一种CCD相机辐射定标的方法

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摘 要:讨论了影响CCD相机辐射测量性能的因素及进行辐射定标所采用的方法｡在已建立的实验装置上,对CCD相机进行了辐射定标实验,实验结果证明了所采用的方法,是一种有效的辐射定标方法｡

关键词:辐射定标;校正系数;电荷耦合器件相机

中图分类号:TN386.5文献标识码:A

A Method of ccd Camera Radiometric Calibration

LI Ying1 ,GAO Wei2 ,SONG Zong-xi2

(1.Xi'an University of Post & Telecomminations, Xi'an710061,China; 2. Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics,Xi'an 710119,China)

Abstract: The factors affecting radiation measurement performance of CCD camera were discussedand a calibration method was introduced. The calibration experiment of CCD radiation measurement performance was accomplished with the erected experiment equipments. The methodwas proved very effective by the experiment results.

Keywords: Radiometric Calibration ;Correction Coefficient ;CCD Camera

引言

为了提高辐射测量性能,CCD相机通常要进行辐射定标,以便图像处理中进行辐射校正,提高相机的应用能力[1]｡如果CCD相机在各方面都能达到理想状态,则提供一个完全均匀的面光源时,它的像面上将产生具有同样均匀的像面照度,光学系统即便处于离焦状态也不破坏其像面照度的均匀性｡但实际情况并非如此,这就要求对CCD相机进行辐射定标,通过测试对CCD相机输入､输出关系进行标定,提高其辐射测量性能｡

辐射定标按性质定标可分为绝对定标和相对定标｡绝对定标需要建立相机输出信号与输入信号之间的关系｡相对定标是通过一个定标光源照射相机,将输出信号与初始测试数据进行比较从而得到相对定标校正系数｡定标中的每个测试项目并不是非有不可,而是为了改善辐射测量性能而设置的,具体设置时应根据应用目的和研究能力来定｡

本文详述了相对定标的方法,其主要目的就是为了减少各种干扰因素的影响,校正由于系统所引入的各种缺陷｡

1 影响辐射测量性能的因素

在理想条件下,CCD相机辐射测量性能是均匀的,但实际上它受到很多因素的影响,影响因素如下:

1.1 光源不均匀性

所谓光源的不均匀性包括面不均匀性和角不均匀性｡面不均匀性是由光源出口平面亮度的不均匀性造成的｡角不均匀性是由光源的不同方向的辐射亮度的不均匀性造成的(这种性质是光源固有的特性,与CCD无关)｡

1.2 镜头成像的影响

CCD成像系统像面上的照度随光学系统的视场角的增加而有规律的降低｡即整个像面上光照度是不均匀的,由镜头中心向边缘逐渐减弱[2],因此实际像面照度的不均匀引起CCD成像系统的不均匀,从而影响CCD成像系统辐射测量的性能｡

1.3CCD的影响

当一个完全均匀的光场照明时,如果CCD完全理想,每个CCD像元的输出应该完全相同,但事实上由于CCD各像元光电响应度不均匀,特别是CCD像元中的过冷(热)或瞎像元,会影响CCD响应的均匀性｡除了CCD响应不均匀性会影响输出信号,CCD中的散粒噪声､转移噪声和热噪声[3],也会影响CCD相机成像系统的均匀性｡

1.4 杂光的影响

杂光是到达光学系统成像面的非成像光线,它会使像面的对比度下降,降低系统信噪比,从而影响CCD成像系统响应的不均匀性｡通常是在系统前加遮光罩或者在遮光罩､镜筒内壁涂上低反射率的涂层,对杂光进行能量衰减,起到抑制杂光的作用｡

根据影响辐射测量性能的因素,可以看出镜头成像､CCD响应､以及杂光的影响,属于CCD相机固有的影响因素,可以通过CCD相机相对定标加以修正;而光源的不均匀性不属于相机固有的影响因素｡因此为了减小光源的影响,应尽量选择面(角)均匀性很好的光源｡

2 定标

2.1 实验装置

在相对定标时所用的装置如图1:①光源;②待检测CCD相机;③数据采集系统;④数据处理系统｡

定标时让位于CCD相机前的光源输出均匀稳定的辐射光,通过CCD相机光轴与光源位置配准,CCD相机光轴对准光源中心,经过A/D转换后,将CCD输出的信号值转换成数字信号,再通过采集系统,送给计算机进行数据处理｡

2.2 定标方法

实验中测得CCD的原始输出是包含有噪声的,并且光源在各谱段上发光强度不一样,相机各谱段光谱响应度也不同,因此为取得CCD的校正系数,需要通过对不同的曝光时间以及电子学增益进行组合,对每种组合下的不同亮度进行相应CCD输出响应检测｡在数据处理中,信号值中的最大值作为确定校正系数的基础,通过其他信号值与最大值做比较,可以得出校正系数｡相对辐射定标的计算公式如下:

S(x,y)=f(x,y)-n(x,y) (1)

g(x,y)=S(x,y)/S(x,y) (2)

其中x,y表示图像的位置,Q表示整个图像区域

f(x,y)表示图像在(x,y)点的输出值

n(x,y)表示图像在(x,y)点的噪声值

S(x,y)表示图像在(x,y)点的信号值

S(x,y)表示整幅图像信号值的最大值

g(x,y)表示相对定标的校正系数

对于测量结果,考虑到光源的角不均匀性,对图像进行校正:

S'(x,y)=S(x,y)/P(x,y)(3)

其中:

S(x,y)表示图像在(x,y)点的信号值

P(x,y)表示(x,y)点的角不均匀性(它是该点的水平和垂直方向角不均匀性的乘积)

S'(x,y)表示图像在(x,y)点的信号校正值

将S'(x,y)代替(2)中的S(x,y)即得图像的校正系数｡

根据概率论可知,如果能够对于某一量进行无限多次测量,就可得到不受随机误差影响的测量值,或其影响甚微,可以忽略[5]｡因此我们用输出和噪声的100次测量的平均值(x,y)和(x,y)代替(1)中的输出值和噪声值｡

同样通过改变光源的输出亮度获得校正系数的不同的测量值,然后求平均得到CCD相机相对校正系数的真实值:

(x,y)=g(x,y)

其中表示改变光源输出测量的次数｡

3 实验结果

由于我们用于定标的CCD相机有34°度的视场角,很难找到这样大视场角的均匀光源,为了消除光源对于CCD相机定标的影响,通过标定光源的面(角)均匀性曲线,来对光源进行校正｡标定结果如下:光源在Ф100mm范围内相对于中心点最大面不均匀性为0.7%,因此面不均匀性可忽略不计;角不均匀性如下:

实验采用图像输出值和噪声值的100次测量的平均值代替它们的真值｡在CCD相机相同的增益和曝光时间下,CCD相机的信号输出和校正值如图3(a)所示,可以看出未修正时响应波动范围在79~83之间,经过校正系数校正后图像的波动范围缩小,主要集中在84附近,说明CCD相机的输出图像经过校正后均匀性得到了明显的改善｡

更换为另一组光源后,再用图3(a)中的相对定标校正系数对CCD相机的输出图像进行校正,从图3(b)中可以看出,CCD相机输出图像的均匀性也获得了较大的改善｡由于相对定标及光源的标定存在一定误差,使得光源更换后相对定标的值波动变大,但这些波动在相对定标的误差(1.4%)之内｡

4 结 论

本文在对相对辐射度定标可能的影响因素进行分析后,并根据实验室的实际情况对传统的相对定标方法进行了改进｡通过相对定标实验结果可以看出,本文采用的定标方法,能够比较真实的反应系统相对定标的真实特性,是一种有效的相对辐射度定标方法｡

参考文献

[1]林德荦. 资源一号卫星CCD相机辐射定标和图像辐射校正[J].航天返回与遥感,2000,21(2): 8~12.

[2]胡玉禧,安连生. 应用光学[M].合肥:中国科学技术大学出版社,1996.117~121.

[3]王庆有. CCD应用技术[M].天津:天津大学出版社,2000. 43~44.

[4]安毓英, 曾晓东. 光电探测原理. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2004.

[5]费业泰.误差理论与数据处理.北京:机械工业出版社,2004.

作者简介:李瑛(1978-),女,西安邮电学院通信工程研究生,主要研究方向为图像处理,E-mail: ｡