科學(xué)院計(jì)算光學(xué)成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 北京 100094

引 言

高光譜成像技術(shù)可以在獲取目標(biāo)空間維度圖像的同時(shí), 得到光譜維度的信息, 廣泛應(yīng)用于精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、 對地觀測、 環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。 受到技術(shù)與工藝水平影響, 目前單個(gè)高光譜相機(jī)無法同時(shí)滿足成像大視場和高分辨率的應(yīng)用需求, 因此拼接式高光譜相機(jī)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。 該技術(shù)將多個(gè)高光譜相機(jī)的視場進(jìn)行拼接, 從而達(dá)到擴(kuò)大有效視場的目的。

高光譜相機(jī)的非均勻性是指焦平面陣列在同一均勻輻射源下, 探測器單個(gè)像元的輸出不一致性, 主要來自于探測器像元響應(yīng), 光學(xué)系統(tǒng), 電子學(xué)系統(tǒng)等因素所產(chǎn)生的非均勻性[2]。 對于拼接式高光譜相機(jī), 除了單臺(tái)相機(jī)的非均勻性以外, 還存在各相機(jī)間的非均勻性。 非均勻性校正對提高高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量具有重要意義。

目前, 非均勻性校正主要分為基于定標(biāo)的校正方法和基于場景的校正方法兩大類。 基于定標(biāo)的校正方法主要包括實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)[3]和基于地面的外場定標(biāo)[4-6], 通過獲取相對輻射定標(biāo)系數(shù)進(jìn)行校正; 基于場景的校正方法主要包括直方圖匹配[7-9]和矩匹配[10], 在假設(shè)成像系統(tǒng)的探測器各像元獲取的信號具有相同的分布的前提下, 利用統(tǒng)計(jì)學(xué)規(guī)律進(jìn)行非均勻性校正。 然而, 針對拼接式大視場的高光譜相機(jī), 基于定標(biāo)校正的方法需要足夠口徑的照明設(shè)備[11], 且工作時(shí)容易受外界條件干擾; 基于場景的校正方法的統(tǒng)計(jì)學(xué)前提只有在推掃方向獲取的數(shù)據(jù)足夠多時(shí)才能夠成立, 同樣具有一定的局限性。

針對中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院自行研制的大視場機(jī)載拼接式高光譜成像儀系統(tǒng), 提出了一種基于重疊視場的拼接式高光譜相機(jī)非均勻性校正方法。 通過對地物推掃成像數(shù)據(jù)的算法驗(yàn)證, 本方法可以較好地消除拼接式高光譜相機(jī)不同相機(jī)間的非均勻性, 同時(shí)最大程度上保留圖像的原始信息。

1 原理與方法

1.1 拼接式高光譜成像儀的非均勻性

中國科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院自行研制的大視場機(jī)載拼接式高光譜成像儀系統(tǒng), 為了保證更寬的成像視場, 可見光至近紅外波段由三臺(tái)可見光至近紅外高光譜成像儀拼接而成。 三臺(tái)相機(jī)安裝在一個(gè)兩軸穩(wěn)定平臺(tái)內(nèi)部, 兩軸穩(wěn)定平臺(tái)用于穩(wěn)定視軸, 使得載荷可以在飛行過程中保持垂直向下的穩(wěn)定狀態(tài)。 高光譜成像儀相關(guān)技術(shù)指標(biāo)見表1。

表1 高光譜成像儀技術(shù)指標(biāo)

三臺(tái)可見光至近紅外高光譜成像儀的焦距相同, 并選用了相同的探測器。 三臺(tái)高光譜成像儀采用左中右三個(gè)視場拼接的方式。 左、 中、 右相機(jī)的有效視場角分別為12.6°、 8°、 12.6°。 在安裝時(shí), 中間的高光譜成像儀為垂直下視, 左右兩個(gè)高光譜成像儀采用外八字各自傾斜9.4°, 與中間相機(jī)有約1°的重疊, 共同組成了30°的總視場。 三臺(tái)相機(jī)安裝位置與對應(yīng)視場情況如圖1所示。

圖1 三臺(tái)相機(jī)安裝位置與對應(yīng)視場情況

從一組拼接式相機(jī)對地拍攝數(shù)據(jù)中, 選取了第68波段(550 nm)與第153波段(750 nm)圖像作為原始數(shù)據(jù)。 如圖2所示, 兩個(gè)波段的圖像三臺(tái)相機(jī)均存在明顯的非均勻性。

為了測試該非均勻性規(guī)律, 在實(shí)驗(yàn)室以積分球?yàn)榫鶆蚬庠? 在入射光照, 電路增益以及曝光時(shí)間相同的條件下, 分別測試3臺(tái)相機(jī)的成像情況。 由于光機(jī)遮擋, 3臺(tái)相機(jī)在空間維度有效像元個(gè)數(shù)分別為: 1號相機(jī)1 968個(gè), 2號相機(jī)1 982個(gè), 3號相機(jī)1 308個(gè)。 連續(xù)拍攝500幀圖像后在時(shí)間維度上取平均值, 得到3臺(tái)相機(jī)對積分球響應(yīng)的單幀圖像如圖3所示。

圖3 三臺(tái)相機(jī)積分球響應(yīng)

在積分球響應(yīng)數(shù)據(jù)中, 選取每臺(tái)相機(jī)光譜維第68波段(550 nm)及第153波段(750 nm)響應(yīng)值, 如圖4所示。

圖4 單臺(tái)相機(jī)的非均勻性

由圖3與圖4, 可以看出單臺(tái)相機(jī)在相同光譜位置的不同空間維上的像元, 在相同的光照條件下響應(yīng)存在差異, 即單臺(tái)相機(jī)存在一定的非均勻性。

在積分球響應(yīng)數(shù)據(jù)中, 選取3臺(tái)相機(jī)空間維度的25%, 50%和70%三個(gè)視場所對應(yīng)列數(shù)響應(yīng)值的均值, 結(jié)果如圖5所示。

圖5 三臺(tái)相機(jī)間的非均勻性

由圖5, 可以看出三臺(tái)相機(jī)在相同的視場位置, 在相同的光照條件下光譜響應(yīng)存在差異, 即相機(jī)間存在一定的非均勻性。

1.2 非均勻性模型

對于單臺(tái)高光譜相機(jī), 根據(jù)探測器的光電響應(yīng)特性, 有

Mi=Ki×L+Bi

(1)

Ni=Gi×Di×Mi

(2)

式(1)和式(2)中,Mi為探測器第i個(gè)像元的輸出電壓,Ki為探測器第i個(gè)像元的輸出響應(yīng),L為進(jìn)入探測器的光照度,Bi為探測器第i個(gè)像元在無光照條件下的輸出電壓,Gi和Di分別是探測器第i個(gè)像元的增益和A/D轉(zhuǎn)化系數(shù),Ni為探測器第i個(gè)像元的輸出響應(yīng)值。

根據(jù)式(1)和式(2), 單臺(tái)高光譜相機(jī)的探測器的輸出響應(yīng)值與進(jìn)入探測器的光照具有較好的線性關(guān)系, 即有

Ni=ai×L+bi

(3)

式(3)中,ai和bi均為探測器在第i個(gè)像元的響應(yīng)系數(shù)。

若探測器尺寸為NB×NS, 其中NB為光譜維行數(shù),NS為空間維列數(shù), 則定義探測器響應(yīng)的非均勻性為是像元響應(yīng)在飽和值的一半時(shí), 像元響應(yīng)值的標(biāo)準(zhǔn)差和平均值的比值[12], 即

(4)

(5)

根據(jù)式(3)—式(5), 對于單個(gè)高光譜相機(jī)探測器, 在探測器像元響應(yīng)在飽和值的一半時(shí), 增益與曝光時(shí)間相同的條件下, 單臺(tái)相機(jī)非均勻性主要來自于不同像元的響應(yīng)系數(shù)ai和bi的差異。 設(shè)n為相機(jī)編號, 為了消除單臺(tái)相機(jī)的非均勻性, 需要將每臺(tái)相機(jī)的所有像元響應(yīng)系數(shù)統(tǒng)一為一組固定的系數(shù)an和bn。

Ns=kn×Nn

(6)

式(6)中,kn是第n臺(tái)相機(jī)相較于基準(zhǔn)相機(jī)的校正系數(shù)。 因此, 獲得較準(zhǔn)確的kn值是完成不同相機(jī)間非均勻校正的關(guān)鍵。

1.3 基于重疊視場的拼接式高光譜相機(jī)非均勻性校正算法

首先進(jìn)行單個(gè)高光譜相機(jī)的非均勻性校正。 根據(jù)式(3)—式(5), 單個(gè)相機(jī)的所有像元響應(yīng)系數(shù)an和bn應(yīng)通過校正統(tǒng)一。 其中an和bn分別代表增益系數(shù)和偏置系數(shù)。 因此, 本算法首先通過輻射定標(biāo)多段校正方法, 校正探測器各像元的增益系數(shù)和偏置系數(shù)。 具體算法如下:

(7)

(8)

其中,k=2, …,n,i=1, 2, …,NS;NB是探測器的行數(shù), 即波段數(shù);NS是探測器的列數(shù), 即空間維數(shù)。

探測器第(i,j)處像元的睜益和偏置分別是

(9)

(10)

(11)

然后進(jìn)行拼接式高光譜相機(jī)不同相機(jī)間的非均勻校正。 由圖1可知, 3臺(tái)參與拼接的高光譜相機(jī)中, 3號相機(jī)位于中心視場, 與1號相機(jī)和2號相機(jī)均有重疊部分, 因此選取3號相機(jī)的像元響應(yīng)為基準(zhǔn)響應(yīng)。

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(12)

(13)

表2 不同方法的圖像質(zhì)量提高系數(shù)(IF)

表3 不同方法的非均勻性(NU)

在拼接式高光譜成像儀實(shí)際工作過程中, 當(dāng)重疊視場中地面目標(biāo)與非重疊視場中的地面目標(biāo)光譜差異較大時(shí), 會(huì)給算法中k13和k23值帶來一定的誤差干擾。 為了消除該誤差, 本算法引入了一維小波多尺度分解的方法, 對k13和k23進(jìn)行小波濾波修正。

一維小波多尺度分解與重構(gòu)公式如式(14)—式(16)

(14)

(15)

(16)

根據(jù)式(14)—式(16), 選取小波基為“sym8”, 分解層數(shù)為3, 對k13和k23分別進(jìn)行一維離散小波分解, 將第三層的低頻系數(shù)代入小波重構(gòu)公式, 得到經(jīng)過小波濾波修正后的系數(shù)K13與K23。 最后將1號相機(jī)與2號相機(jī)每個(gè)像元的響應(yīng)值分別乘以K13與K23, 即可完成3臺(tái)相機(jī)間的非均勻性校正。

方法流程圖如圖6所示。

圖6 算法流程圖

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

為了驗(yàn)證本算法的有效性, 選取圖2中數(shù)據(jù)作為原始圖像, 分別采用基于場景的非均勻性定標(biāo), 未進(jìn)行小波濾波的本文方法和本文提到的基于重疊視場的混合校正方法對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行非均勻性校正。 校正結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出, 實(shí)驗(yàn)室單臺(tái)相機(jī)定標(biāo)校正一定程度上調(diào)整了圖像的灰度, 但對于三臺(tái)相機(jī)間的非均勻性校正效果并不明顯; 基于場景的非均勻性定標(biāo)校正在一定程度上校正了三臺(tái)相機(jī)間的非均勻性, 由于圖像整體信息復(fù)雜, 校正的同時(shí)引入了條帶噪聲, 對圖像細(xì)節(jié)損失較嚴(yán)重。 本方法在校正相機(jī)非均勻性和細(xì)節(jié)的保留方面取得了良好的平衡。

為了定量化評價(jià)上述方法的校正效果, 引入了圖像質(zhì)量的提高系數(shù)(IF), 非均勻性(NU)與光譜角(SA)三個(gè)評價(jià)指標(biāo)。

圖像的IF表示圖像校正前后圖像質(zhì)量的提高程度, 它的定義如式(17)—式(19)

dR[j]=MeanIR[j]-MeanI[j]

(17)

dE[j]=MeanIE[j]-MeanI[j]

(18)

(19)

式(17)—式(19)中,j是圖像在推掃方向的空間位置, 一般為探測器的列數(shù); MeanIR[j]和MeanIE[j]分別是原始圖像和校正后圖像在推掃方向的像元響應(yīng)值的均值。 MeanI[j]是MeanIE[j]經(jīng)過低通濾波之后得到的值。 IF越大, 說明圖像的校正效果越好, 圖像質(zhì)量提高的程度越大。

圖像的非均勻性(NU)定義如式(20)

(20)

圖像的光譜角(SA)定義如式(21)

(21)

式(21)中,ti與ri分別是非均勻性校正前后的光譜響應(yīng),i是對應(yīng)的譜段數(shù)。 光譜角度越小, 代表圖像經(jīng)過校正算法處理前后的光譜特性變化越小。

用上述3種指標(biāo)對3種非均勻性校正方法進(jìn)行評價(jià), 評價(jià)指標(biāo)計(jì)算范圍見圖8紅色方框, 結(jié)果如表2—表4所示。

圖8 評價(jià)指標(biāo)的計(jì)算范圍

表4 不同方法的光譜角(SA)

從表2—表4中的指標(biāo)數(shù)據(jù)可以看出, 相較于實(shí)驗(yàn)室單臺(tái)相機(jī)定標(biāo)方法和基于場景的非均勻性校正方法, 提出的基于重疊視場的校正方法具有最好的非均勻性校正效果, 同時(shí)在最大程度上減小了圖像原始信息的損失。

3 結(jié) 論

非均勻性校正對提高高光譜數(shù)據(jù)質(zhì)量具有重要意義。 本文通過對拼接式高光譜相機(jī)實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)進(jìn)行分析, 建立了非均勻性模型, 提出了一種基于重疊視場的拼接式高光譜相機(jī)非均勻性校正方法。 該種方法綜合運(yùn)用了實(shí)驗(yàn)室定標(biāo)數(shù)據(jù)與實(shí)時(shí)飛行數(shù)據(jù), 運(yùn)用符合定標(biāo)的方法校正單臺(tái)相機(jī)的非均勻性, 運(yùn)用相機(jī)間重疊視場計(jì)算系數(shù)的方法校正多相機(jī)間的非均勻性, 同時(shí)引入一維多重小波變換對校正系數(shù)進(jìn)行了濾波處理。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明, 相較于實(shí)驗(yàn)室單臺(tái)相機(jī)定標(biāo)方法和基于場景的非均勻性校正方法, 本文提出的基于重疊視場的拼接式高光譜相機(jī)非均勻性校正方法具有最好的非均勻性校正效果, 擺脫了需要大口徑積分球光源的限制, 同時(shí)最大程度保留了光譜特性。