辐射定标系统及其光源控制模块的制作方法

本发明涉及一种图像传感器的辐射定标领域，特别涉及一种针对消费级cmos(complementarymetal-oxidesemiconductor，金属氧化物半导体元件)的辐射定标系统及其光源控制模块。

背景技术：

辐射定标是无人机低空遥感影像预处理的主要内容之一。其目的是消除相机在拍摄过程中所带来的各类辐射误差，并将遥感影像的像素值(digitalnumber)转换为能够真实反应物理特性的辐射亮度。

目前，对图像传感器进行辐射定标过程中，多采用具有一定辐射亮度范围的定标光源(例如积分球系统)作为辐射亮度值真值。在进行辐射定标过程中，由定标光源发射额定的辐射亮度，然后利用图像传感器进行数字影像采集，由此建立辐射亮度与数字影像中的像素值之间的函数关系，完成辐射定标。

然而，目前市售的定标光源只提供少数辐射亮度与其输入功率的对应关系，由于cmos量子效率曲线以非线性、分段性等复杂分布居多，使用目前的积分球输出的辐亮度值序列难以保证待定标图像传感器产生均匀的响应值序列，致使图像传感器的辐射定标精度不高。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术的辐射定标方法难以保证待定标图像传感器产生均匀的响应值序列，致使图像传感器的辐射定标精度不高的缺陷，提供一种辐射定标系统及其光源控制模块。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题：

一种辐射定标的光源控制模块，所述光源控制模块包括：

获取单元，用于获取目标像素值；

第一计算单元，用于根据量子效率模型计算与所述目标像素值对应的定标光源应输出的辐射亮度，并根据功率亮度模型计算与所述辐射亮度对应的所述定标光源的输入功率；所述功率亮度模型的输入参数为所述辐射亮度，输出参数为所述输入功率；

控制单元，用于根据所述输入功率生成功率控制信号，并根据所述功率控制信号控制所述定标光源。

较佳地，所述光源控制模块还包括：

模型选择单元，用于根据待定标的图像传感器的工作参数和/或影像存储格式选择所述量子效率模型，并发送至所述第一计算单元。

较佳地，所述量子效率模型包括以下模型中的至少一种：

l1＝a×dn²+b×dn+c；

l2＝a×dn³+b×dn²+c×dn+d；

l3＝a×ln^dn+b；

l4＝a×l1+b×l2+c；

其中，l1、l2、l3和l4表征辐射亮度，dn表征像素值，a、b、c和d表征量子效率模型的系数，a、b、c表征分段函数中不同函数类型的组合系数。

较佳地，所述光源控制模块还包括：

判断单元，用于查找所述定标光源的功率表，并判断所述功率表中是否存在与所述辐射亮度对应的所述输入功率；

在判断为是时，所述判断单元还用于根据查找结果确定所述输入功率，并发送至所述控制单元；

在判断为否时，所述判断单元还用于调用所述第一计算单元以根据所述功率亮度模型计算所述输入功率。

一种辐射定标系统，所述辐射定标系统包括：影像获取模块、定标模块和上述任意一项所述的辐射定标的光源控制模块；

所述光源控制模块用于控制所述定标光源发出辐射亮度；

所述影像获取模块用于设定待定标的图像传感器的成像参数，并控制所述图像传感器在所述定标光源每发出一辐射亮度时，获取不同成像参数下的所述定标光源的出光口的影像；

所述定标模块用于根据所述影像确定所述图像传感器的辐射响应特性。

较佳地，所述定标模块具体包括：

渐晕去除组件，用于将所述影像进行渐晕去除处理；

定标组件，用于根据所述定标光源发出的辐射亮度和经过渐晕去除处理的所述影像的像素值确定所述图像传感器的辐射响应特性。

较佳地，所述渐晕去除组件具体包括：

系数获取单元，用于获取所述影像的每个像素点的渐晕系数；

第二计算单元，用于将所述每个像素点的像素值与对应的渐晕系数做数学运算。

较佳地，所述辐射定标系统还包括：定位连接装置；

所述定位连接装置用于固定所述定标光源和所述图像传感器，使所述定标光源的出光口与所述图像传感器的切线贴合。

较佳地，所述辐射定标系统还包括：仓体；

所述仓体的内部设有反光材料。

所述定位连接装置置于所述仓体中。

较佳地，所述辐射定标系统还包括：温度传感器和排风装置；所述温度传感器和所述排风装置均设置于所述仓体上；

所述温度传感器用于检测所述仓体内的温度并发送至所述排风装置；

所述排风装置用于在所述温度超过预设温度阈值时，将所述仓体内的空气排出。

本发明的积极进步效果在于：本发明可提供辐射定标所需的任意辐射亮度，从而解决了对待定标图像传感器的真实量子效率拟合精度不高的问题，为传感器的高精度自动化辐射定标提供了基础。

附图说明

图1为本发明实施例1的辐射定标的光源控制模块的模块示意图。

图2为本发明实施例2的辐射定标系统的模块示意图。

图3为本发明实施例2的辐射定标系统的定位连接装置的结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

如图1所示，本实施例的辐射定标的光源控制模块包括：获取单元11、第一计算单元12、控制单元13、模型选择单元14和判断单元15。

获取单元11用于获取目标像素值。目标像素值也即图像传感器辐射定标的基础数据，其可以是与等间隔辐射亮度序列对应的像素值序列，根据辐射定标的精度要求由用户自行确定。

第一计算单元12用于根据量子效率模型计算与目标像素值对应的定标光源应输出的辐射亮度。也即将目标像素值输入量子效率模型，得到辐射定标时，定标光源应该输出的辐射亮度。

本实施例中，第一计算单元12在计算辐射亮度之前，还调用模型选择单元14以根据图像传感器的工作参数和/或影像存储格式从数据库选择量子效率模型的，也即基于先验知识、已有的实验结果判，确定最可能接近的量子效率标准模型，以粗略估计建模过程中所需要的辐射亮度序列。

其中，图像传感器的工作参数包括：光谱响应中心波长、型号以及成像参数(例如，传感器的增益、曝光时间等)等。数据库中可存储多个量子效率模型，根据待定标的图像传感器的工作参数和/或影像存储格式确定适用的量子效率模型。

以下对量子效率模型的建立过程作具体说明：

获取训练样本集，训练样本集包括：标准辐射亮度值影像；对标准辐射亮度值影像进行图像处理，得到影像中的不等间隔灰阶亮度值(像素值)，及其获取影像时所对应的辐射亮度值；

建立像素值与辐射亮度的数学模型，并以训练样本集中的像素值为自变量，辐射亮度为因变量进行模型拟合，模型拟合采用均方根误差最小原则，选定最优量子效应曲线方程，即得到最终的量子效率模型并存储。曲线方程可以是线性函数、非线性函数、分段函数等。

本实施例中，量子效率模型可以但不限于以下4种：

(1)l1＝a×dn²+b×dn+c

(2)l2＝a×dn³+b×dn²+c×dn+d

(3)l3＝a×ln^dn+b

(4)l4＝a×l1+b×l2+c

其中，l表征辐射亮度，dn表征像素值，a、b、c和d表征量子效率模型的系数，a、b、c表征分段函数中不同函数类型的组合系数。第一计算单元12还用于根据功率亮度模型计算与辐射亮度对应的定标光源的输入功率。

其中，功率亮度模型的输入参数为辐射亮度，输出参数为输入功率。为了便于说明，将未在功率表中查到对应的输入功率的辐射亮度称为目标辐射亮度，功率表中大于目标辐射亮度的最小值li和小于目标辐射亮度的最大值li-1与输入功率的函数关系如下：

l为积分球出口的辐亮度值；l单位为w·m^-2·sr^-1；φ为积分球入射辐射通量，即积分球内部光源的辐射通量；ρ为积分球内表面涂层的反射率；f为积分球开口比；r为积分球内径。由此可知，p可以表达为关于l的函数关系，如下：

式中，l(pi-1,pi)为目标辐射亮度，pi-1为与功率表中小于目标辐射亮度的最大值li-1对应的输入功率，pi为与功率表中大于目标辐射亮度的最小值li对应的输入功率。利用上述函数关系，可求解任意处于l(pi-1)与l(pi)之间的辐射亮度值所对应的输入功率值。其具体求解过程如下所示：

由以上两个公式可知，对于在辐射亮度查找表中未知的辐射亮度值，即处于(li-1,p(li-1))与((li,p(li))的之间的功率与辐射亮度值(lδ,p(lδ))，存在如下关系：

p(lδ)＝∫g(lδ-li-1)dl+p(li-1)；

其中，lδ表示中间需要插入的辐射亮度值。

基于该对应关系，利用标准量子效率模型所求解的辐射亮度值真值，即可求解程控积分球在各辐射亮度值时的输入功率。输入功率的计算也即通过动态范围内进行等间隔插值后，通过曲线方程进行反算后的结果。

本实施例中，第一计算单元12在计算输入功率之前，还调用判断单元15以查找定标光源的功率表，并判断功率表中是否存在与辐射亮度对应的输入功率。其中，定标光源例如可以是积分球。功率表也即积分球的使用说明书，功率表列明该积分球在不同的中心波长下，积分球的输入功率与积分球出光口的辐射亮度的关系。

若判断单元15判断为是，说明积分球的功率表中已提供与该辐射亮度对应的所需输入功率，判断单元则根据查找结果确定输入功率，并将查表获得的输入功率发送至控制单元13。

若判断单元15判断为否，说明积分球的功率表中未提供与输出的辐射亮度对应的所需输入功率，输入功率需要另行计算，判断单元则调用第一计算单元以根据功率亮度模型计算输入功率，并将计算得到的输入功率发送至控制单元13。

控制单元13用于根据输入功率生成功率控制信号，并根据功率控制信号控制定标光源。

其中，控制信号包括输入功率序列{p}和定标光源输出不同的辐射亮度的时间和间隔。

本实施例的光源控制模块，可提供辐射定标所需的任意辐射亮度，从而解决了对待定标图像传感器的真实量子效率拟合精度不高的问题，为传感器的高精度自动化辐射定标提供了基础。

实施例2

如图2所示，本实施例的图像传感器的辐射定标系统包括：仓体、定位连接装置、影像获取模块2、定标模块3和实施例1中示出的辐射定标的光源控制模块1。

定位连接装置位于仓体中，如图3所示，其用于固定镜头7和定标光源8，该镜头7包含待定标的图像传感器，使定标光源8的出光口与镜头表面的切线贴合。本实施例中，定标光源使用积分球。

具体的，定位连接装置包括升降台61和限位器62，升降台61可实现对镜头高度的控制。限位器62用于固定定标光源和包括待定标的图像传感器的镜头，其卡口与镜头的滤镜平行，确保定标光源的出光口与镜头表面切线贴合，保证传感器在接收辐射亮度值时不存在夹角。

本实施例中，仓体的内部设有反光材料，以隔绝外界光源，确保在进行辐射定标过程中排除外界光源影响。同时，保证积分球系统在使用过程中处于无尘状态。

在定标之前，将待定标的图像传感器和积分球固定于定位连接装置，使待定标的图像传感器与积分球的出光口的相对位置在同一水平高度上，并将该待定标的传感器与定标光源的出光口贴合，以完成对图像传感器的几何校正。当然，定标之前还需要对图像传感器进行初始化，对iso(数码相机感光度量化规定)、曝光时间等基本参数进行调节。

以下对辐射定标的工作原理作具体说明：

光源控制模块1用于控制定标光源发出辐射亮度。其中，输入功率序列{p}可按照由低至高的顺序排序，则辐射定标时控制定标光源按照排列顺序依次发出辐射亮度。

影像获取模块2用于获取待定标的图像传感器的成像参数，并控制图像传感器在定标光源每发出一辐射亮度时，获取不同成像参数下的定标光源的出光口的影像。

由于图像传感器在不同增益、曝光时间、白平衡等成像参数下获取的图像是有区别的，对每一辐射亮度获取不同成像参数下的影像并进行辐射定标分析，有利于图像传感器的准确、全面定标。

重复调用光源控制模块1和影像获取模块2，直至完成积分球的输入功率序列{p}下的全部影像数据的采集。

定标模块3用于根据所有影像确定图像传感器的辐射响应特性。

本实施例中，定标模块具体包括：渐晕去除组件和定标组件。

渐晕去除组件用于将影像进行渐晕去除处理，以去除由于入射光角度不同所带来的中间亮，四周暗的误差。

本实施例中，利用图像传感器获得的影像的像主点位置的渐晕效应系数为1的原理，去除像素值影像的渐晕效应，渐晕去除组件具体包括：系数获取单元和第二计算单元。

系数获取单元用于获取影像的每个像素点的渐晕系数。

以下对渐晕系数的获取作具体说明：

将不同成像参数下获取的同一辐射亮度的至少两幅影像进行归一化处理，建立以影像的像主点为中心并沿主光轴向边缘减弱的三维曲面模型；三维曲面模型表征影像的每个像素点的渐晕系数以及像主点与其他像素点的渐晕系数的相对大小关系；本实施例中，可将渐晕系数以表的形式进行存储，从而对大批量图像进行辐射定标时无需重复执行获取渐晕系数的步骤，只需查找渐晕系数表即可获得初始像素值影像的每个像素点的渐晕系数，从而可进行并行计算，大大提高了大批量图像辐射定标的效率，减小了计算复杂度及计算量。

将三维曲面模型的系数作为每个像素点对应的渐晕系数。通过对影像进行渐晕去除处理，可提高辐射定标的精准度。本实施例中，具体采用matlab中内置函数mesh函数即可建立三维曲面模型。

第二计算单元用于将影像的每个像素点的像素值与对应的渐晕系数做数学运算，得到影像中各像素的像素值。

其中，数学运算可以为除法运算，也即将每个初始像素值影像的每个像素点的像素值除以对应的渐晕系数，完成去除影像的渐晕效应。

定标组件用于根据定标光源发出的辐射亮度和影像的像素值确定图像传感器的辐射响应特性。

本实施例中，实现了对待定标的图像传感器与定标光源的集成化控制，从而实现了流程化的传感器定标，效率大大提高。

本实施例中，辐射定标系统还包括：温度传感器4和排风装置5。

温度传感器安置在仓体顶部，靠近积分球的出光口，用于检测仓体内的温度并发送至排风装置。本实施例中，还可在仓外设置显示装置，用于实时显示仓体内部的温度。

排风装置用于在仓体内的温度超过预设温度阈值时启动，将仓体内的空气排出，实现散热，以降低仓体内的工作温度，使积分球系统在使用过程中始终处于最佳使用温度。同时，排风过程中的对流可减少仓体内部灰尘，提供工作过程中的无尘环境。

本实施例中，排风装置的数量可设置多个，例如设置4个，4个排风装置分别安置在仓体左侧右上角和左下角，以及仓体右侧右上角、左下角。排风扇在通电后为串联状态。排风装置所设计的位置具有强制对流的作用，可对内部工作环境进行有效散热。

本实施例中，排风装置上安置遮光板，遮光板使排风装置在工作当中亦处于无光状态。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。