AgCam傳感器平場校正*

竇長勇,張曉東,Doug Olsen,賀明霞

(1.中國海洋大學海洋遙感教育部重點試驗室,山東青島266003;2.中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心北京1000190;3.University of North Dakota,the Northern Great Plains Center for People and the Environment Grand Forks,ND USA 58202-9011)

AgCam傳感器平場校正*

竇長勇1,2,張曉東3,Doug Olsen3,賀明霞1

(1.中國海洋大學海洋遙感教育部重點試驗室,山東青島266003;2.中國科學院對地觀測與數(shù)字地球科學中心北京1000190;3.University of North Dakota,the Northern Great Plains Center for People and the Environment Grand Forks,ND USA 58202-9011)

平場校正對獲得高質(zhì)量的遙感圖像起著非常關(guān)鍵的作用。針對利用商業(yè)相機開發(fā)的傳感器需要進行平場校正的問題,提出對Agriculture Camera(AgCam)傳感器的平場校正方法。應(yīng)用AgCam的定標實驗數(shù)據(jù)分別得到傳感器CCD陣列的暗電流(Dark Current),漸暈效應(yīng)(Vegnitting Effect)和光電響應(yīng)(Quantum Efficiency)的校正系數(shù)。AgCam的定標實驗數(shù)據(jù)和實際拍攝圖像處理結(jié)果表明,該方法能夠有效地對AgCam的平場效應(yīng)進行校正。

平場校正;光電響應(yīng);漸暈效應(yīng);最小二乘擬合;國際空間站

AgCam是由美國University of North Dakota開發(fā)的裝載在國際空間站上的對地觀測傳感器,此項目由美國航空航天局資助,目的是為農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的遙感研究及應(yīng)用提供服務(wù)。AgCam已于2008年11月14日由美國“奮進號”航天飛機發(fā)射到了國際空間站上。Ag-Cam傳感器有2個波段,分別為:紅波段(RED)和近紅外波段(near infrared,NIR),地面分辨率約為10 m。Ag-Cam的顯著特點是用商業(yè)產(chǎn)品作為裝配組件,其光學系統(tǒng)由1個Mimaya透鏡、1個分光器和2個行掃描相機(型號:Dalsa CL-P4-8192)組成,其中每個相機有6144個CCD像元[1]。AgCam是掃描成像,它以一定的時間間隔拍照,利用國際空間站的飛行運動獲得遙感圖像。

CCD陣列平場效應(yīng)主要包含兩部分:像元響應(yīng)非一致性(Non-Uniform Quantum Efficiency)和圖像從中間到邊緣逐漸變暗的現(xiàn)象——漸暈效應(yīng)(Vignetting Effect簡稱VE)[2]。漸暈效應(yīng)主要是由于隨著入射光角度的增大,能通過相機透鏡的斜光束的截面積逐漸減小,導致每個CCD像元接受到的光強不一致造成的,它一般遵從cos4α定律(α是入射光和CCD主光軸之間的夾角)。在計算機圖像學領(lǐng)域,漸暈校正方法通常是利用照相機光學系統(tǒng)參數(shù)建立校正模型來求出校正系數(shù)[3-8]。在天文學[9]和醫(yī)學影像[10]研究領(lǐng)域一般是從一幅或多幅均一光場的圖像提取出參數(shù),把CCD像元間的不同響應(yīng)和漸暈效應(yīng)2個因素合在一起校正。本文利用AgCam的定標實驗數(shù)據(jù)分別提取出不同CCD像元響應(yīng)和漸暈效應(yīng)的校正系數(shù),并且在提取出參數(shù)的過程中,應(yīng)用最小二乘擬合算法抑制了系統(tǒng)隨機噪聲對校正系數(shù)的影響。

1 AgCam定標實驗原理

AgCam定標實驗是在美國航空航天局AMES研究中心的航空遙感實驗室完成的。為了測定其對均一光場的定標數(shù)據(jù),讓AgCam對1個聚焦在無窮遠處的漫反射板(diffuse plate)拍照。在光強固定的情況下,拍攝了5組圖像,曝光時間分別為100,200,300,400和500μs,每次拍照AgCam分別生成紅波段和近紅外波段兩幅圖像。對應(yīng)以上曝光時間的暗電流圖像也被記錄下來。

當相機對輻射率為L(i)的物體拍照時,相機記錄的信號(DN(i))可以表示為公式(1)的形式[11-15]:

其中:i是CCD像元序列(0-6143);L(i)是被相機拍攝到物體的輻射率;DN(i)是相機輸出的信號,數(shù)值在0～255之間;V E(i)是漸暈效應(yīng)系數(shù);QE(i)是光電轉(zhuǎn)換系數(shù);DC(i)是暗電流信號;t是曝光時間(單位為微秒)。

從公式(1)可知,必須確定3個參數(shù)的校正系數(shù):暗電流、漸暈效應(yīng)和光電轉(zhuǎn)換系數(shù)。以上校正系數(shù)從定標實驗數(shù)據(jù)提取。定標實驗中入射光強為均一光場,用L0代表均一光場的輻射率,則公式(1)可寫為:

2 定標實驗數(shù)據(jù)分析

因為每個CCD陣列像元的暗電流、光電轉(zhuǎn)換系數(shù)和漸暈效應(yīng)系數(shù)不同,即便是在均一光場下每個CCD像元的輸出也不一樣,但是,通過對定標數(shù)據(jù)的分析得知,特定CCD像元的響應(yīng)是恒定的。鑒于以上分析,對所有的暗電流圖像和定標圖像數(shù)據(jù)沿著時間軸做平均,以減小隨機噪聲的影響,得到對應(yīng)CCD陣列響應(yīng)的一維數(shù)組。AgCam的平場校正系數(shù)將從這些一維數(shù)組中計算得到。因為紅波段和近紅外波段的分析方法相同并且結(jié)果相似,所以本文以近紅外波段為例來說明校正系數(shù)的提取方法,若無特殊說明,在該部分展示的結(jié)果都是近紅外波段的。

2.1 暗電流

暗電流指在沒有光輸入時CCD陣列的輸出信號,它有兩部分組成:一是跟CCD系統(tǒng)外加電壓相關(guān)的固定成分,二是和CCD熱輻射相關(guān)的成分。從圖1可以得知:曝光時間一定時各像元的暗電流基本上相同;其平均值有隨著曝光時間增長的趨勢,增長范圍<0.5。因為數(shù)字相機的最小識別單位是1,所以可忽略暗電流跟熱輻射相關(guān)的部分,取圖1(b)的平均值作為暗電流的系數(shù)。

圖1 (a)不同CCD探測單元的暗電流變化;(b)暗電流的平均值和曝光時間的關(guān)系Fig.1 (a)The dark current value for different CCD elements with the integration time of 200μs;(b)The relationship etween dark current mean value and different integration time

2.2 漸暈效應(yīng)

首先,將上一步確定的暗電流的數(shù)值從對應(yīng)的定標圖像中減去。圖2是曝光時間為200μs的結(jié)果,黑色的曲線是去除暗電流后的數(shù)據(jù)(用DNdc-cor表示),很明顯其有從中間到兩邊的數(shù)值衰減(漸暈效應(yīng))和隨著衰減趨勢的波動(像元響應(yīng)非一致性)。紅色曲線是根據(jù)cos4α定律應(yīng)用AgCam光學參數(shù)計算出的漸暈效應(yīng)系數(shù)。從圖中可知,AgCam圖像邊緣的數(shù)值衰減為46%,而cos4α定律衰減系數(shù)的數(shù)據(jù)衰減僅為1.2%。AgCam的視場角約為8(°),光路上有多光學裝置(如分束器、濾光器等),所以其漸暈效應(yīng)比較復雜,不能用簡單的模型進行校正。

圖2 減去暗電流后的定標數(shù)據(jù)和cos4α定律衰減曲線Fig.2 Dark Current removed calibration dada and cos4α illumination falloff curve

通常,DNdc-cor被用來做分析并反演有關(guān)校正系數(shù),但是經(jīng)過分析得知,定標實驗中得到的暗電流的值并不完全等于CCD像元獲得線性輸出所需的閥值電流(門限電流),所以為了進一步分析,對DNdc-co每個CCD像元進行以曝光時間為變量的線性擬合,分離出公式(2)中的線性系數(shù)。

如圖3(a)所示,黑色的曲線是公式(3)的線性系數(shù)-L0V E(i)Q E(i),從漸暈效應(yīng)產(chǎn)生的機理可知其系數(shù)(V E(i))應(yīng)該是平滑的曲線,而CCD像元的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)(Q E(i))是隨機的,為了分離這2個系數(shù),對L0V E(i)QE(i)做10階多項式曲線擬合,擬合曲線如圖3(a)紅色曲線所示。假定在相機主光軸上的CCD像元(i0)的漸暈效應(yīng)系數(shù)為1(這個像元對應(yīng)擬合曲線的最大值),用擬合曲線的最大值對其進行歸一化得到漸暈效應(yīng)的校正系數(shù)-V E(i)。從圖3(c)可以明顯的看到在主光軸上的CCD像元(i0)(第3304個像元)并不在CCD陣列的中間,但是這不影響圖像的質(zhì)量。

2.3 光電響應(yīng)

要獲得每個CCD像元輸出,則對應(yīng)輸入光強需高于1個閥值電流(或電壓)[13],如果提供的電流低于此閥值電流,即便有光輸入CCD也不會有對應(yīng)的輸出。假若CCD陣列的像元都處于理想值狀態(tài),即對應(yīng)系統(tǒng)所加外電壓的暗電流值正好等于像元的閥值電流,則公式3的截距(ε(i))應(yīng)該為0,但是,由于CCD材料和加工工藝等因素的限制,每個CCD像元的閥值電流和光電轉(zhuǎn)換系數(shù)(Q E(i))都不相同。(ε(i))的變化范圍為-12～3,如圖3(b)所示,通過計算得知(ε(i))一維數(shù)組的平均值是0.01(可近似為0)。

由于在相機主光軸上的CCD像元(i0)的漸暈效應(yīng)為1,故應(yīng)該將CCD陣列每個像元的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)(Q E(i))校正到與此像元的系數(shù)(Q E(i0))相同。用L0 V E(i)Q E(i)(圖4(a)中的黑色曲線)第3 304個像素值乘以V E(i)再除以整個曲線就得到了光電轉(zhuǎn)換系數(shù)的校正系數(shù)-QE(i0)/Q E(i)(圖3(d))。實際上CCD響應(yīng)的校正分為2部分:閥值電流的校正(ε(i))和光電轉(zhuǎn)換系數(shù)的校正(QE(i0)/Q E(i))。

圖3 (a)L0V E(i)QE(i)和它的擬合曲線;(b)光電響應(yīng)校正系數(shù)- ε(i);(c)漸暈效應(yīng)校正系數(shù)-.V E(i);(d)光電響應(yīng)校正系數(shù)-.QE(i0)/QE(i)Fig.3 (a)L0V E(i)QE(i)and its fit curve;(b)Quantum efficiency correction coefficient- ε(i);(c)Vegnitting effect correction coefficients-.V E(i);(d)Quantum efficiency correction coefficient-.QE(i0)/QE(i)

2.4 定標實驗數(shù)據(jù)校正

現(xiàn)在把校正參數(shù)應(yīng)用于定標數(shù)據(jù),如公式(4)所示。

其中DNcor是校正后數(shù)值。

圖4顯示了曝光時間分別為200和300μs的近紅外和紅波段的定標數(shù)據(jù)的校正結(jié)果,與校正前的圖像數(shù)據(jù)相比,CCD響應(yīng)校正后的圖像數(shù)值的變化范圍有了很大的減小(對近紅外和紅波段標準偏差分別減小了93.7%和88.8%);如所期望,平場校正后的數(shù)據(jù)去除了從中間到邊緣的數(shù)值衰減,變成了1條直線。

3 校正結(jié)果

為了進一步檢驗平場校正效果,校正系數(shù)被應(yīng)用于2幅AgCam實際拍攝的實驗數(shù)據(jù),一幅是曝光時間為200μs的紅波段圖像(2006年8月1日拍攝于美國University of North Dakota),另一幅是曝光時間為300μs的近紅外波段圖像(2006年10月5日拍攝于美國佛羅里達州)。其結(jié)果分別如圖5、6所示,(a)、(b)分別是校正前和校正后的圖像,圖像中晴朗的天空可以近似看作是均一光場,選取其中的一條掃描線來演示校正的結(jié)果((a),(b)中的紅線)。從(a)中可以看到明顯由于CCD響應(yīng)不同造成的水平條紋和由于漸暈效應(yīng)造成的從圖像中間到上下兩端亮度衰減,校正后的圖像(b)則消除了這些影響。從(c)可以得出,校正后的圖像比原始圖像有了很大的改進:標準偏差分別從4.92和1.62降到了2.39和1.01;校正后的數(shù)據(jù)除掉了從中間到邊緣的數(shù)值衰減。

圖4 定標數(shù)據(jù)平場校正結(jié)果(a)近紅外波段,200μs;(b)紅波段,300μs(SD:標準偏差)Fig.4 Results of corrected calibration data(a)NIR,200μs(b)RED,300μs(SD:Standard Deviation)

圖5 AgCam圖像的平場校正結(jié)果Fig.5 Results of corrected AgCam image

圖6 AgCam圖像的平場校正結(jié)果Fig.6 Results of corrected AgCam image

4 結(jié)語

由于Agcam采用了商業(yè)產(chǎn)品作為傳感器的組件,所以AgCam的原始數(shù)據(jù)有較大的平場效應(yīng)。本文利用AgCam的定標數(shù)據(jù)得到暗電流、漸暈效應(yīng)和光電響應(yīng)的校正系數(shù)。通過校正結(jié)果可知,該方法在工程實際中的有效性,避免應(yīng)用傳感器參數(shù)建立校正模型的復雜步驟,具有較強的實用性。

致謝:本研究內(nèi)容由University of North Dakota承擔的美國航空航天局項目(NASA NNX06AE16G)資助;中國海洋大學海洋遙感教育部重點實驗室提供了赴美參與AgCam項目的寶貴機會,在此一并致以衷心感謝。

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Flat Field Correction for AgCam

DOU Chang-Yong1,2,ZHANG Xiao-Dong3,Doug Olsen3,HE Ming-Xia1
(1.Key Laboratory of Ocean Remote Sensing,Ministry of Education,Ocean University of China,Qingdao 266003,China;2.Center for Earth Observation and Digital Earth,Chinese Academy of Science,Beijing 100012,China;3.The Northern Great Plains Center for People and the Environment,University of North Dakota,Grand Forks DN 58202-9011,USA)

Flat field correction plays a key role in obtaining high quality remote sensing image data.Due to the problem that flat field correction is needed by the sensor built by commercial products,the correction method for images acquired by Agriculture Camera(AgCam)is proposed in this paper.The coefficients for dark current,non-uniform vegnitting effect and quantum efficiency effect of the CCD array are extracted from the calibration data.The corrected results of AgCam calibration and test images suggest that this proposed method can remove flat field effect effectively.

flat field correction;quantum efficiency;vignetting effect;least square;ISS

TN216

A

1672-5174(2010)09-137-05

2009-11-16;

2009-12-20

竇長勇(1979-),男,助理工程師,E-mail:cydou@ceode.ac.cn

責任編輯 陳呈超