一种高光谱成像系统的色差补偿方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种高光谱成像系统的色差校准方法，设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】
[0002] 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 可调谐滤光片化iquid化ys化1化nableFilte;r，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。运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。
[0003] 基于LCTF的光谱成像系统中，LCTF分光系统的位置有两种选择：
[0004] 第一种是将LCTF置于镜头的前方，使得镜头可W直接与CCD相机连接，能够准确调 焦使成像清晰。但是运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。
[0005] 第二种结构是将LCTF置于镜头和相机之间，作为光学系统的一部分。运种结构的 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，运种结构设计更易被采用。运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W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设原理而制成，光通过液 晶产生光程差，由于双折射液晶造成的相位差可W通过电压进行调节，即通过施加不同的 电压可W使不同波长的光发生干设，实现不同波长的扫描。由于系统中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 光学系统的非平行光路中，或者系统中其他光学元件的不完全消色差等，运些因素使得获 取的同一场景的各谱段图像会存在一定的色差和崎变，如果不进行校准，由运些单谱段图 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。
[0006] 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，如光谱成像系统与商业 显微系统的集成，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】
[0007] 为了解决现有技术的不足，本发明提出一种针对基于LCTF的光谱成像系统的色差 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。
[0008] 本发明的目的通过W下技术方案来具体实现：
[0009] -种高光谱成像系统的色差校准方法，包括：
[0010] 步骤S100、建立色差校准模型，确定模型中的参数值；
[0011] 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。
[0012] 其中，步骤S100中，所述的色差校准模型采用仿射模型。
[0013] 所述的仿射模型，即：
[0014] (xc,yc) = (xs,ys,l)T,
[0015]
[0016] (XE，y。)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。
[0017] 进一步地，所述步骤S100中，所述的确定模型中的参数值包括：
[0018] 确定系统色差校准模型；
[0019] 测量并计算各离散谱段的系统色差；
[0020] 反演各离散谱段色差校准模型中的参数；
[0021] 拟合出连续谱段的校准模型参数。
[0022] 优选地，步骤S100中，所述的确定模型中的参数值，包括：
[0023] 步骤S110、测量一组数据立方体；
[0024] 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；
[0025] 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；
[00%]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。
[0027] 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。
[0028] 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Ξ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。
[0029] 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。
[0030] 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。
[0031] 本发明还提供了一种使用W上所述光谱成像系统的色差校准方法的基于LCTF(液 晶可调谐滤光器)的高光谱成像系统，由前置成像镜、中继镜、液晶可调谐滤光器、探测器及 相关控制系统组成，由前置成像镜和中继镜两部分组成光学成像系统，将待分析目标成像 在CCD探测器上，液晶可调谐滤光器化CTF)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系统控制模块中的图像采集单元转换成数字图像存胆 在记录介质中；系统控制模块通过LCTF控制板调节加在液晶可调谐滤光器上的电压，改变 LCTF通频带的中屯、频率。
[0032] 所述高光谱成像系统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每调整一次透过中屯、波长后，面阵CCD相机曝光一 次，系统记录下该波段的二维图像数据，然后再设定下一透过中屯、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