一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法技术

本发明专利技术公开了一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法，涉及颜色定标技术领域。该方法以目标环境光照的光谱分布与相机整机量子效率相结合，解算出相机在该光照环境下对灰板的响应色品值，根据目标值与标准值之间的线性关系求解白平衡定标系数。利用CIE DE 2000色差公式求解定标后的色差，进而对定标系数进行迭代优化以得到最优解。相对与传统的色标板定标方法，该方法可在不同的光照环境下保证其颜色恒常性，解决了大气层内外环境光谱分布不一致导致的深空探测相机图像偏色问题。一致导致的深空探测相机图像偏色问题。一致导致的深空探测相机图像偏色问题。

【技术实现步骤摘要】
一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法


[0001]本专利技术涉及颜色定标
，具体涉及一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法。

技术介绍

[0002]深空探测是一个国家航空航天技术发展的必然阶段，其有利于促进对太阳系及宇宙的形成与演化、生命起源与进化等重大科学问题的研究。为了反映出深空实际状况特征，获取地形地貌真实状态图像，需要对深空探测相机进行颜色定标工作。相机的色彩响应与环境光源特性、目标反射特性、相机光谱响应特性有关。在探测目标不变和相机自身光谱响应已经校正的情况下，环境光源特性成为影响相机色彩响应的主要影响因素。而深空探测彩色相机区别于普通相机的最特殊因素为大气层内外环境光照条件不同，因此深空探测相机的白平衡定标是十分必要的。
[0003]深空探测目标具有未知性和不确定性，先验少导致定标困难。文献“赵汝进，刘恩海，王进等.嫦娥三号卫星相机地形图像的彩色校正方法[J].宇航学报，2016，37(03)：341
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347.”中设计了一种颜色定标与白平衡相结合的两步颜色校正方法，经地面验证达到了满意的效果。文献“王红，杨建峰，薛彬等.基于光源相对光谱功率分布的颜色真值获取方法[J].光谱学与光谱分析，2018，38(03)：877
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882.”利用光源的相对光谱功率分布，重新定义了转换矩阵中的白点坐标，然后对颜色空间之间的转换矩阵进行了修正，提高了样本真值获取的准确度。但以上方法仅进行了地面白平衡定标，大气层外复杂的光照环境会导致定标结果出现偏差，因此其在轨适应性有待提高。

技术实现思路

[0004]为解决大气层内外环境光谱分布不一致导致的深空探测相机图像色差的技术问题，本专利技术提供一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法，以目标环境光照的光谱分布与相机整机量子效率相结合，解算出相机在该光照环境下的白平衡定标系数，该方法可在不同环境下保证其颜色恒常性。
[0005]为达到上述目的，本专利技术采用如下技术方案：一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法，包括如下步骤：S1、进行暗电流校正，去除本底热噪声的影响，得到准确的相机的光谱响应函数；S2、计算相机的整机量子效率，得到相机光谱响应函数；S3、构建基于地外空间光照环境下的相机响应特征模型；S4、对S3构建的相机响应特征模型进行地面验证：S5、将标准光源光照下的相机响应定为白平衡定标的标准值，将环境光源光照下的相机响应定为待校正值，根据二者之间的线性关系解算白平衡定标系数；S6、利用CIE DE 2000色差公式求解定标后色差，并对定标系数进行迭代优化，得到最优白平衡定标系数解。
[0006]进一步地，所述S2包括：S21、计算各波长下相机R、G、B各通道的平均量子效率，改变波长重复测试和计算步骤，从而得出相机的整机量子效率；其中G通道包括通道和通道；S22、拟合量子效率曲线，得到R、G、B各通道光谱响应函数QR(x)，QG(x)，QB(x)。
[0007]进一步地，所述S3包括：S31、计算目标表面反射环境光源、标准光源的光子数；S32、结合S2所求得的相机的整机量子效率计算相机在目标光源环境、标准光源下对灰板的响应值。
[0008]进一步地，所述S4包括：不同环境光照下对标准灰色色标板拍照，获取实际拍摄的rgb值，并与相机响应特征模型的计算值相比较，证明相机响应特征模型计算的准确性。
[0009]有益效果：本专利技术提出一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法，以目标环境光照的光谱分布与相机整机量子效率相结合，解算出相机在该光照环境下的白平衡定标系数。该方法可在不同环境下保证其颜色恒常性，解决大气层内外环境光谱分布不一致导致的深空探测相机图像色差的技术问题，提高了白平衡定标的准确性和在轨适应性。
附图说明
[0010]图1为本专利技术的一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法流程图。
具体实施方式
[0011]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0012]如图1所示，本专利技术的一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法包括如下步骤：S1、进行暗电流校正，去除本底热噪声的影响，得到准确的相机光谱响应函数：在光谱响应过程中，光子入射到光敏区域后，将沟道内的电子由价带顶激发至导带底，主要过程为光电效应产生信号电荷的过程。由于禁带宽度限制以及Si对短波光线的吸收系数较高，CMOS APS（有源像素传感器）能够有效探测到的光线波长范围大致为400nm
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1100nm。对于彩色相机而言，由于在感光阵列前方有滤光层，光谱响应特征需分为R、、、B（红、绿、绿、蓝）（即Bayer彩色滤波阵列）四个通道的输出分别记录。使用积分球及滤光片对固定可见光波段扫描，测试四个通道的输出响应。波长范围及扫描的波长点为：443.2nm
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5nm, 489.5nm
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5nm, 515.5nm
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5nm, 531.0nm
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5nm, 633.6nm
±
5nm, 648.8nm
±
5nm, 668.3nm
±
5nm。
[0013]在光谱响应过程中，载流子的构成主要分为两部分：吸收光子后在禁带发生跃迁的光生载流子和由于热运动而发生跃迁的电子，即入射光响应信号和本底噪声的叠加。因此，为了得到准确的入射光响应曲线，需要将本底热噪声的影响去除。
[0014]将相机置于积分球前，在相机镜头处覆盖滤光片，设置合适的曝光时间，然后用积
分球进行输出，在每个波段记录下积分球辐照亮度、相机各个像元的光响应灰度值、暗场灰度值。
[0015]将R、、、B四个通道单独计算，以R通道为例，设暗场下第j张图像的各个像元DN值为，其中为像元坐标，第j张图像暗场空间平均响应值为。
[0016]令表示J张图像的暗场空间平均响应值，则暗场空间响应的时域平均值为：，其中，λ为波长；S2、计算相机的整机量子效率，得到R、G、B各通道量子效率函数，具体步骤为：S21、计算各波长λ下相机每个通道的平均量子效率，改变波长重复测试和计算步骤，从而得出相机的光谱响应函数：记录J=5张图像下每张图像中各个像元的光响应并求出光响应空间平均值，令表示J张图像的光响应时域平均值：，然后计算入射光的量子效率，公式为：，，，其中，K为转换增益，为光响应DN时域方差，为暗场DN时域方差，为平均入射光子数，光响应平均值，为暗场空间响应平均值，A为单位像元面积，为曝光时间，E为光辐照量，c为光速，h为普朗克常数，进而有下表达式：，由此可得波长下相机R通道的平均量子效率，根据此方法依次得出波长下、、B通道的平均量子效率。改变波长，重复测试和计算步骤，从而得出相机的光谱响本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、进行暗电流校正，去除本底热噪声的影响，得到准确的相机的光谱响应函数；S2、计算相机的整机量子效率，得到相机的光谱响应函数；S3、构建基于地外空间光照环境下的相机的响应特征模型；S4、对S3构建的相机的响应特征模型进行地面验证：S5、将标准光源光照下的相机响应定为白平衡定标的标准值，将环境光源光照下的相机响应定为待校正值，根据二者之间的线性关系解算白平衡定标系数；S6、利用CIE DE 2000色差公式求解定标后色差，并对白平衡定标系数进行迭代优化，得到最优白平衡定标系数解。2.根据权利要求1所述的一种基于大气层外环境光谱的白平衡定标方法，其特征在于，所述S2包括：S21、计算各波...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵汝进，刘赛男，曾骏哲，乔丽，马跃博，余国彬，刘恩海，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：