CN105444888A - 一种高光谱成像***的色差补偿方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种高光谱成像***的色差校准方法，包括：步骤S100、建立色差校准模型，确定模型中的参数值；步骤S200、将校准模型固化后对高光谱图像的色差进行相对校准。其中，步骤S100中，所述的色差校准模型采用仿射模型。所述步骤S100中，所述的确定模型中的参数值包括：确定***色差校准模型；测量并计算各离散谱段的***色差；反演各离散谱段色差校准模型中的参数；拟合出连续谱段的校准模型参数。与现有方法相比，本方法具有简单方便，计算量小，实时性好，成本低的优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种高光谱成像***的色差校准方法，涉及光谱成像技术领域，通过补偿方法对测量的成像数据进行色差校准，是进行光谱分类、光谱解混合等光谱图像数据分析的基础。
背景技术
目前市售的高光谱成像仪主要可分为棱镜色散型、光栅型、滤光片型等。棱镜色散型、光栅型光谱成像仪的共同缺点是需要推扫成像，同时光通量和光谱分辨率相互制约，不利于分析快速变化的物理化学过程，相比而言，基于LCTF的滤光片型光谱成像仪采用液晶可调谐滤光片(LiquidCrystalTunableFilter，LCTF)作为分光元件，通过改变驱动电压来实现透过波长的调谐，实现静态光谱成像。这种类型的光谱成像仪一次曝光即可获得单色全幅图像，通过光谱维的扫描来获得数据立方体，且通过选择少数有效波段进行数据采集与分析，可实现快速的目标探测与分析，因而基于LCTF的光谱成像仪受到市场广泛的关注。
基于LCTF的光谱成像***中，LCTF分光***的位置有两种选择：
第一种是将LCTF置于镜头的前方，使得镜头可以直接与CCD相机连接，能够准确调焦使成像清晰。但是这将增加镜头调焦的难度，对机械结构、外观设计等提出了较高要求，而且由于LCTF有一定的厚度，当镜头的通光口径大于LCTF的孔径时，会有光能损失并产生渐晕现象。
第二种结构是将LCTF置于镜头和相机之间，作为光学***的一部分。这种结构的优点是：LCTF与CCD相机直接相连，只需要设计中继镜组使图像成像于CCD焦平面上即可。因此，这种结构设计更易被采用。这种设计类似于在镜头和CCD之间加入了不同波长可调的滤波片，根据需要切换不同的透过波长可以获取不同谱段的图像。但与普通滤波片不同，LCTF是通过电调谐的方式获取不同的透过波长，它是基于偏振光的干涉原理而制成，光通过液晶产生光程差，由于双折射液晶造成的相位差可以通过电压进行调节，即通过施加不同的电压可以使不同波长的光发生干涉，实现不同波长的扫描。由于***中LCTF对不同波长的光的折射率不同，且等效厚度不一，若LCTF放置不能完全与光轴垂直，或者LCTF放置于中继光学***的非平行光路中，或者***中其他光学元件的不完全消色差等，这些因素使得获取的同一场景的各谱段图像会存在一定的色差和畸变，如果不进行校准，由这些单谱段图像组成的数据立方体中像元光谱出现错位失真，影响后续的光谱分析。
现有的色差补偿方法多是采用特殊的光学设计消除色差或是从数据处理角度利用图像配准方法实现多谱段图像的对齐。前者对于一些特殊应用，如光谱成像***与商业显微***的集成，不便通过光学方法实现色差修正，同时，特殊的光学设计有可能增加光路长度，不利于仪器小型化设计；后者对每个场景的高光谱图像都需要进行大量计算，实时性差。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出一种针对基于LCTF的光谱成像***的色差相对校准方法，采用数据建模计算出固定的补偿参数，在实际测量中实时对测量数据进行补偿，具有简单方便，计算量小，实时性好，成本低的优点。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种高光谱成像***的色差校准方法，包括：
步骤S100、建立色差校准模型，确定模型中的参数值；
步骤S200、将校准模型固化后对高光谱图像的色差进行相对校准。
其中，步骤S100中，所述的色差校准模型采用仿射模型。
所述的仿射模型，即：
(xc,yc)＝(xs,ys,1)T，
(xc,yc)为校准后的像素位置，(xs,ys)为原始测量的像素位置，T为仿射系数矩阵。对于任一谱段，校准模型的公式形式相同，但参数不同。
进一步地，所述步骤S100中，所述的确定模型中的参数值包括：
确定***色差校准模型；
测量并计算各离散谱段的***色差；
反演各离散谱段色差校准模型中的参数；
拟合出连续谱段的校准模型参数。
优选地，步骤S100中，所述的确定模型中的参数值，包括：
步骤S110、测量一组数据立方体；
步骤S120、选定一个谱段作为参考谱段，其他谱段作为待校准谱段，逐个计算每一幅待校准图像与参考图像之间的垂轴色差，也即像素位置偏移；
步骤S130、对于每一个待校准波段，利用计算得到的与参考图像之间的色差，采用RANSAC算法结合最小二乘法的方法计算数学模型中的参数值，反演得到每个待校准谱段对应校准模型中的参数；
步骤S140、根据各离散谱段对应的校准模型中的参数，拟合出连续谱段的参数值，从而确定任一连续谱段对应的校准模型参数。
步骤S120中，所述的计算每一幅待校准图像与参考图像之间的垂轴色差，包括：对于每一个待校准图像，首先将图像分割为许多的小块，将小块中每一像素的位置偏移视为是相同的，计算待校准图像和参考图像之间对应的每一小块图像间的位置偏移；计算完所有小块的位置偏移后得到一个垂轴色差矢量场；计算待校准图像和参考图像之间对应的每一小块图像间的位置偏移，优选采用互信息匹配的方法。
步骤S130中，所述的采用RANSAC算法结合最小二乘法的方法计算数学模型中的参数值，包括：首先采用RANSAC方法去除离群点，利用色差矢量场中任意三点计算出校准模型中的参数，将色差矢量场中其他点代入校准模型，将符合模型的点视为群内点，不符合模型的点视为离群点；循环处理，记录下群内点数最多的集合，即去除离群点后的集合；然后，利用最小二乘法对去除离群点后的点集合进行拟合，确定校准模型参数。
步骤S200中，所述的将校准模型固化后对光谱图像色差进行相对校准，包括：采集到一组数据立方体后，对于每一个待校准波段，利用查表的方式获取该波段对应的校准模型参数，根据校准模型计算出校准后的像素位置，利用插值的方法获取校准后像素位置对应的像素值，最终得到校准后图像。
与现有方法相比，本方法具有简单方便，计算量小，实时性好，成本低的优点。
本发明还提供了一种使用以上所述光谱成像***的色差校准方法的基于LCTF(液晶可调谐滤光器)的高光谱成像***，由前置成像镜、中继镜、液晶可调谐滤光器、探测器及相关控制***组成，由前置成像镜和中继镜两部分组成光学成像***，将待分析目标成像在CCD探测器上，液晶可调谐滤光器(LCTF)在控制板控制下只通过特定光谱段的光线；CCD探测器接收到的光谱图像信号通过***控制模块中的图像采集单元转换成数字图像存贮在记录介质中；***控制模块通过LCTF控制板调节加在液晶可调谐滤光器上的电压，改变LCTF通频带的中心频率。
所述高光谱成像***可外接计算机对本仪器进行控制。光谱图像立方体的获取通过LCTF和CCD相机协调工作来实现，LCTF每调整一次透过中心波长后，面阵CCD相机曝光一次，***记录下该波段的二维图像数据，然后再设定下一透过中心波长，如此循环，直到完成所有预定波长的图像采集任务，将上述数据按照波长的顺序组合起来即可获得目标的二维图像信息和一维光谱信息组成的光谱图像数据立方体。
本发明还提供了一种光电设备，使用以上所述光谱成像***的色差校准方法和/或所述基于LCTF(液晶可调谐滤光器)的高光谱成像***，获得二维图像数据，并按照波长的顺序将二维图像数据组合起来，获得目标的二维图像信息和一维光谱信息组成的光谱图像数据立方体。
附图说明
下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1是本发明实施例所述高光谱成像***的色差校准方法的流程图。
图2是图1中步骤S100的流程图。
图3是基于LCTF的高光谱成像***组成结构示意图。
图4示出计算得到某一谱段的色差矢量场的图像示例。
图5示出待校准图像与参考图像的色差的图像示例。
图6示出校准后图像与参考图像示例。
具体实施方式
如图1-6所示，本发明实施例所述一种高光谱成像***的色差校准方法，包括：
步骤S100、建立色差校准模型，确定模型中的参数值；
步骤S200、将校准模型固化后对高光谱图像的色差进行相对校准。
其中，步骤S100中，所述的色差校准模型采用仿射模型。
所述的仿射模型，即：
(xc,yc)＝(xs,ys,1)T，
(xc,yc)为校准后的像素位置，(xs,ys)为原始测量的像素位置，T为仿射系数矩阵。对于任一谱段，校准模型的公式形式相同，但参数不同。
进一步地，所述步骤S100中，所述的确定模型中的参数值包括：
确定***色差校准模型；
测量并计算各离散谱段的***色差；
反演各离散谱段色差校准模型中的参数；
拟合出连续谱段的校准模型参数。
优选地，步骤S100中，所述的确定模型中的参数值，包括：
步骤S110、测量一组数据立方体；
步骤S120、选定一个谱段作为参考谱段，其他谱段作为待校准谱段，逐个计算每一幅待校准图像与参考图像之间的垂轴色差，也即像素位置偏移；
步骤S130、对于每一个待校准波段，利用计算得到的与参考图像之间的色差，采用RANSAC算法结合最小二乘法的方法计算数学模型中的参数值，反演得到每个待校准谱段对应校准模型中的参数；
步骤S140、根据各离散谱段对应的校准模型中的参数，拟合出连续谱段的参数值，从而确定任一连续谱段对应的校准模型参数。
步骤S120中，所述的计算每一幅待校准图像与参考图像之间的垂轴色差，包括：对于每一个待校准图像，首先将图像分割为许多的小块，将小块中每一像素的位置偏移视为是相同的，计算待校准图像和参考图像之间对应的每一小块图像间的位置偏移；计算完所有小块的位置偏移后得到一个垂轴色差矢量场；计算待校准图像和参考图像之间对应的每一小块图像间的位置偏移，优选采用互信息匹配的方法。
步骤S130中，所述的采用RANSAC算法结合最小二乘法的方法计算数学模型中的参数值，包括：首先采用RANSAC方法去除离群点，利用色差矢量场中任意三点计算出校准模型中的参数，将色差矢量场中其他点代入校准模型，将符合模型的点视为群内点，不符合模型的点视为离群点；循环处理，记录下群内点数最多的集合，即去除离群点后的集合；然后，利用最小二乘法对去除离群点后的点集合进行拟合，确定校准模型参数。
步骤S200中，所述的将校准模型固化后对光谱图像色差进行相对校准，包括：采集到一组数据立方体后，对于每一个待校准波段，利用查表的方式获取该波段对应的校准模型参数，根据校准模型计算出校准后的像素位置，利用插值的方法获取校准后像素位置对应的像素值，最终得到校准后图像。
本发明另一实施例还提供了一种使用以上所述光谱成像***的色差校准方法的基于LCTF(液晶可调谐滤光器)的高光谱成像***，由前置成像镜、中继镜、液晶可调谐滤光器、探测器及相关控制***组成，由前置成像镜和中继镜两部分组成光学成像***，将待分析目标成像在CCD探测器上，液晶可调谐滤光器(LCTF)在控制板控制下只通过特定光谱段的光线；CCD探测器接收到的光谱图像信号通过***控制模块中的图像采集单元转换成数字图像存贮在记录介质中；***控制模块通过LCTF控制板调节加在液晶可调谐滤光器上的电压，改变LCTF通频带的中心频率。
所述高光谱成像***可外接计算机对本仪器进行控制。光谱图像立方体的获取通过LCTF和CCD相机协调工作来实现，LCTF每调整一次透过中心波长后，面阵CCD相机曝光一次，***记录下该波段的二维图像数据，然后再设定下一透过中心波长，如此循环，直到完成所有预定波长的图像采集任务，将上述数据按照波长的顺序组合起来即可获得目标的二维图像信息和一维光谱信息组成的光谱图像数据立方体。
本发明另一实施例还提供了一种光电设备，使用以上所述光谱成像***的色差校准方法和/或所述基于LCTF(液晶可调谐滤光器)的高光谱成像***，获得二维图像数据，并按照波长的顺序将二维图像数据组合起来，获得目标的二维图像信息和一维光谱信息组成的光谱图像数据立方体。
具体地，对上述基于LCTF的高光谱成像***采集的数据进行色差补偿的方法如下：
首先，根据待校准色差产生的物理原理确定数学模型，在实验室环境下测量一组数据立方体，测量时选定一个谱段作为参考谱段(可选择测量范围中中间的那个谱段)，将LCTF调谐到该工作谱段下进行对焦，采集得到理想的图像，在同样的配置下采集其他谱段的图像(待校准的图像)；逐个计算每一幅待校准图像与参考图像之间的色差，反演得到每一谱段对应数学模型中的参数；根据已经获得的各离散谱段对应的参数拟合出连续谱段的参数值；将得到的数学校准模型固化到***软件中，在以后实际测量时，利用固化的数学校准模型对每一组数据立方体中的待校准图像进行色差补偿。
(1)确定***色差校准模型
基于LCTF的光谱成像***色差产生原因主要有：①LCTF对不同调谐波长的光的折射率不同，当光束以一定的倾角入射时，出射光线位置发生偏移，且不同波长的光偏移量不同；②装调时LCTF放置若不与光轴垂直引起的色差；③***中其他光学元件没有完全消色差引起的色差，如显微光谱成像***中显微镜存在的色差。根据上述现象所对应的物理原理，采用仿射模型可以完全描述所导致产生的垂轴色差。
(2)测量并计算各离散谱段的***色差
确定色差校准数学模型后，在实验室进行实验，确定模型中的各参数。实验时，先将LCTF调谐到一个谱段(可选择中间的谱段，作为参考谱段，其他谱段为待校准谱段)，对焦得到清晰的图像，设置好采集参数(如曝光时间、增益等)，然后开始扫描采集数据立方体，整个过程中各参数配置保持不变。为了方便计算各谱段之间的色差，拍摄目标优选方格图像。
为了计算色差分布以反演模型中的参数，首先将图像分割为许多的小块(如64×64)，将小块中的色差视为一致，计算待校准谱段和参考谱段之间对应每一小块图像间的偏移。这样对于每一个待校准谱段，可以得到一个垂轴色差矢量场。
计算对应每一小块图像间偏移的方法如下：
①将图像在水平方向移动h个像素(h<0时，为向左移动；h>0时，为向右移动)，在垂直方向移动v个像素(v<0时，为向上移动；v>0时，为向下移动)；
②计算移动后的图像与原图像之间的互信息MI，随着(h,v)变化可得到一系列离散互信息值；
③对②中得到的离散互信息值进行多项式拟合得到互信息随变量(h,v)变化的函数MI(h,v)；
④计算MI(h,v)取最大值时对应的(h,v)，即为该小块图像的色差矢量。
所有小块图像的色差矢量就组成了色差矢量场。
(3)反演各离散谱段色差校准模型中的参数
根据测量得到的色差矢量场反演色差校准数学模型中的参数，首先采用RANSAC算法剔除离群点，然后采用最小二乘法对群内点拟合得到校准模型参数：
①从色差矢量场里点集中随机取三点，计算出校准模型中的参数，得出一个候选的校准模型。
②计算候选模型与整个色差矢量场中点集的匹配程度，可以采用统计符合候选模型的点的个数。色差矢量场中点与对应的经候选模型变换得到的点之间的距离小于阈值，则认为该点符合候选模型，属于群内点。记录群内点个数。
③重复①，②，当完成迭代次数，或者群内点数占总数的比例超过阈值时，停止迭代。
④统计得到群内点数最多的群内点集。
⑤根据群内点数最多的群内点集，采用最小二乘法确定校准模型参数。
(4)获取连续谱段的校准模型参数
得到每一个离散谱段对应的校准模型后，采用多项式拟合得到连续谱段的校准模型参数。
(5)利用连续谱段校准模型，对实测数据进行实时校准。
将校准模型固化到软件中对高光谱图像的色差进行相对校准：对于采集得到的每一个数据立方体，采用查表的方式得到对应待校准谱段的校准模型，通过校准模型计算出校准后的像素位置，采用插值的方法获取校准后像素位置对应的像素值，最终得到校准后图像。
采用上述方法对基于LCTF的高光谱成像***采集的数据进行色差校准，仅需要一次在实验室环境下测量数据并计算得到校准模型，之后在实测实时校准数据时可直接调用已获得的模型，通过简少的计算得到校准图像。这种方法计算速度快、实时性高而且成本较低，相对于硬件校准方法，不需要占用仪器物理空间，更加利于仪器的小型化设计。
Claims (10)
1.一种高光谱成像***的色差校准方法，包括：
步骤S100、建立色差校准模型，确定模型中的参数值；
步骤S200、将校准模型固化后对高光谱图像的色差进行相对校准。
2.如权利要求1所述的高光谱成像***的色差补偿方法，其特征在于，
步骤S100中，所述的色差校准模型采用仿射模型。
3.如权利要求2所述的高光谱成像***的色差补偿方法，其特征在于，
所述的仿射模型，即：
(xc,yc)＝(xs,ys,1)T，
(xc,yc)为校准后的像素位置，(xs,ys)为原始测量的像素位置，T为仿射系数矩阵。对于任一谱段，校准模型的公式形式相同，但参数不同。
4.如权利要求1所述的高光谱成像***的色差补偿方法，其特征在于，
所述步骤S100中，所述的确定模型中的参数值包括：
确定***色差校准模型；
测量并计算各离散谱段的***色差；
反演各离散谱段色差校准模型中的参数；
拟合出连续谱段的校准模型参数。
5.如权利要求1至4之一所述的高光谱成像***的色差补偿方法，其特征在于，
优选地，步骤S100中，所述的确定模型中的参数值，包括：
步骤S110、测量一组数据立方体；
步骤S120、选定一个谱段作为参考谱段，其他谱段作为待校准谱段，逐个计算每一幅待校准图像与参考图像之间的垂轴色差，也即像素位置偏移；
步骤S130、对于每一个待校准波段，利用计算得到的与参考图像之间的色差，采用RANSAC算法结合最小二乘法的方法计算数学模型中的参数值，反演得到每个待校准谱段对应校准模型中的参数；
步骤S140、根据各离散谱段对应的校准模型中的参数，拟合出连续谱段的参数值，从而确定任一连续谱段对应的校准模型参数。
6.如权利要求5所述的高光谱成像***的色差补偿方法，其特征在于，
步骤S120中，所述的计算每一幅待校准图像与参考图像之间的垂轴色差，包括：对于每一个待校准图像，首先将图像分割为许多的小块，将小块中每一像素的位置偏移视为是相同的，计算待校准图像和参考图像之间对应的每一小块图像间的位置偏移；计算完所有小块的位置偏移后得到一个垂轴色差矢量场；计算待校准图像和参考图像之间对应的每一小块图像间的位置偏移，优选采用互信息匹配的方法。
7.如权利要求5所述的高光谱成像***的色差补偿方法，其特征在于，
步骤S130中，所述的采用RANSAC算法结合最小二乘法的方法计算数学模型中的参数值，包括：首先采用RANSAC方法去除离群点，利用色差矢量场中任意三点计算出校准模型中的参数，将色差矢量场中其他点代入校准模型，将符合模型的点视为群内点，不符合模型的点视为离群点；循环处理，记录下群内点数最多的集合，即去除离群点后的集合；然后，利用最小二乘法对去除离群点后的点集合进行拟合，确定校准模型参数。
8.如权利要求1所述的高光谱成像***的色差补偿方法，其特征在于，
步骤S200中，所述的将校准模型固化后对光谱图像色差进行相对校准，包括：采集到一组数据立方体后，对于每一个待校准波段，利用查表的方式获取该波段对应的校准模型参数，根据校准模型计算出校准后的像素位置，利用插值的方法获取校准后像素位置对应的像素值，最终得到校准后图像。
9.一种使用权利要求1-8之一所述高光谱成像***的色差校准方法的基于LCTF(液晶可调谐滤光器)的高光谱成像***，其特征在于，由前置成像镜、中继镜、液晶可调谐滤光器、探测器及相关控制***组成，由前置成像镜和中继镜两部分组成光学成像***，将待分析目标成像在CCD探测器上，液晶可调谐滤光器(LCTF)在控制板控制下只通过特定光谱段的光线；CCD探测器接收到的光谱图像信号通过***控制模块中的图像采集单元转换成数字图像存贮在记录介质中；***控制模块通过LCTF控制板调节加在液晶可调谐滤光器上的电压，改变LCTF通频带的中心频率。
10.一种光电设备，使用权利要求1-8之一所述高光谱成像***的色差校准方法和/或权利要求9所述基于LCTF(液晶可调谐滤光器)的高光谱成像***，其特征在于，获得二维图像数据，并按照波长的顺序将二维图像数据组合起来，获得目标的二维图像信息和一维光谱信息组成的光谱图像数据立方体。
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