专利名称：一种对ccd相机的相对辐射校正进行改进的方法
技术领域：
本发明属于卫星遥感图像处理与分析领域，尤势步及一种对CCD相机的相 对辐射校正进行改进的方法。
背景技术：
随着遥感技术的应用范围越来越广泛，用户对图像数据的质量和可 用性也提出了更高的要求。然而目前国内遥感图像在辐射质量和几何 质量方面都存在一定程度的问题，辐射质量方面表现为图像的色差、 条纹，在一定程度上影响了遥感的定量化。
条带和噪声，以及谱段合成后的色差、畸变等是影响光学遥感相机成像一 致顿量的主要影响因素，这些影响是齢遥繊的各个分系统综合作用的结 果。同时，由于有些CCD器件的输出方式为奇偶序列输出(见图l)，对奇偶 序列的分别处理不可避免的弓l入了奇偶信号的不一致性，就图像 的条带 安赃的产生也有一定的影响。此外，当器件中各片CCD或一片CCD由不同的 电，路输出时，同样会引入各片片间信号的不一致性，对图像数据片间的响 应不一致性带来影响。
由于各种因素的影响，京腿成了相l舰完全相同的地物进行成像时，不同 的探测元可能输出不同的DN值，使得生成的图像失真。这M星有交媳荷制 造生产中纟歐隹避免的。因此，地面娜处S^鄉原始图像繊进行归一化相 X寸辐射校正，消除原始图像的失真，恢复真实的地物图像，对於探测元获取 图像的原始DN值进衍周整校正，将各个探测元的输出值调整至洞一个基7处， 使^^Mi^(寸完全相同的地物具有相同的输出DN值。只有经过相对辐射校正后的图像，其不同的有效载荷探测元生成的图像才有可比性、同一性，整景 图像才是一致的，才是反映地物的真实图像。另一方面，相对辐射校正是基于 星上有$ 荷成#*础之上，^) 寸星上有效载荷成像的完善。
进行相对辐射校正的鹏和基础是获得精确的相对定标系数。按照数据源 的不同，相对辐射定标系数计算方法分为采用定标 计算和图像统计法。其 中采用定标 计算的方法主要有归一化系数法、多点定标分段线性法和最小 二乘法；图像统计法主要有直方图均衡法、均匀景统计法、相邻列均衡法、 直方图匹配法。归一化系数法与多点定标分段线性纟纷别适用于探测元响应线
性与非线性的情况，而最小二乘法x^ii元响应线性与非线性瞎况均适用。图
傲充计法直接在图像中提取定标系数，他M于图像的选取，具有一定的人为 性而且工作量大，获取的精度低，当星上定标系统不能很好的工作或舰困难 时可以^^用图ft^充i十纟去。
SPOT和LANDSAT卫星都是在利用星上定标 进行相对定标的基础上， 再分另诉,均匀景图像统计等其它方法去除图像的剩余条纹。直方图均衡方法 可以作为星上定标系统失效#标 不好时的替代方案。均匀景图像统计方 法可以监测星上定标系统,用于探测元归一化校正的有效性，也可以作为星 上定标系统失效时的替代方案。
CBERS-01星CCD相m^用本景图像统计方法和直方图匹配法两种方法进 行地面处理，实魁正明直方图匹配法可以选择不同时相CCD图{,行直方图统 计生舰照查找表，既可以駄禾號離相机响应的不稳定带来的影响，又可 以从根本上克服CCD相机非线性特性，明显优于本景图《魏计法。
CBERS-02星刻寸前对CCD相机做了大量的定标实验，荆OT半积力囀在 整星状态下进行了定标实验，采集了相对稳定的实验数据，形成一套基础的实 验室相对辐射定标系数，后来，卫星在轨飞行时，发现利用实验室定标系数校 正CCD图像片间响应不一致的校正效果不是很理想。在此基础上，采用统计方 法，以中间CCD线阵为基准，通过寻找相临近似的地物，探测线阵响歐间的差别，进而对其他线阵的偏移ftS行补偿，有效去除3片线阵的响应差异。
从CBERS-02B星开始，资源卫星中心主要采用最小二乘法计對目对定标系 数。首先在明确探，性度良好的tm下，可以采用最小二乘一次拟合。
设潘*为第*级辐亮度等级下所有探元减去偏移{餘的潔均值，房"为第 *级辐亮度等级下第z'探元减去偏移值后的"V均值。最小二乘法一次拟合的方
程如下
丽1*房,,+6,
按最小二乘原m式0)中^t次方程求解，即可得到定标系数"'和、
然后利用式(2)进行相对辐射校正
式中，册咖,为第/探元相对辐射校正后的房值，藩,譜为第z'探元原始数 据的DiV值，A为偏移量。
图2为采用最小二乘一次拟合法对某CCD相机进行相对辐射校正前后的定 标数据，可以看出校正后数据输出基本一致，有效地消除了探元的响应不一致
1 ，说明定标 以及校正算法有效。
然而，直接采用由定标,计算的定标系i^在轨实际图ftiS行相对辐射
校正的效果并不理想，图劇，存在明显的条纹或者，等S^。因此有必要
对经过相对辐射校正的图像进fi^—步的处理，以获得质量更高的图像，更好
地满足用户需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是^f共一种对CCD相机的相对辐射校正进行改 进的方法。该方法解决了直接采用由定标 获得的相对定标系数对实际图像 进行相对辐射校正后仍然存在的一些问题，如奇偶像元差异、条纹噪声、縫 等。禾拥本发明的技术方案，會嫩有效鹏图像质量，使条纹噪声及片内与片间的色差得到有效去除，图像相对辐射校主精度得到提高。 本发明的技术方案如下
一种对CCD相机的相对辐射校正进行改进的方法，其特征在于包括如下步
骤
(1) 消除细小条纹噪声MiW相对定标系数的增益系M行平滑或搶波 处理，得到改进的定标系辦莫型，然后禾佣该鹏的定标系辦莫型对图f鍵行 相对辐射校正；
(2) 去除奇偶像元差在相对辐射校正后图像 的基础上，统计出奇偶 列娜之间的被f體异，然后将该灰度值差异再分别 在奇偶列 上；
(3) 去除三片CCD阵列之间的色差禾,图像统计找到中间片CCD阵 列子图与左右片CCD阵列子图的亮錢值，该離差值即为左右CCD阵歹臓 电平的起伏，用繊微左右CCD阵列的偏移值进行补偿，即可去除三片CCD 阵列之间，。
如果只需要消除细小条纹噪声，贝l识需要采用戶腿步骤(1)的方法进行处理。
如果只需要去除奇偶像元差，则只需要，戶，步骤(2)的方法进行处理。 如果只需要去除三片CCD阵列之间的色差，则只需要采用戶，步骤(3) 的方法进行处理。
对戶脱相对定标系数的增益系纖行戶;M平滑或滤波处理时，仅仅平滑或
甜滤掉 的高频部分，而保留娜的低频部分。
X寸戶脱相对定标系数的增益系M行戶脱平滑或滤波处理时，应结合 的情况，选择高次数的曲线进行拟合。
对戶皿相对定标系数的增益系数进fii^波处理时，可采用的、搶波方^^括 小波微、维纳繊、卡尔曼繊之一。
戶JM步骤(2)具体为在相对辐射校正后图像繊的基础上，把奇列和偶
列分别看做一个離，然后将奇列与偶列分别进行直方图匹配，得到不同灰度 等级下应该加减的偏移值，然后将该偏移值分另咖到奇列麵和偶列,上。
臓步骤(3)具体为
令A、 B、 C分别代表CCD阵列的左片、中片和右片线阵，而子图像区域
7a、 bl代表为左片线阵和中片线阵的相邻部分；子图像区域b2， c为中片线阵和
右片线阵的相邻部分。
对四付图像a、 bl、 b2、 c分别进行直方图统计，去除直方图低端和高端 各20。/。的M，对中间60%的 求取均值，设为^， ^T， ^，"则A"， Ac 即为左右片线阵需要补偿的DN值，A"， Ac分别由下式计算。
Aa = 61 — a
Ac = 62 - c
戶舰子图像区域a、 bl、 b2、 c的宽度取值范围约为20个探元。 采用本发明技术方案可以有效改进图像质量，可以有效去除图像的奇偶像
元输出差异、条纹噪声、色差，提高了图像相对辐射校正精度，使得图像得到
更好的实际应用，更好的满足用户需求。
以HJ-A/B星CCD为例，会劍奇偶平衡后，效果有所改善，条纹明显减缓;
卫星扫描方向上的细小条纹噪声得以有效去除，相对辐射校正效果得至腿一步
的改善。
本发明的研究成果思路清晰，可以在卫星地面系统,处理算法和软舰 发中参考和引用，撤高的实用性和应用价值。
图1是CCD探元的奇偶输出方式。
图2是相对辐射校正前后的定标 示图。
图3是相mJ:天前的^t值。
图4是相tU:天后的灰度值。
图5是分别对奇列与偶列所统计的直方图。
图6是奇偶条纹去除前后局部图像。
图7是优化前后的定标系M线。
图8是定标系数优化前后校正效，比图。
图9是CCD线阵排列示意图。
图10 E片CCD阵列之间色差去除前后效果对比示意图。
8
具体实施例方式
以下将给出本发明的实施例，并予以详细描述，以便更好地说明本发明特 点和功能，使得本发明更易于理解，而不是用来限定本发明的保护范围。 本发明的技术方案包括以下三个部分内容
(1) 去除奇偶像元差；
(2) 进一步消除细小条纹噪声的；
(3) 去除三片CCD阵列之间的， 以下是各部分内容的
具体实施例方式
(1)去除奇偶像礎
图像M是分奇偶两路不同的电T^5各输出的。对奇偶像元的分别处理会 不可避免的引入起奇偶信号的不一致性与不稳定性。为了解决该问题，可以在 相对辐射校正后图像繊的基础上，统计出奇偶列M之间的平均總f錢异， 然后将奇偶差异再分别覆盖在奇偶列数据上，即可去除奇偶像元差。
以下图3与图4分别为B星CCD2相丰肚天前后的奇偶信号的不一致性示 意图。从图中可以明显的看出，相和上天后的奇偶像元间差异与上天前的奇偶 像元间差异发生了变化。因此，必须对图像的奇偶像元差异重茅腿行处理，统 计出奇偶列数据之间的平均 {1^异，然后将奇偶差异再分别覆盖在奇偶列 麵上。
下面，考虑能否在奇列或者偶列上鄉加縱个固定的偏移值。也就是能 否在像元方向上，将奇列与偶列分别做为衝本对待；在總等级上，不管灰 度级别的变化，均加 个固定的偏移值。
首先，考虑像元方向上，由于奇列与偶列分别M^出，信号的变化是具 有一致性的。因此，可以分别将奇列与偶列作为一个離来考虑。
对定标 进一步观察可以发现，不同辐亮度等级下的奇偶像元差异会发 生变化，因此不能在所有被等级上统一加麟个固定的偏樹直。下面，考察 如何才會總到不同被等级下应该加减的偏移值。将奇列与偶列分别作为離 (各6000个像元)，其直方图应魏于一致的。因此，可以将奇列与偶列进行 直方图匹配得到不同M等级下应i亥加减的偏移值。直方图匹配^1过，直 方图查找表，将原始图像的直方图匹配到期望直方图上。对本发明来说，奇(偶)
9列探元的纟給直方图是期望直方图，ilii将偶(奇)列探元的综合直方图匹配
至嗍憩方图上，可以得到该波段的直方图查找表。如图5戶际为奇偶列探元
各自的齢直方图，图6中戶标的是奇偶条纹去除前后的图fM比。可见本发
明可以很好的去除奇偶像元的差异。表1为舰直方图匹配后获得的直方图査
找表(设奇列探元的直方图为期望 图)
表1
偶探元XDN值122123124125126127128129130131
2200126127128128130131132132134135
2202125127127128129131132132133134
2204126m128129130131131132134134
2206125126127128129130132132133134
2208125127127128129131132132134135
2210125127127128129131132132133134
2212126127128128130131132132134135
2214126127127128130131132132133134
(2)进一步消除细小条纹噪声
对实际图像进行相对辐射校正后，^i星扫描方向上仍存在少许的贯穿图 像上下的细条纹噪声，造成这种现象的原因有两个， 一个是定标系数的精度不 够造成的，另一个是图像辐射校正中重新W疆4tit成。量化误^造成的条纹 噪声，除非增加量化位数，否则是无法消除的。而对由于定标系数精度不够造 成的条纹噪声是可以通过舰定标系辦莫型消除的。
为了去除卫星扫描方向上仍存在的细小条纹噪声，可Ma以下方式改进定 标系辦鄉
在图像中，每一列子图像都是由一个探元與虫成像得到，把原始图像薪列 看作随机子序列，记为z'，校正后的值记为、在^^探元的响应皿性响应
得鹏下，校正过程见下式(3):式中，"'为探测元的相鹏益系数，6'为偏置系数。
此时，如果相机的偏置系数可以忽略不计，则校正公式见式(4):
K=";*《 (4) 禾佣相邻两歹啲相关性，可以假设图像校正前后，图像^M象素在其行方
向上均是强相关的，得到"'在行方向上是强相关的。
因此，可进一步对相对定标系数的增益(由于偏置可以忽略，而且这是前 提)进行平滑或搶波处理，降低图像的条纹噪声。在处敏程中，平滑或者过 鹏的应仅是繊的高频部分，低频部分信息应尽可能的予以保留。因此在平 滑处理中，选择拟合的曲线次数应根据数据的情况尽量高些。滤波方^^用小 波滤波、维纳熗波、卡尔曼^l^波均可。
在HJCCDi(^辐射校正模型的优化中采用多次曲线拟合的方法。图7所 示的^t B星CCD2相机第2谱段定标系数优化前后的开邻图。
从图8可以看出，采用优化后定标系数进行相对辐射校正后，条纹噪声消 除。说明改进的定标系数模型是有效的。
(3)去除三片CCD之间的，
一般计對目对定标系数时是将三片CCD作为一个離求取的，因此，如果 卫星上天后没有发生变H经过相对辐射校正后三片CCD阵列间响应应是一致 的。但实际图像会出1LH片CCD阵列间响应不一致问题。CCD阵列间响应不 一致5嫁是由片间的不同电^IS各输出弓胞的，是一种加于图像底电平之上的 系统噪声。因此，可以得出CCD相ai:天后，片间的底电平差异发生了变化。 同样在 处理中翻图像统计的方法(g时戈到片间的偏置量差异)即可以消 除固定噪声。
具体来说即以中间线阵为基准，在搬区P(逝找至湘似的地物，并在统计 过程中舍弃高值和低值，在ltbS础上认为子图的辐亮度均f躯该相等，这种假 设是合理的。因而，中间片子图与左右片子图亮度差值，即为左右CCD阵列底 电平的起伏，用i亥起^f左右CCD线阵的偏移值进行韦hJ尝，在不损害图像纹理的情况下，将起到平衡三片线阵的响应差另啲作用。图9为CCD阵列示意图， CCD阵列分为三部分，其中A\B\C分别代鼓片、中片和右片线阵，而子图像 区域a， bl为左线阵和中间线阵的相邻部分；b2， c为中间线阵和右线阵的相邻
部分。子图像宽度刺赶鍾要，宽度大了会使不同地物ax^计范围，宽度
小了稳定性影响的权重加大。会S1大量实验与斷正，宽度范围约为20个探元具 有l^子的结果，不同波段的参数略有不同。由于子图像中可能存在一些与地物 反差较大的目标，例如水域、云雾等，进行有效去卩総些目标同样重要，因此 对四付图a、 bl、 b2、 c分别进行直方图统计，去除直方刚氐端和高端各20%
的 ，对中间60°/0的 求取均值，设为^， ^， ^， S，贝IJA"， &即为左 右片线阵需要补偿的DN值，△"， Ac分别由式(5)计算。
Aa = 61 - a
Ac = 5-S (5) 图IO为采用偏移量补偿前后的对比图。可见该方法可以有效去除CCD线 阵间的，。
本发明的f尉户范围并不局限于战内容，熟悉本技术领域的技术人员在本 发明揭露的技术范围内的基础上所做的方案的变形、变4M者替换，都应涵盖 在本发明保护范围之内。
1权利要求
1、一种对CCD相机的相对辐射校正进行改进的方法，其特征在于包括如下步骤(1)消除细小条纹噪声通过对相对定标系数的增益系数进行平滑或滤波处理，得到改进的定标系数模型，然后利用该改进的定标系数模型对图像进行相对辐射校正；(2)去除奇偶像元差在相对辐射校正后图像数据的基础上，统计出奇偶列数据之间的灰度值差异，然后将该灰度值差异再分别覆盖在奇偶列数据上；(3)去除三片CCD阵列之间的色差利用图像统计找到中间片CCD阵列子图与左右片CCD阵列子图的亮度差值，该亮度差值即为左右CCD阵列底电平的起伏，用该起伏对左右CCD阵列的偏移值进行补偿，即可去除三片CCD阵列之间色差。
2、 如权利要求1戶服的方法，其特征在于如果只需要消除细小条纹噪声， 贝识需要采用戶诚步骤(1)的方法进行处理。
3、 如权利要求l戶诚的方法，其特征在于如果只需要去除奇偶像元差，则只需要采用戶，步骤(2)的方法进行处理。
4、 如权利要求1所述的方法，其特征在于如果只需要去除三片CCD阵 列之间的縫，贝l识需要采用戶腿步骤(3)的方法进行处理。
5、 如权利要求1或2戶腿的方法，其特征在于对戶脱相对定标系数的增益系数进行戶脱平滑或滤波处理时，仅仅平滑或^1滤掉,的高频部分，而 保留数据的低频部分。
6、 如权利要求l、 2或5之一戶鹏勺方法，其特征在于对繊目对定标系数的增益系i^行戶脱平滑或熗波处理时，应结合繊的情况，选择高 M[的曲线进行拟合。
7、 如权利要求l、 2或5之一臓的方法，其特征在于对臓相对定标系数的增益系 ^1^波处理时，可采用的滤波方^^括小波澹波、维纳滤波、 卡尔曼、it波之一。
8、 如权利要求1或3戶腿的方法，其特征在于戶/M步骤(2)具体为在相对辐射校正后图像 的基础上，把奇列和偶列分别看做一个鄉，然后将奇列与偶列分别进行直方图匹配，得妾杯同總等级下应i劾口减的偏移值， 然后将该偏移值分别加到奇列繊和偶列 上。
9、 如权利要求1或4戶脱的方法，其特征在于戶腿步骤(3)具体为令A、 B、 C分别代表CCD阵列的左片、中片和右片线阵，而子图像区域 a、 bl代表为左片线阵和中片线阵的相邻部分；子图像区域b2， c为中片线阵和 右片线阵的相邻部分。对四付图像a、 bl、 b2、 c分别进行直方图统计，去除直方图低端和高端 各20%的数据，对中间60%的 求取均值，设为^， M，巧，S，则A"， Ac 即为左右片线阵需要补偿的DN值，A" ， —Ac—分别由下式计算。△a = 61 - a
10、 如权利要求9戶脱的方法，其特征在于0M子SK象区ilb、 bl、 b2、 c 的宽度取值范围约为20个探元。
全文摘要
本发明涉及一种对CCD相机的相对辐射校正进行改进的方法。该方法利用改进之后的定标系数模型对图像进行相对辐射校正，以便消除细小条纹噪声；在相对辐射校正后图像数据的基础上，统计出奇偶列数据之间的平均灰度值差异，然后将该平均灰度值差异再分别覆盖在奇偶列数据上来去除奇偶像元差异；利用图像统计找到中间片CCD阵列子图与左右片CCD阵列子图的亮度差值，该亮度差值即为左右CCD阵列底电平的起伏，用该起伏对左右CCD阵列的偏移值进行补偿以去除三片CCD阵列之间的色差。本发明的技术方案能够有效改进图像质量，使奇偶像元差异、条纹噪声及片内与片间的色差得到有效去除，并使图像相对辐射校正精度得到提高。
文档编号H04N5/217GK101442608SQ20081019179
公开日2009年5月27日 申请日期2008年12月31日 优先权日2008年12月31日
发明者湧 曾, 王晓燕, 郭建宁, 龙小祥 申请人:中国资源卫星应用中心