公开了一种高光谱图像的黑帧标定、矫正方法和系统，在同一测试温度、不同的曝光时间下，对拍摄波段进行黑帧采集，以及在初始曝光时间下，对于不同测试温度序列进行黑帧采集，获取对应黑帧数据集合，从图像维度和波长维度从黑帧数据集合获得波长维度平均值和图像维度平均值，基于曝光时间、初始测试温度分别拟合波长维度平均值和图像维度平均值，保留初始曝光时间、初始测试温度时的波长维度平均值和图像维度平均值。利用上述参数获取完整高光谱黑帧图像序列矩阵，对高光谱图像扣除高光谱黑帧图像序列矩阵与数字增益的乘积，获得矫正后的高光谱图像。该方法和系统不仅可以免去每次重复拍摄黑帧的时间，同时又可以极大地减小存储占用的空间。用的空间。用的空间。
【技术实现步骤摘要】
一种用于高光谱图像的黑帧标定、矫正方法和系统
[0001]本专利技术涉及高光谱成像和光谱分析的
，并且特别涉及一种用于高光谱图像的黑帧标定、矫正方法和系统。
技术介绍
[0002]高光谱成像技术可以同时获得图像信息和光谱信息，结合机器视觉技术来对物体进行判别的同时，还可以进行依赖于光谱的光谱分析，是具有很大潜力的新技术。高光谱成像技术的光谱分析能力来源于高光谱可以采集不同波长下物质所发出的光谱信息，而这些光谱信息直接反映了物体的理化成分等信息；结合图像的识别、选区等信息，高光谱成像技术可以实现目标检测
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成分判断
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结果输出的完全自动化。
[0003]和普通的RGB相机一样，高光谱相机拍摄的图像数据也需要做黑帧矫正（dark
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frame subtraction，或平场矫正(flat
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field correction）。平场矫正指成像系统拍摄的图像在通过矫正过后（光学系统和传感器），每个像素在相同的进光量下都能给出相同的输出值。该矫正包括了图像暗角阴影的矫正、传感器像素位置的输出不均匀性补偿和无进光时残余的黑电平信号去除，同时也包括了对因传感器温度上升变化而带来的热噪声的矫正。该矫正之所以可行，是因为每一个传感器的暗电流（dark current）和固定模式噪声（fixed pattern noise, FPN）具有可重复性。
[0004]这个矫正可以通过扣除拍摄无进光量时黑帧（指在镜头没有任何外界光线入射的情况下（例如：盖上镜头盖）传感器读出的电信号所组成的每一帧（黑暗环境下的）图像数据）来实现。扣除黑帧不仅可以消除图像初始背景的不均匀性，保持进光量与数字信号的一致对应关系，还可以一定程度地去除暗噪声。黑帧信号（主要包括了暗电流和FPN）与温度和曝光时间呈正相关，同时和增益或ISO、光圈值等有一定关系。暗电流和FPN随传感器的不同而不同，同一块传感器在不同的曝光时间下具有相同的FPN，根据该原理可知：对于同一台高光谱相机的同一块传感器，不同波段和曝光时间下对应的FPN相同。因此可根据此原理压缩高光谱黑帧信号数据，或提取出黑帧信号特征，而不用重复获取不同波段下的黑帧数据。
[0005]扣除黑帧不但可以消除图像初始背景的不均匀性，保持进光量与数字信号的一致对应关系，还可以一定程度地去除暗噪声，尤其是FPN。因此是一个重要的预处理步骤。但高光谱图像本身拍摄数据量大，拍摄耗时相对久，如果传感器的黑帧没有通过硬件手段处理，而需要实时拍摄来矫正，则由于每一个波段都需要扣除独自的黑帧，因此总体将耗费两倍时间，同时数据存储量也会翻倍。同时，由于曝光时间可能会变化，黑帧也就无法做到预先存储，因为考虑到不同曝光时间的话，其可能存在的数据量将异常庞大。即使只考虑并存储同一曝光时间的黑帧数据，也很耗费存储空间。
技术实现思路
[0006]为了解决现有技术中高光谱图像的黑帧数据处理的数据量巨大耗费大量时间的技术问题，本专利技术提出了一种用于高光谱图像的黑帧标定、矫正方法和系统，以试图解决现
有技术中存在的上述问题。
[0007]根据本专利技术的一个方面，提出了一种用于高光谱图像的黑帧标定方法，包括以下步骤：S1：在同一测试温度、不同的曝光时间下，对拍摄波段进行黑帧采集，获取黑帧数据集合，其中， 表示图像坐标， 表示波长， 表示曝光时间；S2：基于图像维度和波长维度从黑帧数据集合获得第一波长维度平均值 和第一图像维度平均值 ，分别基于曝光时间 分别拟合第一波长维度平均值 和第一图像维度平均值，并保留初始曝光时间 时的第一波长维度平均值和第一图像维度平均值的标定数据；S3：在初始曝光时间 下，对于不同测试温度序列进行拍摄以及黑帧采集，获取黑帧矩阵 ，其中， 表示不同测试温度， ；S4：基于图像维度和波长维度从黑帧数据集合获得第二波长维度平均值和第二图像维度平均值 ，基于初始测试温度分别拟合第二波长维度平均值和第二图像维度平均值 ，并将初始测试温度 时的第二波长维度平均值 和第二图像维度平均值保存至标定数据中。
[0008]在一些具体的实施例中，第一波长维度平均值 ，第一图像维度平均值，第二波长维度平均值，第二图像维度平均值，其中， 表示波段数量。通过上述平均值可以消除个体像素噪声的随机涨落。
[0009]在一些具体的实施例中，步骤S2中拟合第一波长维度平均值 和第一图像维度平均值的拟合系数分别为矩阵 和向量 ，均采用多项式函数拟合。
[0010]在一些具体的实施例中，步骤S4中拟合第二波长维度平均值
和第二图像维度平均值的拟合系数分别为矩阵 和向量 。上述函数拟合的是黑帧图像不同像素的固定模式噪声随曝光时间的细微变化。
[0011]在一些具体的实施例中，还包括在不同的光圈或增益值下，获取相应标定数据。不同光圈和内增益的黑帧信号会有不同，因此需要分别标定。
[0012]根据本专利技术的第二方面，提出了一种用于高光谱图像的黑帧矫正方法，利用上述的黑帧标定方法，包括：获取当前高光谱的拍摄参数，拍摄参数包括数字增益、波段 、曝光时间 和温度 ，并载入当前光圈和内增益对应的标定数据，标定数据包括第一波长维度平均值
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、第一图像维度平均值、拟合系数矩阵 和向量 ；对图像维度平均值作波段插值处理；分别预生成黑帧在波长维度的分量和在图像维度的分量，合并两分量获取完整的高光谱黑帧图像序列矩阵；利用当前拍摄的高光谱图像去除高光谱黑帧图像序列矩阵与数字增益的乘积，获得矫正后的高光谱图像。
[0013]在一些具体的实施例中，对于不具有温度传感器的高光谱设备，对第一图像维度平均值作实际的波段插值处理获得。
[0014]在一些具体的实施例中，预生成的黑帧在波长维度的分量为 ，预生成的黑帧在图像维度的分量为 其中，泛函表示和曝光时间 的关系，泛函表示 和曝光时间的关系。
[0015]在一些具体的实施例中，对于具有温度传感器的高光谱设备，对第二图像维度平均值作实际的波段插值处理获得。
[0016]在一些具体的实施例中，预生成的黑帧在波长维度的分量为，预生成的黑帧在图像维度的分量为，其中，泛函 表示 和曝光时间的关系，泛函 表示和温度T的关系，泛函 表示和曝光时间的关系, 泛函 表示和温度T的关系。
[0017]在一些具体的实施例中，合并预生成黑帧在波长维度的分量和在图像维度的分量
获取完整的高光谱黑帧图像序列矩阵具体为：将预生成的黑帧在图像维度的分量复制至所有当前波段 中，并将每个波段的图像数据与预生成的黑帧在波长维度的分量在该波段的值相乘获得完整的高光谱黑帧图像序列矩阵。
[0018]根据本专利技术的第三方面，提出了一种用于高光谱图像的黑帧标定系统，该系统包括：黑帧数据采集单元：配置用于在同一测试温度、不同的曝光时间下，对拍摄波段进行黑帧采集，获取黑帧数据集合，其中， 表示图像坐标， 表示波长， 表示曝光时间；标定数据获取单元：基于图像维度和波长维度从黑帧数据集合获得第本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种用于高光谱图像的黑帧标定方法，其特征在于，包括以下步骤：S1：在同一测试温度、不同的曝光时间下，对拍摄波段进行黑帧采集，获取黑帧数据集合，其中，表示图像坐标，表示波长，表示曝光时间；S2：基于图像维度和波长维度从所述黑帧数据集合获得第一波长维度平均值和第一图像维度平均值，分别基于曝光时间分别拟合所述第一波长维度平均值和第一图像维度平均值，并保留初始曝光时间时的第一波长维度平均值和第一图像维度平均值的标定数据。2.根据权利要求1所述的用于高光谱图像的黑帧标定方法，其特征在于，对于包括温度传感器的高光谱设备，还包括：在所述初始曝光时间下，对于不同测试温度序列进行拍摄以及黑帧采集，获取黑帧矩阵，其中，表示不同测试温度，；S4：基于图像维度和波长维度从所述黑帧数据集合获得第二波长维度平均值和第二图像维度平均值，基于初始测试温度分别拟合所述第二波长维度平均值和第二图像维度平均值，并将初始测试温度时的第二波长维度平均值和第二图像维度平均值保存至所述标定数据中。3.根据权利要求2所述的用于高光谱图像的黑帧标定方法，其特征在于，所述第一波长维度平均值，所述第一图像维度平均值，所述第二波长维度平均值，所述第二图像维度平均值，其中，表示波段数量。4.根据权利要求1所述的用于高光谱图像的黑帧标定方法，其特征在于，所述步骤S2中拟合所述第一波长维度平均值和第一图像维度平均值的拟合系数分别为矩阵和向量，均采用多项式函数拟合。5.根据权利要求2所述的用于高光谱图像的黑帧标定方法，其特征在于，所述步骤S4中拟合所述第二波长维度平均值和第二图像维度平均值的拟合系数分别为矩阵和向量。6.根据权利要求1或2所述的用于高光谱图像的黑帧标定方法，其特征在于，还包括在不同的光圈或增益值下，获取相应标定数据。7.一种用于高光谱图像的黑帧矫正方法，利用权利要求1
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5中任一项所述的黑帧标定方法，其特征在于，包括：
获取当前高光谱的拍摄参数，所述拍摄参数包括数字增益、波段、曝光时间和温度，并载入当前光圈和内增益对应的标定数据，所述标定数据包括第一图像维度平均值、第一波长维度平均值、拟合系数和；对图像维度平均值作波段插值处理；分别预生成黑帧在波长维度的分量和在图像维度的分量，合并两分量获取完整的高光谱黑帧图像序列矩阵；利用当前拍摄的高光谱图像去除所述高光谱黑帧图像序列矩阵与所述数字增益的乘积，获得矫正后的高光谱图像。8.根据权利要求7所述的用于高光谱图像的黑帧矫正方法，其特征在于，对于不具有温度传感器的高光谱设备，对所述第一图像维度平均值作实际的波段插值处理获得。9.根据权利要求8所述的用于高光谱图像的黑帧矫正方法，其特征在于，预生成的黑帧在波长维度的分量为，预生成的黑帧在图像维度的分量为其中，泛函表示和曝光时间的关系，泛函表示和曝光时间的关系。10.根据权利要求7所述的用于高光谱图像的黑帧矫...
【专利技术属性】
技术研发人员：黄锦标，郁幸超，任哲，郭斌，
申请(专利权)人：深圳市海谱纳米光学科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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