针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标方法及系统与流程

1.本技术涉及相对辐射定标技术领域，尤其涉及针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标方法及系统。


背景技术：

2.目标识别是指将一个特殊目标(或一种类型的目标)从其它目标(或其它类型的目标)中区分出来的过程。
3.其中，由于光源发出或经物体反射的光谱包含大量的信息，被广泛应用于目标识别领域。如可见光覆盖从390nm至780nm的广泛区域，并且这段波长范围内光谱强度的分布能够反应出光源、物体以及场景的自然属性，从而光谱采集技术已成为科学研究与工程应用中进行目标识别的有效手段。
4.进一步地，在采集光谱数据前，往往需要对光学系统进行实时定标，然而，现有的定标方法比如标定辐亮度等，需要考虑观测角度、太阳天顶角等因素，操作较复杂，不便于对光学系统进行实时定标。
5.有鉴于此，提出了本发明。


技术实现要素：

6.为解决上述问题，本发明提供了一种针对特征光谱的光学系统灰度响应定标方法及系统，可以直接采用目标识别过程中观测位置的观测角度进行定标，相对现有的定标方法中需要考虑观测角度、太阳天顶角等因素，操作更加简便。
7.第一方面，本技术提供一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标方法，该方法包括：
8.在不同天空背景亮度情况下，获取光学系统拍摄的特征光谱的灰度图像，光谱探测系统拍摄的图像以及光谱探测系统捕捉的光谱数据；其中，灰度图像和图像中存在共有标记物；
9.在图像中确定捕捉光谱数据的捕捉范围；其中，捕捉范围通过在图像中最亮点的坐标确定；
10.基于共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域；
11.计算区域的平均灰度值；
12.对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
13.可选的，基于共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域，包括：
14.获取图像中的共有标记物与捕捉范围的相对位置关系；
15.基于图像中的共有标记物与捕捉范围的相对位置关系，确定捕捉范围在灰度图像中的区域。
16.可选的，获取光学系统拍摄的灰度图像，包括：
17.获取光学系统拍摄的390nm至780nm范围内的一个特征光谱的灰度图像。
18.可选的，获取光学系统拍摄的390nm至780nm范围内的一个特征光谱的灰度图像，包括：
19.获取光学系统拍摄的589nm的特征光谱的灰度图像。
20.可选的，光谱数据包括特征光谱的相对光谱强度。
21.可选的，捕捉范围为光谱探测系统的光谱仪的探测范围，或小于光谱探测系统的光谱仪的探测范围。
22.可选的，对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标，包括：
23.利用最小二乘法对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
24.第二方面，本技术提供一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标系统，该系统包括：
25.获取模块，用于在不同天空背景亮度情况下，获取光学系统拍摄的特征光谱的灰度图像、光谱探测系统拍摄的图像以及光谱探测系统捕捉的光谱数据；其中，灰度图像和图像中存在共有标记物；
26.确定捕捉范围模块，在图像中确定捕捉光谱数据的捕捉范围；其中，所述捕捉范围通过在所述图像中最亮点的坐标确定；
27.确定区域模块，基于共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域；
28.计算模块，计算区域的平均灰度值；
29.线性拟合模块，对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
30.第三方面，本技术提供一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标系统，该系统包括：
31.光谱探测系统，用于拍摄不同天空背景亮度情况下的图像，捕捉不同天空背景亮度情况下的光谱数据，并在图像中确定光谱仪捕捉光谱数据的捕捉范围；其中，捕捉范围通过在图像中最亮点的坐标确定；
32.光学系统，用于拍摄不同天空背景亮度情况下的特征光谱的灰度图像，基于图像与灰度图像中存在的共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域，计算区域的平均灰度值，并对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
33.第四方面，本技术提供一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现上述的针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标方法。
附图说明
34.为了更清楚地说明本技术具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本技术实施例提供的一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标方法
的流程图；
36.图2为本技术实施例提供的一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标系统的连接示意图；
37.图3为本技术实施例提供的一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标系统的结构示意图；
38.图4为本技术实施例提供的一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标系统的结构示意图。
具体实施方式
39.为了使本技术的上述以及其他特征和优点更加清楚，下面结合附图进一步描述本技术。应当理解，本文给出的具体实施例是出于向本领域技术人员解释的目的，仅是示例性的，而非限制性的。
40.在以下描述中，阐述了许多具体细节以提供对本技术的透彻理解。然而，对于本领域普通技术人员来说，明显的是，不需要采用具体细节来实践本技术。在其他情况下，未详细描述众所周知的步骤或操作，以避免模糊本技术。
41.为了方便对光学系统进行实时定标，本技术提供了一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标方法，无需考虑观测角度、太阳天顶角等因素，可以采用目标识别过程中观测位置的观测角度，即可对光学系统进行定标。
42.下面结合图1-图4进行详细说明，如图1所示，本技术提供了一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标方法，该方法包括：
43.步骤s11，在不同天空背景亮度情况下，获取光学系统拍摄的特征光谱的灰度图像，光谱探测系统拍摄的图像以及光谱探测系统捕捉的光谱数据；其中，灰度图像和图像中存在共有标记物。
44.具体的，如图2所示，连接仪器和设备，光学系统的相机前加装纳米级滤光片，并与数据处理设备(如笔记本电脑等)相连，存储拍摄的灰度图像。光谱探测系统包括一个一分二分光镜系统，可以将入射光一分为二，分别用于光谱探测系统的相机成像和光谱仪捕捉光谱数据，并且光谱探测系统的相机和光谱仪也与数据处理设备(如笔记本电脑等)相连，存储图像和光谱数据，同时为了保证图像和灰度图像中存在共有标记物，还要尽可能的保证光学系统和光谱探测系统的光轴平行。
45.当需要对光学系统进行定标时，可以采用目标识别过程中观测位置的观测角度，并对准天空背景，将此天空背景下的光源作为光学系统及光谱探测系统的输入光源，同时还应避免太阳直射，防止图像产生过曝现象。
46.从而，在不同天空背景亮度情况下，可以获取光学系统拍摄的特征光谱的灰度图像，光谱探测系统拍摄的图像以及光谱探测系统捕捉的光谱数据，并将拍摄的灰度图像、图像和捕捉的光谱数据存储到数据处理设备中。其中，光谱数据包括光源的相对光谱强度。特征光谱的灰度图像可以为390nm至780nm可见光范围内的一个特征光谱的灰度图像，在一个具体的应用实例中可以选择589nm的特征光谱的灰度图像。在此应用实例中，光学系统可以采集飞行器尾焰中na所发出的589nm的特征光谱的灰度图像，并结合光学系统的定标数据，反推出飞行器尾焰中na所发出的589nm的特征光谱的光谱强度，实现对飞行器尾焰的目标
识别。
47.步骤s13，在图像中确定捕捉光谱数据的捕捉范围；其中，捕捉范围通过在图像中最亮点的坐标确定。
48.在定标过程中，由于光谱探测系统中的光谱仪捕捉光谱数据的范围小于光谱探测系统中的相机拍摄的图像的范围，因此需要在图像中确定光谱仪捕捉光谱数据的范围，具体的，在图像中找出最亮点的坐标，此最亮点的坐标也是光谱仪捕捉范围的中心，再根据光谱仪的视场即可确定图像中光谱仪捕捉光谱数据的范围。
49.步骤s15，基于共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域。
50.在图像中确定了光谱仪的捕捉范围后，为了实现对光学系统的定标，那么还需要确定捕捉范围位于灰度图像中的区域，此时可以通过图像和灰度图像中的共有标记物进行确定。确定方法可以基于图像中的共有标记物与捕捉范围的相对位置关系，其中，共有标记物和捕捉范围的相对位置关系可以为共有标记物上某一点与捕捉范围中心点的相对坐标，也可以为共有标记物上某一点与捕捉范围中心点连线的直线距离以及连线与某一固定方向的夹角。
51.需要说明的是，上述的捕捉范围可以为光谱仪捕捉视场的范围，也可以小于光谱仪捕捉视场的范围，如选择以捕捉范围的中心(图像中最亮点的位置)为圆心，以100像素为半径的范围。
52.步骤s17，计算区域的平均灰度值。
53.在基于共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域之后，可以根据区域内每个像素的灰度值计算区域的平均灰度值。
54.步骤s19，对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
55.利用最小二乘法对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
56.在一个具体的实施例中，选择晴朗无云的白天天空作为光源，并避免太阳直射，防止图像产生过曝现象，如图2所示，连接各仪器和设备。
57.将镜头前装有589nm滤光片的光学系统的相机置于三脚架上，连接电源，并将网线接入电脑采集灰度图像。光谱探测系统的一分二分光镜系统也架于三脚架上，连接光纤至光谱仪，连接数据线使图像和光谱数据输入到电脑。将光谱探测系统的一分二分光镜系统置于光学系统的相机的一侧，尽可能的保证光学系统和光谱探测系统靠近以及两系统的光轴尽平行。
58.光学系统中的相机拍摄远处天空背景的灰度图像，光谱探测系统中的相机拍摄远处天空背景的图像，光谱探测系统的光谱仪捕捉光谱数据，在光谱探测系统中的相机拍摄的图像中找出亮度最大的坐标，确定光谱仪在图像中捕捉光谱数据的范围。
59.根据光学系统拍摄的灰度图像和光谱系统拍摄的图像中的共有标记物，在光学系统的灰度图像中标记出光谱仪捕捉光谱数据的区域。若远处无明显的共有标记物，可将长竿等物体置于远处，并保证长竿等物体位于光学系统和光谱探测系统的成像区域内。
60.根据光谱仪采集的不同天空背景亮度情况下的光谱数据，得到589nm的特征光谱对应的光谱数据；同时根据光学系统采集的589nm特征光谱的灰度图像，计算得出灰度图像
内标记的区域的平均灰度值。
61.对不同天空背景亮度情况下采集到的589nm的特征光谱的光谱数据，对应同一时刻计算得到的灰度图像内标记的区域的平均灰度值进行线性拟合，完成光学系统在589nm的特征光谱的灰度响应定标。
62.如图3所示，本技术提供了一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标系统，该系统包括：
63.获取模块301，用于在不同天空背景亮度情况下，获取光学系统拍摄的特征光谱的灰度图像、光谱探测系统拍摄的图像以及光谱探测系统捕捉的光谱数据；其中，灰度图像和图像中存在共有标记物。
64.具体的，如图2所示，连接仪器和设备，光学系统的相机前加装纳米级滤光片，并与数据处理设备(如笔记本电脑等)相连，存储拍摄的灰度图像。光谱探测系统包括一个一分二分光镜系统，可以将入射光一分为二，分别用于光谱探测系统的相机成像和光谱仪捕捉光谱数据，并且光谱探测系统的相机和光谱仪也与数据处理设备(如笔记本电脑等)相连，存储图像和光谱数据，同时为了保证图像和灰度图像中存在共有标记物，还要尽可能的保证光学系统和光谱探测系统的光轴平行。
65.当需要对光学系统进行定标时，可以采用目标识别过程中观测位置的观测角度，并对准天空背景，将此天空背景下的光源作为光学系统及光谱探测系统的输入光源，同时还应避免太阳直射，防止图像产生过曝现象。
66.从而，在不同天空背景亮度情况下，可以通过获取模块301获取光学系统拍摄的特征光谱的灰度图像，光谱探测系统拍摄的图像以及光谱探测系统捕捉的光谱数据，并将拍摄的灰度图像、图像和捕捉的光谱数据存储到数据处理设备中。其中，光谱数据包括光源的相对光谱强度。特征光谱的灰度图像可以为390nm至780nm可见光范围内的一个特征光谱的灰度图像，在一个具体的应用实例中可以选择589nm的特征光谱的灰度图像。在此应用实例中，光学系统可以采集飞行器尾焰中na所发出的589nm的特征光谱的灰度图像，并结合光学系统的定标数据，反推出飞行器尾焰中na所发出的589nm的特征光谱的光谱强度，实现对飞行器尾焰的目标识别。
67.确定捕捉范围模块302，在图像中确定捕捉光谱数据的捕捉范围，其中，所述捕捉范围通过在所述图像中最亮点的坐标确定。
68.在定标过程中，由于光谱探测系统中的光谱仪捕捉光谱数据的范围小于光谱探测系统中的相机拍摄的图像的范围，因此需要在图像中确定光谱仪捕捉光谱数据的范围，具体的，在图像中找出最亮点的坐标，此最亮点的坐标也是光谱仪捕捉范围的中心，再根据光谱仪的视场即可确定图像中光谱仪捕捉光谱数据的范围。
69.确定区域模块303，基于共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域。
70.在图像中确定了光谱仪的捕捉范围后，为了实现对光学系统的定标，那么还需要确定捕捉范围位于灰度图像中的区域，此时可以通过图像和灰度图像中的共有标记物进行确定。确定方法可以基于图像中的共有标记物与捕捉范围的相对位置关系，其中，共有标记物和捕捉范围的相对位置关系可以为共有标记物上某一点与捕捉范围中心点的相对坐标，也可以为共有标记物上某一点与捕捉范围中心点连线的直线距离以及连线与某一固定方向的夹角。
71.需要说明的是，上述的捕捉范围可以为光谱仪捕捉视场的范围，也可以小于光谱仪捕捉视场的范围，如选择以捕捉范围的中心(图像中最亮点的位置)为圆心，以100像素为半径的范围。
72.计算模块304，计算区域的平均灰度值。
73.在基于共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域之后，计算模块304可以根据区域内每个像素的灰度值计算区域的平均灰度值。
74.线性拟合模块305，对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
75.线性拟合模块305利用最小二乘法对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
76.如图4所示，本技术还提供了一种针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标系统，该系统包括：
77.光谱探测系统402，用于拍摄不同天空背景亮度情况下的图像，捕捉不同天空背景亮度情况下的光谱数据，并在图像中确定光谱仪捕捉光谱数据的捕捉范围；其中，捕捉范围通过在图像中最亮点的坐标确定。
78.光学系统401，用于拍摄不同天空背景亮度情况下的特征光谱的灰度图像，基于图像与灰度图像中存在的共有标记物，确定捕捉范围在灰度图像中的区域，计算区域的平均灰度值，并对平均灰度值以及光谱数据进行线性拟合，以完成光学系统的灰度响应定标。
79.本技术提供了一种计算机可读存储介质，计算机可读存储介质上存储有计算机程序指令，计算机程序指令被处理器执行时实现上述的针对特征光谱成像的光学系统灰度响应定标方法。
80.应理解，本文中前述关于本技术的方法所描述的具体特征、操作和细节也可类似地应用于本技术的装置和系统，或者，反之亦然。另外，上文描述的本技术的方法的每个步骤可由本技术的装置或系统的相应部件或单元执行。
81.应理解，本技术的装置的各个模块/单元可全部或部分地通过软件、硬件、固件或其组合来实现。各模块/单元各自可以硬件或固件形式内嵌于计算机设备的处理器中或独立于处理器，也可以软件形式存储于计算机设备的存储器中以供处理器调用来执行各模块/单元的操作。各模块/单元各自可以实现为独立的部件或模块，或者两个或更多个模块/单元可实现为单个部件或模块。在一个实施例中，提供了一种计算机设备，其包括存储器和处理器，存储器上存储有可由处理器执行的计算机指令，计算机指令在由处理器执行时指示处理器执行本技术的实施例的方法的各步骤。该计算机设备可以广义地为服务器、终端，或任何其他具有必要的计算和/或处理能力的电子设备。在一个实施例中，该计算机设备可包括通过系统总线连接的处理器、存储器、网络接口、通信接口等。该计算机设备的处理器可用于提供必要的计算、处理和/或控制能力。该计算机设备的存储器可包括非易失性存储介质和内存储器。该非易失性存储介质中或上可存储有操作系统、计算机程序等。该内存储器可为非易失性存储介质中的操作系统和计算机程序的运行提供环境。该计算机设备的网络接口和通信接口可用于与外部的设备通过网络连接和通信。该计算机程序被处理器执行时执行本技术的方法的步骤。
82.本技术可以实现为一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程
序在由处理器执行时导致本技术实施例的方法的步骤被执行。在一个实施例中，计算机程序被分布在网络耦合的多个计算机设备或处理器上，以使得计算机程序由一个或多个计算机设备或处理器以分布式方式存储、访问和执行。单个方法步骤/操作，或者两个或更多个方法步骤/操作，可以由单个计算机设备或处理器或由两个或更多个计算机设备或处理器执行。一个或多个方法步骤/操作可以由一个或多个计算机设备或处理器执行，并且一个或多个其他方法步骤/操作可以由一个或多个其他计算机设备或处理器执行。一个或多个计算机设备或处理器可以执行单个方法步骤/操作，或执行两个或更多个方法步骤/操作。
83.本领域普通技术人员可以理解，本技术的方法步骤可以通过计算机程序来指示相关的硬件如计算机设备或处理器完成，计算机程序可存储于非暂时性计算机可读存储介质中，该计算机程序被执行时导致本技术的步骤被执行。根据情况，本文中对存储器、存储、数据库或其它介质的任何引用可包括非易失性和/或易失性存储器。非易失性存储器的示例包括只读存储器(rom)、可编程rom(prom)、电可编程rom(eprom)、电可擦除可编程rom(eeprom)、闪存、磁带、软盘、磁光数据存储装置、光学数据存储装置、硬盘、固态盘等。易失性存储器的示例包括随机存取存储器(ram)、外部高速缓冲存储器等。
84.以上描述的各技术特征可以任意地组合。尽管未对这些技术特征的所有可能组合进行描述，但这些技术特征的任何组合都应当被认为由本说明书涵盖，只要这样的组合不存在矛盾。
85.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本技术进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本技术各实施例技术方案的范围。