Способ безэталонной коррекции нелинейного отклика видеоспектрометра Российский патент 2024 года по МПК G01J3/457 

Изобретение относится к методам калибровки видеоспектрометров -приборов для получения пространственно-спектральных данных, а именно уменьшению их нелинейных искажений.

Гипер- и мультиспектральные камеры востребованы при решении задач сельского хозяйства, экологического мониторинга, технической диагностики и неразрушающего контроля [Garini Y, Young I.T, McNamara G. Spectral imaging: Principles and applications. 2006. 69A(8). 735-747]. При этом такие приборы, как правило, обладают нелинейным откликом, характеризующим соотношение между энергией излучения, падающей на приемник, и интенсивностью регистрируемого сигнала. Искажения, обусловленные нелинейностью фоточувствительного элемента и компонентов электронного тракта [Nehir М, Frank С, ABmann S, Achterberg ЕР. Improving Optical Measurements: Non-Linearity Compensation of Compact Charge-Coupled Device (CCD) Spectrometers. Sensors. 2019. 19(12). 2833] представляют собой систематическую ошибку, приводящую к снижению точности спектральных измерений, ограничению динамического диапазона и сложности сопоставления данных, полученных в различные моменты времени или с помощью различных приборов. В задачах спектроскопии это может привести к искажениям формы спектральных характеристик объектов, что имеет критическое значение при определении состава и структуры исследуемых веществ.

Для коррекции нелинейного отклика камер наиболее широко используются лабораторные методы [Cao Н, Gu X, Wei X, Yu Т, Zhang Н. Lookup Table Approach for Radiometric Calibration of Miniaturized Multispectral Camera Mounted on an Unmanned Aerial Vehicle. Remote Sens. 2020. 12. 4012], использующие интегрирующие сферы, калиброванные источники излучения и монохроматоры. Контролируемое изменение освещенности приемника в рабочем диапазоне чувствительности позволяет определить зависимость от нее дискретных значений и использовать эту кривую для последующей внелабораторной программной коррекции снимков. При регистрации изображений в узких спектральных каналах эти значения зависят не только от уровня освещенности объекта, но и от его спектральных особенностей. Поэтому для коррекции нелинейного отклика видеоспектрометра в режиме реального времени используются эталоны с градацией отражательной способности [Deng L, Мао Z, Li X, Ни Z, Duan F, Yan Y. UAV-based multispectral remote sensing for precision agriculture: A comparison between different cameras. Journal of Photogrammetry and Remote Sensing. 2018. 146. 124-136]. Ограничением данного метода являются необходимость размещения эталона в поле зрения во время съемки и высокие требования к качеству его изготовления (площади, однородности и пр.).

В качестве прототипа выбран эмпирический способ калибровки [Zhou X, Liu С, Xue Y, Akbar A, Jia S, Zhou Y, Zeng D. Radiometric calibration of a large-array commodity CMOS multispectral camera for UAV-borne remote sensing. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation. 2022. V. 112. 102968], заключающийся в регистрации видеоспектрометром изображений аттестованных диффузно отражающих эталонов с различными уровнями серости, определении коэффициентов коррекции нелинейного отклика и коррекции регистрируемых данных до момента изменения условий съемки.

Задачей изобретения является устранение недостатков известных решений.

Техническим результатом изобретения является возможность коррекции нелинейного отклика видеоспектрометра при отсутствии эталонов в поле зрения прибора.

Для решения указанной технической задачи с достижением указанного технического результата применяется способ, заключающийся в регистрации видеоспектрометром нескольких изображений объекта с разным уровнем сигнала от объекта, вычислении калибровочной зависимости интенсивности, зарегистрированной установленным в видеоспектрометре приемником излучения, от уровня сигнала от объекта, и применении данной зависимости для коррекции зарегистрированных пространственно-спектральных данных.

Изобретение поясняется чертежом.

На Фиг. 1 показаны основные этапы описанного способа: одновременная регистрация калибровочных и спектральных изображений приемником излучения, установленным в видеоспектрометре, определение зависимости интенсивности элемента изображения от уровня сигнала объекта и ее применение для коррекции нелинейного отклика прибора.

Осуществление изобретения

Изобретение может быть реализовано на основе устройства, состоящего из системы формирования и регистрации спектральных изображений и изображений с контролируемой разницей в уровне сигнала, а также устройства их обработки и программной коррекции.

Отличием изобретения являются наличие в оптической системе видеоспектрометра нескольких нейтральных светофильтров различной плотности и регистрация нескольких широкополосных изображений объекта с разным уровнем сигнала одновременно с регистрируемыми спектральными изображениями.

Отсутствие необходимости устанавливать эталон в поле зрения видеоспектрометра позволяет мгновенно реагировать на изменения в уровне сигнала от объекта и осуществлять соответствующую коррекцию спектральных изображений, минимизируя таким образом нелинейные искажения приемника видеоспектрометра, возникающие в процессе регистрации. Коррекция искажений в режиме реального времени особенно ценна при решении биомедицинских задач [Clancy N. Т, Jones G, Maier-Hein L, Elson, D. S, Stoyanov D. Surgical spectral imaging. Medical Image Analysis. 2020. 63. 101699] и задач дистанционного зондирования [Hakala Т, Honkavaara Е, Saari Н, Makynen J, Kaivosoja J, Pesonen L, Polonen I. Spectral imaging from UAVs under varying illumination conditions. International Society for Photogrammetry and Remote Sensing. XL-1/W2. 189-194], где требуется динамичная адаптация к изменениям условий съемки или окружающей среды.

В предпочтительном варианте осуществления реализуется вариант программно-аппаратного комплекса, содержащего мульти- или гиперспектральную оптическую систему, оптическую систему формирования широкополосных изображений с несколькими нейтральными фильтрами разной плотности, цифровой видеокамеры с широким диапазоном спектральной чувствительности для регистрации спектральных изображений и компьютера для их обработки и коррекции нелинейных искажений. С помощью такого комплекса одновременно регистрируются спектральные изображения и калибровочные данные, которые представляют собой последовательность широкополосных изображений объекта с известным соотношением уровней сигнала и позволяют определить калибровочную зависимость интенсивности, зарегистрированной установленным в видеоспектрометре приемником излучения, от уровня сигнала от объекта. Коэффициенты коррекции вычисляются, исходя из требования линейной зависимости значений интенсивности от уровня сигнала, поступающего от объекта, и применяются к каждому пикселю зарегистрированных в тот же момент спектральных изображений. Поскольку калибровочные зависимости вычисляются для каждого отдельного момента захвата данных, при изменении условий съемки коэффициенты коррекции автоматически изменяются для обеспечения эффективного устранения нелинейных искажений в работе прибора.

Способ осуществляется следующим образом. Видеоспектрометр направляют на исследуемый объект и одновременно регистрируют спектральные изображения и последовательность широкополосных изображений, фиксируя различные уровни сигнала от объекта с известным шагом. Реализация способа требует наличия системы формирования изображений с несколькими нейтральными светофильтрами с градацией коэффициента пропускания. Дальнейшая обработка данных направлена на вычисление нелинейной зависимости между уровнем сигнала от объекта и регистрируемыми прибором значениями. Расчет коэффициентов коррекции данных осуществляется на основе требования к пропорциональности этих значений интенсивности сигнала, поступающего от объекта. Полученные калибровочные зависимости применяются к значениям всех пикселей зарегистрированных изображений, что позволяет эффективно исключить нелинейные искажения в процессе регистрации данных. При изменении условий освещения, атмосферных эффектов, угла обзора, физического состояния объектов и технических параметров прибора калибровочные зависимости динамически изменяются, что обеспечивает коррекцию нелинейного отклика в процессе регистрации.

В частном случае (п. 2 формулы) в плоскости промежуточного изображения или плоскости матричного приемника излучения видеоспектрометра установлены несколько нейтральных светофильтров.

В частном случае (п. 3 формулы) вместо нескольких нейтральных светофильтров установлен нейтральный фильтр с переменной плотностью.

Изобретение относится к методам калибровки видеоспектрометров. Техническим результатом является возможность коррекции нелинейного отклика видеоспектрометра при отсутствии эталонов в поле зрения прибора. Способ безэталонной коррекции нелинейного отклика видеоспектрометра заключается в регистрации видеоспектрометром нескольких широкополосных изображений объекта с разным уровнем сигнала с помощью оптической системы с несколькими нейтральными светофильтрами или нейтральным фильтром с переменной плотностью, обработке данных и вычислении калибровочной зависимости зарегистрированной приемником излучения интенсивности от уровня сигнала от объекта, применении данной зависимости для коррекции спектральных изображений в режиме реального времени. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ безэталонной коррекции нелинейного отклика видеоспектрометра, включающий:

- регистрацию видеоспектрометром нескольких изображений объекта с разным уровнем сигнала от объекта;

определение калибровочной зависимости интенсивности, зарегистрированной установленным в видеоспектрометре приемником излучения, от уровня сигнала от объекта;

- применение данной зависимости для коррекции зарегистрированных пространственно-спектральных данных;

отличающийся тем, что

- осуществляют регистрацию нескольких широкополосных изображений объекта с разным уровнем сигнала одновременно с регистрируемыми спектральными изображениями с помощью нескольких нейтральных светофильтров различной плотности;

- согласно требованию пропорциональности между уровнем сигнала от объекта и уровнем сигнала, зарегистрированного видеоспектрометром, определяют коэффициенты коррекции между данными уровнями;

- вычисляют истинные значения интенсивности точек искаженного изображения на основе зарегистрированных значений интенсивности этих точек и полученных коэффициентов коррекции и корректируют нелинейный отклик видеоспектрометра путем приведения значений интенсивности точек к истинным.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что вместо нескольких нейтральных светофильтров установлен нейтральный фильтр с переменной плотностью.