一種高光譜成像系統(tǒng)的色差補(bǔ)償方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種高光譜成像系統(tǒng)的色差校準(zhǔn)方法，設(shè)及光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，通過 補(bǔ)償方法對測量的成像數(shù)據(jù)進(jìn)行色差校準(zhǔn)，是進(jìn)行光譜分類、光譜解混合等光譜圖像數(shù)據(jù) 分析的基礎(chǔ)。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前市售的高光譜成像儀主要可分為棱鏡色散型、光柵型、濾光片型等。棱鏡色散 型、光柵型光譜成像儀的共同缺點(diǎn)是需要推掃成像，同時(shí)光通量和光譜分辨率相互制約，不 利于分析快速變化的物理化學(xué)過程，相比而言，基于LCTF的濾光片型光譜成像儀采用液晶 可調(diào)諧濾光片化iquid化ys化1化nableFilte;r，LCTF)作為分光元件，通過改變驅(qū)動電壓 來實(shí)現(xiàn)透過波長的調(diào)諧，實(shí)現(xiàn)靜態(tài)光譜成像。運(yùn)種類型的光譜成像儀一次曝光即可獲得單 色全幅圖像，通過光譜維的掃描來獲得數(shù)據(jù)立方體，且通過選擇少數(shù)有效波段進(jìn)行數(shù)據(jù)采 集與分析，可實(shí)現(xiàn)快速的目標(biāo)探測與分析，因而基于LCTF的光譜成像儀受到市場廣泛的關(guān) 注。
[0003] 基于LCTF的光譜成像系統(tǒng)中，LCTF分光系統(tǒng)的位置有兩種選擇：
[0004] 第一種是將LCTF置于鏡頭的前方，使得鏡頭可W直接與CCD相機(jī)連接，能夠準(zhǔn)確調(diào) 焦使成像清晰。但是運(yùn)將增加鏡頭調(diào)焦的難度，對機(jī)械結(jié)構(gòu)、外觀設(shè)計(jì)等提出了較高要求， 而且由于LCTF有一定的厚度，當(dāng)鏡頭的通光口徑大于LCTF的孔徑時(shí)，會有光能損失并產(chǎn)生 漸暈現(xiàn)象。
[0005] 第二種結(jié)構(gòu)是將LCTF置于鏡頭和相機(jī)之間，作為光學(xué)系統(tǒng)的一部分。運(yùn)種結(jié)構(gòu)的 優(yōu)點(diǎn)是:LCTF與CCD相機(jī)直接相連，只需要設(shè)計(jì)中繼鏡組使圖像成像于CCD焦平面上即可。因 此，運(yùn)種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更易被采用。運(yùn)種設(shè)計(jì)類似于在鏡頭和CCD之間加入了不同波長可調(diào)的濾 波片，根據(jù)需要切換不同的透過波長可W獲取不同譜段的圖像。但與普通濾波片不同，LCTF 是通過電調(diào)諧的方式獲取不同的透過波長，它是基于偏振光的干設(shè)原理而制成，光通過液 晶產(chǎn)生光程差，由于雙折射液晶造成的相位差可W通過電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，即通過施加不同的 電壓可W使不同波長的光發(fā)生干設(shè)，實(shí)現(xiàn)不同波長的掃描。由于系統(tǒng)中LCTF對不同波長的 光的折射率不同，且等效厚度不一，若LCTF放置不能完全與光軸垂直，或者LCTF放置于中繼 光學(xué)系統(tǒng)的非平行光路中，或者系統(tǒng)中其他光學(xué)元件的不完全消色差等，運(yùn)些因素使得獲 取的同一場景的各譜段圖像會存在一定的色差和崎變，如果不進(jìn)行校準(zhǔn)，由運(yùn)些單譜段圖 像組成的數(shù)據(jù)立方體中像元光譜出現(xiàn)錯位失真，影響后續(xù)的光譜分析。
[0006] 現(xiàn)有的色差補(bǔ)償方法多是采用特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)消除色差或是從數(shù)據(jù)處理角度利 用圖像配準(zhǔn)方法實(shí)現(xiàn)多譜段圖像的對齊。前者對于一些特殊應(yīng)用，如光譜成像系統(tǒng)與商業(yè) 顯微系統(tǒng)的集成，不便通過光學(xué)方法實(shí)現(xiàn)色差修正，同時(shí)，特殊的光學(xué)設(shè)計(jì)有可能增加光路 長度，不利于儀器小型化設(shè)計(jì);后者對每個(gè)場景的高光譜圖像都需要進(jìn)行大量計(jì)算，實(shí)時(shí)性 差。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種針對基于LCTF的光譜成像系統(tǒng)的色差 相對校準(zhǔn)方法，采用數(shù)據(jù)建模計(jì)算出固定的補(bǔ)償參數(shù)，在實(shí)際測量中實(shí)時(shí)對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行 補(bǔ)償，具有簡單方便，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
[0008] 本發(fā)明的目的通過W下技術(shù)方案來具體實(shí)現(xiàn)：
[0009] -種高光譜成像系統(tǒng)的色差校準(zhǔn)方法，包括：
[0010] 步驟S100、建立色差校準(zhǔn)模型，確定模型中的參數(shù)值；
[0011] 步驟S200、將校準(zhǔn)模型固化后對高光譜圖像的色差進(jìn)行相對校準(zhǔn)。
[0012] 其中，步驟S100中，所述的色差校準(zhǔn)模型采用仿射模型。
[0013] 所述的仿射模型，即：
[0014] (xc,yc) = (xs,ys,l)T,
[0015]
[0016] (XE，y。)為校準(zhǔn)后的像素位置，（xs，ys)為原始測量的像素位置，T為仿射系數(shù)矩陣。 對于任一譜段，校準(zhǔn)模型的公式形式相同，但參數(shù)不同。
[0017] 進(jìn)一步地，所述步驟S100中，所述的確定模型中的參數(shù)值包括：
[0018] 確定系統(tǒng)色差校準(zhǔn)模型；
[0019] 測量并計(jì)算各離散譜段的系統(tǒng)色差；
[0020] 反演各離散譜段色差校準(zhǔn)模型中的參數(shù)；
[0021] 擬合出連續(xù)譜段的校準(zhǔn)模型參數(shù)。
[0022] 優(yōu)選地，步驟S100中，所述的確定模型中的參數(shù)值，包括：
[0023] 步驟S110、測量一組數(shù)據(jù)立方體；
[0024] 步驟S120、選定一個(gè)譜段作為參考譜段，其他譜段作為待校準(zhǔn)譜段，逐個(gè)計(jì)算每一 幅待校準(zhǔn)圖像與參考圖像之間的垂軸色差，也即像素位置偏移；
[0025] 步驟S130、對于每一個(gè)待校準(zhǔn)波段，利用計(jì)算得到的與參考圖像之間的色差，采用 RANSAC算法結(jié)合最小二乘法的方法計(jì)算數(shù)學(xué)模型中的參數(shù)值，反演得到每個(gè)待校準(zhǔn)譜段對 應(yīng)校準(zhǔn)模型中的參數(shù)；
[00%]步驟S140、根據(jù)各離散譜段對應(yīng)的校準(zhǔn)模型中的參數(shù)，擬合出連續(xù)譜段的參數(shù)值， 從而確定任一連續(xù)譜段對應(yīng)的校準(zhǔn)模型參數(shù)。
[0027] 步驟S120中，所述的計(jì)算每一幅待校準(zhǔn)圖像與參考圖像之間的垂軸色差，包括:對 于每一個(gè)待校準(zhǔn)圖像，首先將圖像分割為許多的小塊，將小塊中每一像素的位置偏移視為 是相同的，計(jì)算待校準(zhǔn)圖像和參考圖像之間對應(yīng)的每一小塊圖像間的位置偏移;計(jì)算完所 有小塊的位置偏移后得到一個(gè)垂軸色差矢量場;計(jì)算待校準(zhǔn)圖像和參考圖像之間對應(yīng)的每 一小塊圖像間的位置偏移，優(yōu)選采用互信息匹配的方法。
[0028] 步驟S130中，所述的采用RANSAC算法結(jié)合最小二乘法的方法計(jì)算數(shù)學(xué)模型中的參 數(shù)值，包括:首先采用RANSAC方法去除離群點(diǎn)，利用色差矢量場中任意Ξ點(diǎn)計(jì)算出校準(zhǔn)模型 中的參數(shù)，將色差矢量場中其他點(diǎn)代入校準(zhǔn)模型，將符合模型的點(diǎn)視為群內(nèi)點(diǎn)，不符合模型 的點(diǎn)視為離群點(diǎn);循環(huán)處理，記錄下群內(nèi)點(diǎn)數(shù)最多的集合，即去除離群點(diǎn)后的集合;然后，利 用最小二乘法對去除離群點(diǎn)后的點(diǎn)集合進(jìn)行擬合，確定校準(zhǔn)模型參數(shù)。
[0029] 步驟S200中，所述的將校準(zhǔn)模型固化后對光譜圖像色差進(jìn)行相對校準(zhǔn)，包括:采集 到一組數(shù)據(jù)立方體后，對于每一個(gè)待校準(zhǔn)波段，利用查表的方式獲取該波段對應(yīng)的校準(zhǔn)模 型參數(shù)，根據(jù)校準(zhǔn)模型計(jì)算出校準(zhǔn)后的像素位置，利用插值的方法獲取校準(zhǔn)后像素位置對 應(yīng)的像素值，最終得到校準(zhǔn)后圖像。
[0030] 與現(xiàn)有方法相比，本方法具有簡單方便，計(jì)算量小，實(shí)時(shí)性好，成本低的優(yōu)點(diǎn)。
[0031] 本發(fā)明還提供了一種使用W上所述光譜成像系統(tǒng)的色差校準(zhǔn)方法的基于LCTF(液 晶可調(diào)諧濾光器)的高光譜成像系統(tǒng)，由前置成像鏡、中繼鏡、液晶可調(diào)諧濾光器、探測器及 相關(guān)控制系統(tǒng)組成，由前置成像鏡和中繼鏡兩部分組成光學(xué)成像系統(tǒng)，將待分析目標(biāo)成像 在CCD探測器上，液晶可調(diào)諧濾光器化CTF)在控制板控制下只通過特定光譜段的光線;CCD 探測器接收到的光譜圖像信號通過系統(tǒng)控制模塊中的圖像采集單元轉(zhuǎn)換成數(shù)字圖像存膽 在記錄介質(zhì)中；系統(tǒng)控制模塊通過LCTF控制板調(diào)節(jié)加在液晶可調(diào)諧濾光器上的電壓，改變 LCTF通頻帶的中屯、頻率。
[0032] 所述高光譜成像系統(tǒng)可外接計(jì)算機(jī)對本儀器進(jìn)行控制。光譜圖像立方體的獲取通 過LCTF和CCD相機(jī)協(xié)調(diào)工作來實(shí)現(xiàn)，LCTF每調(diào)整一次透過中屯、波長后，面陣CCD相機(jī)曝光一 次，系統(tǒng)記錄下該波段的二維圖像數(shù)據(jù)，然后再設(shè)定下一透過中屯、波長，如此循環(huán)，直到完 成所有預(yù)定波長的圖像采集任務(wù)，將上述數(shù)據(jù)按照波長的順序組合起來即可獲得目標(biāo)的二 維圖像信息和一維光譜信息組成的光譜圖像數(shù)據(jù)立