專利名稱：一種對ccd相機的相對輻射校正進行改進的方法
技術領域：
本發(fā)明屬于衛(wèi)星遙感圖像處理與分析領域，尤勢步及一種對CCD相機的相 對輻射校正進行改進的方法。
背景技術：
隨著遙感技術的應用范圍越來越廣泛，用戶對圖像數據的質量和可 用性也提出了更高的要求。然而目前國內遙感圖像在輻射質量和幾何 質量方面都存在一定程度的問題，輻射質量方面表現為圖像的色差、 條紋，在一定程度上影響了遙感的定量化。
條帶和噪聲，以及譜段合成后的色差、畸變等是影響光學遙感相機成像一 致頓量的主要影響因素，這些影響是齢遙繊的各個分系統綜合作用的結 果。同時，由于有些CCD器件的輸出方式為奇偶序列輸出(見圖l)，對奇偶 序列的分別處理不可避免的弓l入了奇偶信號的不一致性，就圖像 的條帶 安贓的產生也有一定的影響。此外，當器件中各片CCD或一片CCD由不同的 電，路輸出時，同樣會引入各片片間信號的不一致性，對圖像數據片間的響 應不一致性帶來影響。
由于各種因素的影響，京腿成了相l(xiāng)艦完全相同的地物進行成像時，不同 的探測元可能輸出不同的DN值，使得生成的圖像失真。這M星有交媳荷制 造生產中纟歐隹避免的。因此，地面娜處S^鄉(xiāng)原始圖像繊進行歸一化相 X寸輻射校正，消除原始圖像的失真，恢復真實的地物圖像，對於探測元獲取 圖像的原始DN值進衍周整校正，將各個探測元的輸出值調整至洞一個基7處， 使^^Mi^(寸完全相同的地物具有相同的輸出DN值。只有經過相對輻射校正后的圖像，其不同的有效載荷探測元生成的圖像才有可比性、同一性，整景 圖像才是一致的，才是反映地物的真實圖像。另一方面，相對輻射校正是基于 星上有$ 荷成#*礎之上，^) 寸星上有效載荷成像的完善。
進行相對輻射校正的鵬和基礎是獲得精確的相對定標系數。按照數據源 的不同，相對輻射定標系數計算方法分為采用定標 計算和圖像統計法。其 中采用定標 計算的方法主要有歸一化系數法、多點定標分段線性法和最小 二乘法；圖像統計法主要有直方圖均衡法、均勻景統計法、相鄰列均衡法、 直方圖匹配法。歸一化系數法與多點定標分段線性纟紛別適用于探測元響應線
性與非線性的情況，而最小二乘法x^ii元響應線性與非線性瞎況均適用。圖
傲充計法直接在圖像中提取定標系數，他M于圖像的選取，具有一定的人為 性而且工作量大，獲取的精度低，當星上定標系統不能很好的工作或艦困難 時可以^^用圖ft^充i十纟去。
SPOT和LANDSAT衛(wèi)星都是在利用星上定標 進行相對定標的基礎上， 再分另訴,均勻景圖像統計等其它方法去除圖像的剩余條紋。直方圖均衡方法 可以作為星上定標系統失效#標 不好時的替代方案。均勻景圖像統計方 法可以監(jiān)測星上定標系統,用于探測元歸一化校正的有效性，也可以作為星 上定標系統失效時的替代方案。
CBERS-01星CCD相m^用本景圖像統計方法和直方圖匹配法兩種方法進 行地面處理，實魁正明直方圖匹配法可以選擇不同時相CCD圖{,行直方圖統 計生艦照查找表，既可以駄禾號離相機響應的不穩(wěn)定帶來的影響，又可 以從根本上克服CCD相機非線性特性，明顯優(yōu)于本景圖《魏計法。
CBERS-02星刻寸前對CCD相機做了大量的定標實驗，荊OT半積力囀在 整星狀態(tài)下進行了定標實驗，采集了相對穩(wěn)定的實驗數據，形成一套基礎的實 驗室相對輻射定標系數，后來，衛(wèi)星在軌飛行時，發(fā)現利用實驗室定標系數校 正CCD圖像片間響應不一致的校正效果不是很理想。在此基礎上，采用統計方 法，以中間CCD線陣為基準，通過尋找相臨近似的地物，探測線陣響歐間的差別，進而對其他線陣的偏移ftS行補償，有效去除3片線陣的響應差異。
從CBERS-02B星開始，資源衛(wèi)星中心主要采用最小二乘法計對目對定標系 數。首先在明確探，性度良好的tm下，可以采用最小二乘一次擬合。
設潘*為第*級輻亮度等級下所有探元減去偏移{餘的潔均值，房"為第 *級輻亮度等級下第z'探元減去偏移值后的"V均值。最小二乘法一次擬合的方
程如下
麗1*房,,+6,
按最小二乘原m式0)中^t次方程求解，即可得到定標系數"'和、
然后利用式(2)進行相對輻射校正
式中，冊咖,為第/探元相對輻射校正后的房值，藩,譜為第z'探元原始數 據的DiV值，A為偏移量。
圖2為采用最小二乘一次擬合法對某CCD相機進行相對輻射校正前后的定 標數據，可以看出校正后數據輸出基本一致，有效地消除了探元的響應不一致
1 ，說明定標 以及校正算法有效。
然而，直接采用由定標,計算的定標系i^在軌實際圖ftiS行相對輻射
校正的效果并不理想，圖劇，存在明顯的條紋或者，等S^。因此有必要
對經過相對輻射校正的圖像進fi^—步的處理，以獲得質量更高的圖像，更好
地滿足用戶需求。

發(fā)明內容
本發(fā)明要解決的技術問題是^f共一種對CCD相機的相對輻射校正進行改 進的方法。該方法解決了直接采用由定標 獲得的相對定標系數對實際圖像 進行相對輻射校正后仍然存在的一些問題，如奇偶像元差異、條紋噪聲、縫 等。禾擁本發(fā)明的技術方案，會嫩有效鵬圖像質量，使條紋噪聲及片內與片間的色差得到有效去除，圖像相對輻射校主精度得到提高。 本發(fā)明的技術方案如下
一種對CCD相機的相對輻射校正進行改進的方法，其特征在于包括如下步
驟
(1) 消除細小條紋噪聲MiW相對定標系數的增益系M行平滑或搶波 處理，得到改進的定標系辦莫型，然后禾傭該鵬的定標系辦莫型對圖f鍵行 相對輻射校正；
(2) 去除奇偶像元差在相對輻射校正后圖像 的基礎上，統計出奇偶 列娜之間的被f體異，然后將該灰度值差異再分別 在奇偶列 上；
(3) 去除三片CCD陣列之間的色差禾,圖像統計找到中間片CCD陣 列子圖與左右片CCD陣列子圖的亮錢值，該離差值即為左右CCD陣歹臓 電平的起伏，用繊微左右CCD陣列的偏移值進行補償，即可去除三片CCD 陣列之間，。
如果只需要消除細小條紋噪聲，貝l識需要采用戶腿步驟(1)的方法進行處理。
如果只需要去除奇偶像元差，則只需要，戶，步驟(2)的方法進行處理。 如果只需要去除三片CCD陣列之間的色差，則只需要采用戶，步驟(3) 的方法進行處理。
對戶脫相對定標系數的增益系纖行戶;M平滑或濾波處理時，僅僅平滑或
甜濾掉 的高頻部分，而保留娜的低頻部分。
X寸戶脫相對定標系數的增益系M行戶脫平滑或濾波處理時，應結合 的情況，選擇高次數的曲線進行擬合。
對戶皿相對定標系數的增益系數進fii^波處理時，可采用的、搶波方^^括 小波微、維納繊、卡爾曼繊之一。
戶JM步驟(2)具體為在相對輻射校正后圖像繊的基礎上，把奇列和偶
列分別看做一個離，然后將奇列與偶列分別進行直方圖匹配，得到不同灰度 等級下應該加減的偏移值，然后將該偏移值分另咖到奇列麵和偶列,上。
臓步驟(3)具體為
令A、 B、 C分別代表CCD陣列的左片、中片和右片線陣，而子圖像區(qū)域
7a、 bl代表為左片線陣和中片線陣的相鄰部分；子圖像區(qū)域b2， c為中片線陣和
右片線陣的相鄰部分。
對四付圖像a、 bl、 b2、 c分別進行直方圖統計，去除直方圖低端和高端 各20。/。的M，對中間60%的 求取均值，設為^， ^T， ^，"則A"， Ac 即為左右片線陣需要補償的DN值，A"， Ac分別由下式計算。
Aa = 61 — a
Ac = 62 - c
戶艦子圖像區(qū)域a、 bl、 b2、 c的寬度取值范圍約為20個探元。 采用本發(fā)明技術方案可以有效改進圖像質量，可以有效去除圖像的奇偶像
元輸出差異、條紋噪聲、色差，提高了圖像相對輻射校正精度，使得圖像得到
更好的實際應用，更好的滿足用戶需求。
以HJ-A/B星CCD為例，會劍奇偶平衡后，效果有所改善，條紋明顯減緩;
衛(wèi)星掃描方向上的細小條紋噪聲得以有效去除，相對輻射校正效果得至腿一步
的改善。
本發(fā)明的研究成果思路清晰，可以在衛(wèi)星地面系統,處理算法和軟艦 發(fā)中參考和引用，撤高的實用性和應用價值。


圖1是CCD探元的奇偶輸出方式。
圖2是相對輻射校正前后的定標 示圖。
圖3是相mJ:天前的^t值。
圖4是相tU:天后的灰度值。
圖5是分別對奇列與偶列所統計的直方圖。
圖6是奇偶條紋去除前后局部圖像。
圖7是優(yōu)化前后的定標系M線。
圖8是定標系數優(yōu)化前后校正效，比圖。
圖9是CCD線陣排列示意圖。
圖10 E片CCD陣列之間色差去除前后效果對比示意圖。
8
具體實施例方式
以下將給出本發(fā)明的實施例，并予以詳細描述，以便更好地說明本發(fā)明特 點和功能，使得本發(fā)明更易于理解，而不是用來限定本發(fā)明的保護范圍。 本發(fā)明的技術方案包括以下三個部分內容
(1) 去除奇偶像元差；
(2) 進一步消除細小條紋噪聲的；
(3) 去除三片CCD陣列之間的， 以下是各部分內容的
具體實施例方式
(1)去除奇偶像礎
圖像M是分奇偶兩路不同的電T^5各輸出的。對奇偶像元的分別處理會 不可避免的引入起奇偶信號的不一致性與不穩(wěn)定性。為了解決該問題，可以在 相對輻射校正后圖像繊的基礎上，統計出奇偶列M之間的平均總f錢異， 然后將奇偶差異再分別覆蓋在奇偶列數據上，即可去除奇偶像元差。
以下圖3與圖4分別為B星CCD2相豐肚天前后的奇偶信號的不一致性示 意圖。從圖中可以明顯的看出，相和上天后的奇偶像元間差異與上天前的奇偶 像元間差異發(fā)生了變化。因此，必須對圖像的奇偶像元差異重茅腿行處理，統 計出奇偶列數據之間的平均 {1^異，然后將奇偶差異再分別覆蓋在奇偶列 麵上。
下面，考慮能否在奇列或者偶列上鄉(xiāng)加縱個固定的偏移值。也就是能 否在像元方向上，將奇列與偶列分別做為衝本對待；在總等級上，不管灰 度級別的變化，均加 個固定的偏移值。
首先，考慮像元方向上，由于奇列與偶列分別M^出，信號的變化是具 有一致性的。因此，可以分別將奇列與偶列作為一個離來考慮。
對定標 進一步觀察可以發(fā)現，不同輻亮度等級下的奇偶像元差異會發(fā) 生變化，因此不能在所有被等級上統一加麟個固定的偏樹直。下面，考察 如何才會總到不同被等級下應該加減的偏移值。將奇列與偶列分別作為離 (各6000個像元)，其直方圖應魏于一致的。因此，可以將奇列與偶列進行 直方圖匹配得到不同M等級下應i亥加減的偏移值。直方圖匹配^1過，直 方圖查找表，將原始圖像的直方圖匹配到期望直方圖上。對本發(fā)明來說，奇(偶)
9列探元的纟給直方圖是期望直方圖，ilii將偶(奇)列探元的綜合直方圖匹配
至嗍憩方圖上，可以得到該波段的直方圖查找表。如圖5戶際為奇偶列探元
各自的齢直方圖，圖6中戶標的是奇偶條紋去除前后的圖fM比?？梢姳景l(fā)
明可以很好的去除奇偶像元的差異。表1為艦直方圖匹配后獲得的直方圖査
找表(設奇列探元的直方圖為期望 圖)
表1
偶探元XDN值122123124125126127128129130131
2200126127128128130131132132134135
2202125127127128129131132132133134
2204126m128129130131131132134134
2206125126127128129130132132133134
2208125127127128129131132132134135
2210125127127128129131132132133134
2212126127128128130131132132134135
2214126127127128130131132132133134
(2)進一步消除細小條紋噪聲
對實際圖像進行相對輻射校正后，^i星掃描方向上仍存在少許的貫穿圖 像上下的細條紋噪聲，造成這種現象的原因有兩個， 一個是定標系數的精度不 夠造成的，另一個是圖像輻射校正中重新W疆4tit成。量化誤^造成的條紋 噪聲，除非增加量化位數，否則是無法消除的。而對由于定標系數精度不夠造 成的條紋噪聲是可以通過艦定標系辦莫型消除的。
為了去除衛(wèi)星掃描方向上仍存在的細小條紋噪聲，可Ma以下方式改進定 標系辦鄉(xiāng)
在圖像中，每一列子圖像都是由一個探元與蟲成像得到，把原始圖像薪列 看作隨機子序列，記為z'，校正后的值記為、在^^探元的響應皿性響應
得鵬下，校正過程見下式(3):式中，"'為探測元的相鵬益系數，6'為偏置系數。
此時，如果相機的偏置系數可以忽略不計，則校正公式見式(4):
K=";*《 (4) 禾傭相鄰兩歹啲相關性，可以假設圖像校正前后，圖像^M象素在其行方
向上均是強相關的，得到"'在行方向上是強相關的。
因此，可進一步對相對定標系數的增益(由于偏置可以忽略，而且這是前 提)進行平滑或搶波處理，降低圖像的條紋噪聲。在處敏程中，平滑或者過 鵬的應僅是繊的高頻部分，低頻部分信息應盡可能的予以保留。因此在平 滑處理中，選擇擬合的曲線次數應根據數據的情況盡量高些。濾波方^^用小 波濾波、維納熗波、卡爾曼^l^波均可。
在HJCCDi(^輻射校正模型的優(yōu)化中采用多次曲線擬合的方法。圖7所 示的^t B星CCD2相機第2譜段定標系數優(yōu)化前后的開鄰圖。
從圖8可以看出，采用優(yōu)化后定標系數進行相對輻射校正后，條紋噪聲消 除。說明改進的定標系數模型是有效的。
(3)去除三片CCD之間的，
一般計對目對定標系數時是將三片CCD作為一個離求取的，因此，如果 衛(wèi)星上天后沒有發(fā)生變H經過相對輻射校正后三片CCD陣列間響應應是一致 的。但實際圖像會出1LH片CCD陣列間響應不一致問題。CCD陣列間響應不 一致5嫁是由片間的不同電^IS各輸出弓胞的，是一種加于圖像底電平之上的 系統噪聲。因此，可以得出CCD相ai:天后，片間的底電平差異發(fā)生了變化。 同樣在 處理中翻圖像統計的方法(g時戈到片間的偏置量差異)即可以消 除固定噪聲。
具體來說即以中間線陣為基準，在搬區(qū)P(逝找至湘似的地物，并在統計 過程中舍棄高值和低值，在ltbS礎上認為子圖的輻亮度均f軀該相等，這種假 設是合理的。因而，中間片子圖與左右片子圖亮度差值，即為左右CCD陣列底 電平的起伏，用i亥起^f左右CCD線陣的偏移值進行韋hJ嘗，在不損害圖像紋理的情況下，將起到平衡三片線陣的響應差另啲作用。圖9為CCD陣列示意圖， CCD陣列分為三部分，其中A\B\C分別代鼓片、中片和右片線陣，而子圖像 區(qū)域a， bl為左線陣和中間線陣的相鄰部分；b2， c為中間線陣和右線陣的相鄰
部分。子圖像寬度刺趕鍾要，寬度大了會使不同地物ax^計范圍，寬度
小了穩(wěn)定性影響的權重加大。會S1大量實驗與斷正，寬度范圍約為20個探元具 有l(wèi)^子的結果，不同波段的參數略有不同。由于子圖像中可能存在一些與地物 反差較大的目標，例如水域、云霧等，進行有效去卩総些目標同樣重要，因此 對四付圖a、 bl、 b2、 c分別進行直方圖統計，去除直方剛氐端和高端各20%
的 ，對中間60°/0的 求取均值，設為^， ^， ^， S，貝IJA"， &即為左 右片線陣需要補償的DN值，△"， Ac分別由式(5)計算。
Aa = 61 - a
Ac = 5-S (5) 圖IO為采用偏移量補償前后的對比圖?？梢娫摲椒梢杂行コ鼵CD線 陣間的，。
本發(fā)明的f尉戶范圍并不局限于戰(zhàn)內容，熟悉本技術領域的技術人員在本 發(fā)明揭露的技術范圍內的基礎上所做的方案的變形、變4M者替換，都應涵蓋 在本發(fā)明保護范圍之內。
1權利要求
1、一種對CCD相機的相對輻射校正進行改進的方法，其特征在于包括如下步驟(1)消除細小條紋噪聲通過對相對定標系數的增益系數進行平滑或濾波處理，得到改進的定標系數模型，然后利用該改進的定標系數模型對圖像進行相對輻射校正；(2)去除奇偶像元差在相對輻射校正后圖像數據的基礎上，統計出奇偶列數據之間的灰度值差異，然后將該灰度值差異再分別覆蓋在奇偶列數據上；(3)去除三片CCD陣列之間的色差利用圖像統計找到中間片CCD陣列子圖與左右片CCD陣列子圖的亮度差值，該亮度差值即為左右CCD陣列底電平的起伏，用該起伏對左右CCD陣列的偏移值進行補償，即可去除三片CCD陣列之間色差。
2、 如權利要求1戶服的方法，其特征在于如果只需要消除細小條紋噪聲， 貝識需要采用戶誠步驟(1)的方法進行處理。
3、 如權利要求l戶誠的方法，其特征在于如果只需要去除奇偶像元差，則只需要采用戶，步驟(2)的方法進行處理。
4、 如權利要求1所述的方法，其特征在于如果只需要去除三片CCD陣 列之間的縫，貝l識需要采用戶腿步驟(3)的方法進行處理。
5、 如權利要求1或2戶腿的方法，其特征在于對戶脫相對定標系數的增益系數進行戶脫平滑或濾波處理時，僅僅平滑或^1濾掉,的高頻部分，而 保留數據的低頻部分。
6、 如權利要求l、 2或5之一戶鵬勺方法，其特征在于對繊目對定標系數的增益系i^行戶脫平滑或熗波處理時，應結合繊的情況，選擇高 M[的曲線進行擬合。
7、 如權利要求l、 2或5之一臓的方法，其特征在于對臓相對定標系數的增益系 ^1^波處理時，可采用的濾波方^^括小波澹波、維納濾波、 卡爾曼、it波之一。
8、 如權利要求1或3戶腿的方法，其特征在于戶/M步驟(2)具體為在相對輻射校正后圖像 的基礎上，把奇列和偶列分別看做一個鄉(xiāng)，然后將奇列與偶列分別進行直方圖匹配，得妾杯同總等級下應i劾口減的偏移值， 然后將該偏移值分別加到奇列繊和偶列 上。
9、 如權利要求1或4戶脫的方法，其特征在于戶腿步驟(3)具體為令A、 B、 C分別代表CCD陣列的左片、中片和右片線陣，而子圖像區(qū)域 a、 bl代表為左片線陣和中片線陣的相鄰部分；子圖像區(qū)域b2， c為中片線陣和 右片線陣的相鄰部分。對四付圖像a、 bl、 b2、 c分別進行直方圖統計，去除直方圖低端和高端 各20%的數據，對中間60%的 求取均值，設為^， M，巧，S，則A"， Ac 即為左右片線陣需要補償的DN值，A" ， —Ac—分別由下式計算?！鱝 = 61 - a
10、 如權利要求9戶脫的方法，其特征在于0M子SK象區(qū)ilb、 bl、 b2、 c 的寬度取值范圍約為20個探元。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種對CCD相機的相對輻射校正進行改進的方法。該方法利用改進之后的定標系數模型對圖像進行相對輻射校正，以便消除細小條紋噪聲；在相對輻射校正后圖像數據的基礎上，統計出奇偶列數據之間的平均灰度值差異，然后將該平均灰度值差異再分別覆蓋在奇偶列數據上來去除奇偶像元差異；利用圖像統計找到中間片CCD陣列子圖與左右片CCD陣列子圖的亮度差值，該亮度差值即為左右CCD陣列底電平的起伏，用該起伏對左右CCD陣列的偏移值進行補償以去除三片CCD陣列之間的色差。本發(fā)明的技術方案能夠有效改進圖像質量，使奇偶像元差異、條紋噪聲及片內與片間的色差得到有效去除，并使圖像相對輻射校正精度得到提高。
文檔編號H04N5/217GK101442608SQ20081019179
公開日2009年5月27日 申請日期2008年12月31日 優(yōu)先權日2008年12月31日
發(fā)明者湧 曾, 王曉燕, 郭建寧, 龍小祥 申請人:中國資源衛(wèi)星應用中心