一种两阶段增强型相机响应标定方法

本发明涉及辐射测量与诊断，特别涉及一种两阶段增强型相机响应标定方法。

背景技术：

1、近年来，增强型成像传感技术得到较快发展，相关相机系统被广泛应用于微光夜视、放射医疗、工业无损检测、超快射线成像等领域。常见的增强型成像传感包括emccd(electron-multiplying ccd)、iccd、icmos、scmos(scientific cmos)等。与传统的电荷耦合器件(charge coupled device,ccd)或互补金属氧化物半导体(complementary metaloxide semiconductor,cmos)相机相比，增强型成像传感在光路设计方面采用了更多的光学器件，如光纤光锥、像增强器等，使得其系统更复杂、标定难度更大；同时，由于增强型成像传感多被用来进行辐射物理量的测量与诊断，相关实际应用对该型相机响应能力的灵敏度、准确度、线性度也有较高要求。

2、国内外围绕增强型相机的测量诊断问题也提出过一些相关方案。如申请号为cn201611270441.9的专利申请提出一种针对瞬态温度场进行成像测量的系统及方法，该方法存在的主要问题在于，并未针对成像传感的响应标定问题进行建模分析。又如，申请号为cn201511021016.1的专利申请提出一种依据图像灰度自适应进行像增强器增益调节的方法，该方法可显著提高成像系统对于复杂环境的适应能力。然而，该方法存在的不足在于，成像系统采用全局计算策略进行微通道板(micro channel plate，mcp)增益调节，相关调节方法不适合于测量诊断级的系统应用。

3、由上述分析可见，当前在增强型成像传感响应标定领域，相关技术发展仍然存在以下明显不足：一方面，目前已开展的增强型成像传感响应标定研究工作相对较少，从而导致增强型成像传感在输出性能方面的灵敏度、准确度、线性度均相对较低。另一方面，在增强型成像传感标定领域，已有的标定方法大多属于一类整体标定的处理方法，即该方法将整个图像/图像块作为输入进行计算，单个像素标定结果的计算会参考该像素周围像素响应结果的大小，因此标定结果的可解释性差，不确定度高，不适合于测量诊断应用场合。

技术实现思路

1、本发明提供了一种两阶段增强型相机响应标定方法，以解决现有技术所存在的标定结果可解释性差，不确定度高，不适合于测量诊断应用场合的技术问题。

2、为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：

3、一种两阶段增强型相机响应标定方法，包括：

4、对待标定图像进行固定模式噪声滤除；

5、采集增强型相机在连续线性增强输入光强条件下的响应图像；

6、基于不同输入光强条件下的响应图像，计算出不同输入光强条件下的像素实际输出响应与像素标准响应之间的差值随输入光强的变化关系；

7、基于不同输入光强条件下的像素实际输出响应与像素标准响应之间的差值随输入光强的变化关系，对滤除噪声后的待标定图像进行一级响应误差补偿；

8、基于预先训练好的机器学习算法，对完成一级响应误差补偿后的待标定图像进行二级响应误差补偿，得到待标定图像所对应的最终标定结果。

9、进一步地，所述对待标定图像进行固定模式噪声滤除，包括：

10、采集增强型相机在无输入光强条件下的多幅响应图像；

11、针对采集到的无输入光强条件下的多幅响应图像，计算出无输入光强条件下的像素输出强度均值；

12、基于所述无输入光强条件下的像素输出强度均值，确定固定模式噪声估计值；

13、将待标定图像中各像素位置处的像素输出强度减去对应像素位置处的固定模式噪声估计值，实现待标定图像的固定模式噪声滤除。

14、进一步地，基于所述无输入光强条件下的像素输出强度均值，确定固定模式噪声估计值，包括：

15、采用预设建模算法，依照不同输入光强，对计算出的无输入光强条件下的像素输出强度均值进行加权计算，得到不同输入光强下的固定模式噪声估计值；

16、在将待标定图像中各像素位置处的像素输出强度减去对应像素位置处的固定模式噪声估计值，实现待标定图像的固定模式噪声滤除时，所减去的固定模式噪声估计值为与采集待标定图像时的输入光强所对应的固定模式噪声估计值。

17、进一步地，在采集增强型相机在连续线性增强输入光强条件下的响应图像时，在单一输入光强条件下，需重复采集多幅响应图像。

18、进一步地，所述基于不同输入光强条件下的响应图像，计算出不同输入光强条件下的像素实际输出响应与像素标准响应之间的差值随输入光强的变化关系，包括：

19、针对不同输入光强条件下的响应图像，依次计算出每一输入光强条件下的多幅响应图像的像素输出强度均值；

20、采用最小二乘法计算不同输入光强条件对应的像素输出强度均值的拟合直线，以得到的拟合直线表示像素标准响应与输入光强之间的关系；

21、计算出不同输入光强条件下像素实际输出响应与像素标准响应的差值；

22、采用预设拟合算法对得到的所述差值进行拟合计算，得到不同输入光强条件下的像素实际输出响应与像素标准响应之间的差值随输入光强的变化关系。

23、进一步地，在针对不同输入光强条件下的响应图像，依次计算出每一输入光强条件下的多幅响应图像的像素输出强度均值之前，所述两阶段增强型相机响应标定方法还包括：

24、针对相同输入光强条件下采集的像素响应数据采用预设聚类算法进行聚类计算，获得像素响应聚类中心；

25、计算每一个像素响应测量结果与对应聚类中心的距离；

26、若像素响应测量结果与对应聚类中心的距离大于预设阈值，则剔除对应的像素响应测量结果，实现对响应图像中异常响应的剔除。

27、进一步地，所述预设聚类算法为k均值聚类算法。

28、进一步地，所述基于预先训练好的机器学习算法，对完成一级响应误差补偿后的待标定图像进行二级响应误差补偿，得到待标定图像所对应的最终标定结果，包括：

29、对预设的机器学习算法进行训练；其中，机器学习算法的输入包括增强型相机中单个分离的光学器件的性能和工艺参数，以及两个相邻光学器件间的性能及制造工艺参数；机器学习算法的监督数据为二级响应误差补偿；

30、将待标定图像所对应的增强型相机中单个分离的光学器件的性能和工艺参数，以及两个相邻光学器件间的性能及制造工艺参数输入训练好的机器学习算法中，利用机器学习算法的输出结果对待标定图像进行二级响应误差补偿。

31、进一步地，所述单个分离的光学器件的性能和工艺参数包括：调制传递函数、光谱响应能力、积分灵敏度水平、亮度增益、等效背景照度以及信噪比。

32、进一步地，两个相邻光学器件间的性能及制造工艺参数包括耦合效率、耦合信噪比、耦合分辨率、耦合透光率、耦合均匀性、耦合增益以及耦合线性度。

33、本发明提供的技术方案带来的有益效果至少包括：

34、1、本发明可显著提升增强型相机的响应灵敏度。灵敏度是指增强型成像传感对单位待测光强变化所致的响应量变化的程度。显然，通过本发明的标校方法，可显著提高相关成像传感对微弱光强信号变化的响应能力。

35、2、本发明可显著提升增强型相机的响应准确度。准确度是指在一定实验条件下多次测定的平均值与真值相符合的程度，它用来表示误差的大小。显然，通过本发明的标定方法可进一步降低相机响应误差，进而提高测量诊断的准确程度。

36、3、本发明可显著提升iccd、icmos等增强型相机的响应线性度。线性度是指增强型成像传感在线性增强光源输入条件下，相机输出响应结果呈现线性度的程度。显然，通过本发明的标定方法，估计了相机理想线性响应直线，并将相机响应向理想响应直线校正，因此可显著提升相机响应的线性程度。