基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射矯正方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及衛(wèi)星圖像處理領(lǐng)域，特別是涉及一種基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相 對輻射矯正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 紅外成像偵察能夠感知目標(biāo)的紅外波譜信息，大氣穿透力強(qiáng)，可用于夜間偵察，在 目標(biāo)狀態(tài)判斷和偽裝揭露等方面具有優(yōu)勢。由于現(xiàn)有制造工藝水平和材料的限制，紅外傳 感器中各探測單元的響應(yīng)特性不完全一致，導(dǎo)致像元之間存在了一定的非均勻性，使紅外 圖像中出現(xiàn)了深淺相間的條紋狀噪聲，當(dāng)圖像被增強(qiáng)后，這種噪聲會更加突出，呈百葉窗 狀，嚴(yán)重影響了紅外圖像的質(zhì)量和解析度。紅外影像相對輻射校正，就是專門為了校正紅 外載荷各個探元響應(yīng)度差異而對衛(wèi)星遙感器測量的原始數(shù)字計數(shù)值進(jìn)行再量化的一種處 理過程。
[0003] 目前紅外影像相對輻射校正的方法是使用紅外相機(jī)星上定標(biāo)數(shù)據(jù)，但是目前紅外 相機(jī)星上定標(biāo)裝置的設(shè)置與實際偵察目標(biāo)特性的匹配存在偏差，未能更好地描述復(fù)雜場景 下目標(biāo)溫度特性，導(dǎo)致星上定標(biāo)數(shù)據(jù)滿足不了高精度相對輻射定標(biāo)的需求。在使用星上定 標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行相對輻射校正后的某些復(fù)雜區(qū)域的影像仍存在均勻性不佳的現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為 條紋噪聲，這種非均勻性降低了最終輸出圖像的清晰度，影響了目視判讀和溫度反演精度， 已經(jīng)成為進(jìn)一步提高圖像質(zhì)量的瓶頸，并在一定程度上限制了紅外圖像的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明提供一種基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射矯正方法，用于解決現(xiàn)有 技術(shù)中使用紅外相機(jī)星上定標(biāo)數(shù)據(jù)進(jìn)行紅外影像相對輻射校正，導(dǎo)致星上定標(biāo)數(shù)據(jù)滿足不 了高精度相對輻射定標(biāo)的需求，仍存在均勻性不佳的問題，實現(xiàn)紅外影像的高精度相對輻 射校正。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)解決方案是：一種基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射校正方 法，包括以下步驟：步驟1 :使用K均值算法，對衛(wèi)星在軌影像獲取的地物依據(jù)灰度差異進(jìn)行 分類，分為低亮度區(qū)間、中間亮度區(qū)間和高亮度區(qū)間，并獲取分段校正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；步驟2 :對 經(jīng)過步驟1計算得到的低亮度區(qū)間，進(jìn)行直方圖匹配處理，得到低亮度區(qū)間的輻射校正查 找表；步驟3 :對經(jīng)過步驟1計算得到的中間亮度區(qū)間，進(jìn)行最小二乘擬合處理，得到中間亮 度區(qū)間的輻射校正查找表；步驟4 :對經(jīng)過步驟1計算得到的高亮度區(qū)間，使用斜率為1截 距為〇的線性模型計算得到高亮度區(qū)間的輻射校正查找表；步驟5 :以經(jīng)過步驟2、步驟3或 步驟4處理后得到的輻射校正查找表進(jìn)行轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過渡區(qū)域處理。
[0006] 進(jìn)一步地：步驟1中所述的使用K均值算法，對衛(wèi)星在軌影像獲取的地物依據(jù)灰度 差異進(jìn)行分類，從而獲取分段校正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，包括：步驟11 :聚類樣本中心值叫，!^，％初始 化；步驟12 :對每個樣本進(jìn)行K均值算法聚類分配；步驟13 :重新計算每個聚類的中心值； 步驟14 :重復(fù)步驟12和步驟13直到每個聚類的中心值不再變化，此時便可得到低亮、中 殼、尚殼分段區(qū)間：[C^Dj，[D^Dj，[Dh，Dmax]。
[0007] 進(jìn)一步地：步驟2中所述的對低亮度區(qū)間[0, DJ進(jìn)行直方圖匹配處理，得到低亮 度區(qū)間的輻射校正查找表，包括：步驟21:計算低亮度區(qū)間的每個探元的直方圖的概率密 度函數(shù)；步驟22:計算低亮度區(qū)間的期望直方圖的概率密度函數(shù)；步驟23:通過建立每個 探元的直方圖的概率密度函數(shù)和期望直方圖的概率密度函數(shù)之間的對應(yīng)關(guān)系，得到低亮度 區(qū)間的輻射校正查找表。
[0008] 進(jìn)一步地：步驟3中所述的對中間亮度區(qū)間隊，Dh]進(jìn)行最小二乘擬合處理得到中 間亮度區(qū)間的輻射校正查找表，包括：步驟31:計算中間亮度區(qū)間不同輻亮度下影像的整 體灰度均值及每個探元的灰度均值；步驟32:將單一探元在不同輻亮度下的灰度均值與不 同輻亮度下整幅影像的灰度均值通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到每個探元的增益和 偏置；步驟32:由上步系數(shù)計算得到中間亮度區(qū)間的輻射校正查找表。
[0009] 進(jìn)一步地：步驟5中所述對處理后得到的輻射校正查找表進(jìn)行轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過渡區(qū)域 處理，包括：步驟51:低亮度轉(zhuǎn)折點(diǎn)過渡區(qū)域處理，選擇低亮度過渡區(qū)間[DfS^i+S]，采用 直線擬合的方式求取過渡區(qū)間的增益和偏置，然后建立過渡區(qū)間的輻射查找表；步驟52: 高亮度轉(zhuǎn)折點(diǎn)過渡區(qū)域處理，選擇高端過渡區(qū)間[Dh_5, Dh+5]，采用直線擬合的方式求取增 益和偏置，然后建立過渡區(qū)間的輻射查找表。
[0010] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有如下優(yōu)點(diǎn)：
[0011] (1)本發(fā)明可以有效解決星上定標(biāo)數(shù)據(jù)不足，星上定標(biāo)裝置設(shè)置與實際偵察目標(biāo) 特性的匹配存在偏差的問題；
[0012] (2)本發(fā)明利用紅外影像對地物進(jìn)行分類處理，可以有效地模擬紅外相機(jī)在低亮 度、中等亮度、高亮度區(qū)域響應(yīng)不一致的現(xiàn)象；
[0013] (3)本發(fā)明通過采用直方圖擬合的方式，可以有效模擬紅外相機(jī)在低亮度區(qū)高度 非線性響應(yīng)特性；
[0014] (4)本發(fā)明可以有效提高紅外影像的相對輻射校正精度。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明中K均值分類算法處理示意圖；
[0016]圖2為本發(fā)明的基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射矯正方法算法流程圖。
【具體實施方式】
[0017] 本發(fā)明提出了一種基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射校正方法，該方法利用 衛(wèi)星影像地物類型豐富的特點(diǎn)，采用在軌獲取的原始影像作為樣本數(shù)據(jù)來獲取相對輻射校 正系數(shù)，彌補(bǔ)了星上定標(biāo)數(shù)據(jù)不足的問題。同時考慮到紅外成像探元在不同輻射能量下具 有不同的光電響應(yīng)狀態(tài)，該方法引入了分類的思想，對不同輻射能量情況下的定標(biāo)參數(shù)分 別以不同方法進(jìn)行統(tǒng)計計算，從而進(jìn)一步提高了相對輻射校正精度。
[0018] 本發(fā)明的具體步驟如下：
[0019] 步驟1 :使用K均值算法，對衛(wèi)星在軌影像獲取的地物依據(jù)灰度差異進(jìn)行分類，獲 取分段校正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；
[0020]以影像的灰度量化信息作為樣本集，考慮到紅外成像探元主要是對低亮、中亮、高 亮三個區(qū)間段的響應(yīng)存在較大差異，因此本發(fā)明中取K值等于3,分別用Xp X2, X3表示低亮、 中亮、高亮地物樣聚類樣本集，隊是第i個地物聚類X 的樣本數(shù)目，N為參與統(tǒng)計的樣本 總數(shù)目，mi是這些樣本的均值，i = 1，2,3。使用歐幾里德距離函數(shù)cKVJj) = | |\，」| |為 距離函數(shù)。
[0021] i?樣本聚類中心初始化。
[0022]假設(shè)紅外遙感影像采用BN位量化，那么使用下式取3個樣本聚類中心值叫，m2, m3。
【主權(quán)項】
1. 一種基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射校正方法，其特征在于，包括以下步 驟： 步驟1 :使用K均值算法，對衛(wèi)星在軌影像獲取的地物依據(jù)灰度差異進(jìn)行分類，分為低 亮度區(qū)間、中間亮度區(qū)間和高亮度區(qū)間，并獲取分段校正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)； 步驟2 :對經(jīng)過步驟1計算得到的低亮度區(qū)間，進(jìn)行直方圖匹配處理，得到低亮度區(qū)間 的福射校正查找表； 步驟3 :對經(jīng)過步驟1計算得到的中間亮度區(qū)間，進(jìn)行最小二乘擬合處理，得到中間亮 度區(qū)間的輻射校正查找表； 步驟4 :對經(jīng)過步驟1計算得到的高亮度區(qū)間，使用斜率為1截距為O的線性模型計算 得到高亮度區(qū)間的輻射校正查找表； 步驟5 :以經(jīng)過步驟2、步驟3或步驟4處理后得到的輻射校正查找表進(jìn)行轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過 渡區(qū)域處理。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射校正方法，其特征在 于：步驟1的使用K均值算法，對衛(wèi)星在軌影像獲取的地物依據(jù)灰度差異進(jìn)行分類，從而獲 取分段校正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)，包括： 步驟11 :聚類樣本中心值Hi1,m2, ％初始化； 步驟12 :對每個樣本進(jìn)行K均值算法聚類分配； 步驟13 :重新計算每個聚類的中心值； 步驟14 :重復(fù)步驟12和步驟13直到每個聚類的中心值不再變化，此時便可得到低亮、 中亮、高亮分段區(qū)間：[〇,D1]，[D1,Dh]，[Dh,Dniax]。
3. 如權(quán)利要求1所述的基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射校正方法，其特征在 于：步驟2中所述的對低亮度區(qū)間[O1D1]進(jìn)行直方圖匹配處理，得到低亮度區(qū)間的輻射校 正查找表，包括： 步驟21 :計算低亮度區(qū)間的每個探元的直方圖的概率密度函數(shù)； 步驟22 :計算低亮度區(qū)間的期望直方圖的概率密度函數(shù)； 步驟23 :通過建立每個探元的直方圖的概率密度函數(shù)和期望直方圖的概率密度函數(shù) 之間的對應(yīng)關(guān)系，得到低亮度區(qū)間的輻射校正查找表。
4. 如權(quán)利要求1所述的基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射校正方法，其特征在 于：步驟3中所述的對中間亮度區(qū)間[D1,Dh]進(jìn)行最小二乘擬合處理得到中間亮度區(qū)間的輻 射校正查找表，包括： 步驟31 :計算中間亮度區(qū)間不同輻亮度下影像的整體灰度均值及每個探元的灰度均 值； 步驟32 :將單一探元在不同輻亮度下的灰度均值與不同輻亮度下整幅影像的灰度均 值通過最小二乘法進(jìn)行線性擬合，得到每個探元的增益和偏置； 步驟32 :由上步系數(shù)計算得到中間亮度區(qū)間的輻射校正查找表。
5. 如權(quán)利要求1所述的基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射校正方法，其特征在 于：步驟5中所述對處理后得到的輻射校正查找表進(jìn)行轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過渡區(qū)域處理，包括： 步驟51 :低亮度轉(zhuǎn)折點(diǎn)過渡區(qū)域處理，選擇低亮度過渡區(qū)間0^-5,0^5],采用直線擬 合的方式求取過渡區(qū)間的增益和偏置，然后建立過渡區(qū)間的輻射查找表；
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于在軌分類統(tǒng)計的紅外影像相對輻射矯正方法，包括以下步驟：步驟1：使用K均值算法，對衛(wèi)星在軌影像獲取的地物依據(jù)灰度差異進(jìn)行分類，分為低亮度區(qū)間、中間亮度區(qū)間和高亮度區(qū)間，并獲取分段校正的轉(zhuǎn)折點(diǎn)；步驟2：對低亮度區(qū)間，進(jìn)行直方圖匹配處理，得到低亮度區(qū)間的輻射校正查找表；步驟3：對中間亮度區(qū)間，進(jìn)行最小二乘擬合處理，得到中間亮度區(qū)間的輻射校正查找表；步驟4：對高亮度區(qū)間，使用斜率為1截距為0的線性模型計算得到高亮度區(qū)間的輻射校正查找表；步驟5：以處理后得到的輻射校正查找表進(jìn)行轉(zhuǎn)折點(diǎn)的過渡區(qū)域處理。本發(fā)明可有效解決星上定標(biāo)數(shù)據(jù)不足，定標(biāo)裝置設(shè)置與實際偵察目標(biāo)特性的匹配存在偏差的問題。
【IPC分類】G06T5-40, G06T5-00
【公開號】CN104820970
【申請?zhí)枴緾N201510178448
【發(fā)明人】張炳先, 李巖, 何紅艷, 邢坤, 周楠, 岳春宇, 曹世翔, 李方琦, 齊文雯
【申請人】北京空間機(jī)電研究所
【公開日】2015年8月5日
【申請日】2015年4月15日