成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法及裝置，其中，該方法包括：獲取當(dāng)前場景下的光譜圖像；讀取該光譜圖像各個(gè)像元的亮度值DN值；判斷所有DN值中的最大值DNmax與2Q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位數(shù)；若DNmax＜2Q-1，則逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax＝2Q-1，并將對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間；若DNmax＝2Q-1，則逐步減小曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax＝2Q-2后，再逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax＝2Q-1，并將對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間。本發(fā)明公開的方法及裝置，解決了成像光譜儀無法自動曝光的弊端，保證了成像光譜儀能夠得到穩(wěn)定的光譜圖像數(shù)據(jù)。
【專利說明】成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法及裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及成像光譜儀【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法及裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]成像光譜儀已經(jīng)在野外光譜探測、航空航天遙感等方面得到很好的應(yīng)用，與照相機(jī)類似，成像光譜儀獲取的光譜圖像隨光照環(huán)境變化，但是到目前為止，只有照相機(jī)上實(shí)現(xiàn)了自動曝光補(bǔ)償和自動增益補(bǔ)償功能，成像光譜儀都不具備此項(xiàng)功能。隨著成像光譜儀在諸多領(lǐng)域的應(yīng)用逐步深入，所面臨的環(huán)境也越來越復(fù)雜，因此為了保證成像光譜儀能夠得到穩(wěn)定的光譜圖像數(shù)據(jù)，需要儀器能夠根據(jù)使用環(huán)境的變化，自動補(bǔ)償曝光和增益，提高儀器的普適性。
[0003]由于成像光譜儀獲取的數(shù)據(jù)為光譜圖像數(shù)據(jù)，與傳統(tǒng)的相機(jī)有較大的區(qū)別，因此，自動曝光補(bǔ)償所采取的方法與照相機(jī)所采用的方法不同。
[0004]目前的成像光譜儀無法自動曝光，必須人工手動調(diào)節(jié)曝光時(shí)間，雖然針對光學(xué)相機(jī)的自動曝光補(bǔ)償有諸多的文章和專利，但是尚未有涉及成像光譜儀自動曝光的研究。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是提供一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法及裝置，解決了成像光譜儀無法自動曝光的弊端，保證了成像光譜儀能夠得到穩(wěn)定的光譜圖像數(shù)據(jù)。
[0006]本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的:
[0007]一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法，該方法包括:
[0008]獲取當(dāng)前場景下的光譜圖像；
[0009]讀取該光譜圖像各個(gè)像元的亮度值DN值；
[0010]判斷所有DN值中的最大值DNmax與2q_1的大小，其中，Q表示像元分辨率位數(shù)；[0011 ] 若DNmax < 2°-1，則逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-1，并將對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間^DNmax = 2Q-1，則逐步減小曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-2后，再逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax=2Q-1，并將對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間。
[0012]進(jìn)一步的，所述的逐步增加曝光時(shí)間與逐步減小曝光時(shí)間包括:
[0013]逐步增加曝光時(shí)間包括:計(jì)算最大值DNmax與2q_1的差值:Λ DN = | (2Q_1) -DNmax | ；若該差值A(chǔ)DN大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長；
[0014]逐步減小曝光時(shí)間包括:獲取最大DNmax值DNmax = 2°-1的個(gè)數(shù)n，若η大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長。
[0015]一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的裝置，該方法包括:
[0016]光譜圖像獲取模塊，用于獲取當(dāng)前場景下的光譜圖像；
[0017]DN值讀取模塊，用于讀取該光譜圖像各個(gè)像元的亮度值DN值；
[0018]判斷模塊，用于判斷所有DN值中的最大值DNmax與2q_1的大小，其中，Q表示像元分辨率位數(shù)；
[0019]曝光時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整模塊，用于當(dāng)DNmax < 2°-1時(shí)，逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-1 ;以及，當(dāng)DNmax = 2°-1時(shí)，逐步減小曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-2后，再逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-1 ；
[0020]最佳曝光時(shí)間確定模塊，用于將調(diào)整曝光時(shí)間后，DNmax = 2°-1時(shí)對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間。
[0021]進(jìn)一步的，所述的逐步增加曝光時(shí)間與逐步減小曝光時(shí)間包括:
[0022]逐步增加曝光時(shí)間包括:計(jì)算最大值DNmax與2q_1的差值:Λ DN = | (2Q-1) _DNmax | ；若該差值A(chǔ)DN大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長；
[0023]逐步減小曝光時(shí)間包括:獲取最大DNmax值DNmax = 2Q_1的個(gè)數(shù)n，若η大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長。
[0024]由上述本發(fā)明提供的技術(shù)方案可以看出，通過對成像光譜儀自動曝光算法的研究，解決了成像光譜儀無法自動曝光的弊端，保證了成像光譜儀能夠得到穩(wěn)定的光譜圖像數(shù)據(jù)，極大地提高了成像光譜儀在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用靈活性；同時(shí)，該裝置的設(shè)計(jì)使該方法在成像光譜儀上的應(yīng)用得以實(shí)現(xiàn)，滿足工程需要。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他附圖。
[0026]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法的流程圖；
[0027]圖2為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種探測器像面上的高光譜圖像的示意圖；
[0028]圖3為本發(fā)明實(shí)施例一提供的高光譜圖像上某一點(diǎn)的光譜曲線示意圖；
[0029]圖4為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的裝置的示意圖；
[0030]圖5為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種實(shí)現(xiàn)成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的硬件系統(tǒng)電路不意圖。

【具體實(shí)施方式】
[0031]下面結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0032]實(shí)施例一
[0033]圖1為本發(fā)明實(shí)施例一提供的一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法的流程圖。如圖1所示，該方法主要包括:
[0034]獲取當(dāng)前場景下的光譜圖像；
[0035]讀取該光譜圖像各個(gè)像元的DN值(亮度值)；
[0036]判斷所有DN值中的最大值DNmax與2Q_1的大小，其中，Q表示像元分辨率位數(shù)；
[0037]若DNmax < 2°-1，則逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-1，并將對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間^DNmax = 2Q-1，則逐步減小曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-2后，再逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax=2Q-1，并將對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間。
[0038]進(jìn)一步的，所述的逐步增加曝光時(shí)間與逐步減小曝光時(shí)間包括:
[0039]逐步增加曝光時(shí)間包括:計(jì)算最大值DNmax與2q_1的差值:Λ DN = | (2Q_1) -DNmax | ；若該差值A(chǔ)DN大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長；
[0040]逐步減小曝光時(shí)間包括:獲取最大DNmax值=DNmax = 2°-1的個(gè)數(shù)n，若η大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長。
[0041]為了便于理解本發(fā)明，下面針對上述方法做進(jìn)一步的說明。
[0042]由于高光譜成像主要用于地物遙感，探測結(jié)果為地物反射太陽光譜，探測器像面上的高光譜圖像如圖2所示，沿光譜維取一行像元，可以得到某一點(diǎn)的光譜曲線，如圖3所
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[0043]在所有典型地物類型中，雪的反射率最高，為90%以上，除此之外，石灰?guī)r的反射率最高，為50%左右，由于雪在飽和狀態(tài)下很容易探測，為了保證大部分地物都有一個(gè)較好的響應(yīng)，本發(fā)明實(shí)施例選擇石灰?guī)r的反射率作為地物反射率的標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行最佳曝光時(shí)間的判定，為了留有一定的余量，將參考反射率定位55%。
[0044]本發(fā)明實(shí)施例中，以太陽光源作為標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)光源，55%的漫反射白板作為參照，模擬目標(biāo)場景，確定在目標(biāo)場景下最佳曝光時(shí)間及DN值(像元亮度值)。
[0045]設(shè)每個(gè)像元采用Q位分辨率，讀取成像光譜儀CCD探測器圖像各像元的DN值，如果所有DN值均未達(dá)到2q-1(目標(biāo)值)時(shí)，表明光電子數(shù)在像元勢阱中未達(dá)到飽和，那么逐步增加曝光時(shí)間(CCD探測器的積分時(shí)間)；否則，表明光電子數(shù)大于等于像元勢阱容量，即光電子數(shù)在像元勢阱中已經(jīng)達(dá)到飽和，此時(shí)拍攝圖像有可能過曝，此時(shí)逐步減小曝光時(shí)間。
[0046]示例性的，增大與減小曝光時(shí)間可采用動態(tài)方法來計(jì)算每次曝光時(shí)間的調(diào)節(jié)步長，從而進(jìn)行曝光時(shí)間的調(diào)整；具體來說:
[0047]如果所有DN值均未達(dá)到2q_1時(shí)，則需要逐步增加曝光時(shí)間，此時(shí)可以計(jì)算最大值DNmax與2q-1的差值:ADN = I (2Q-1)-DNmax I ;若該差值A(chǔ)DN大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長，以較快迭代速度，否則，說明此時(shí)的曝光設(shè)置已經(jīng)非常接近目標(biāo)值了，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長，以保證算法的精度；直至當(dāng)某一像元的DN值第一次為2q-1時(shí)(即DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2Q-1)，表明光電子數(shù)在像元勢阱中第一次達(dá)到飽和，對應(yīng)的曝光時(shí)間為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間。
[0048]如果一開始即有像元的DN值等于2Q_1，則表明光電子數(shù)大于等于像元勢阱容量，即光電子數(shù)在像元勢阱中已經(jīng)達(dá)到飽和，拍攝圖像有可能過曝；獲取最大DNmax值:DNmax =2Q-1的個(gè)數(shù)n，若η大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長，直至最大的DN值第一次等于2Q-2，然后再增加曝光時(shí)間(調(diào)整方式與前述方式類似，不再贅述)，直至最大DN值第一次等于2Q-1，此時(shí)對應(yīng)的曝光時(shí)間為當(dāng)前場景過曝情況下的最佳曝光時(shí)間。
[0049]本發(fā)明實(shí)施例通過對成像光譜儀自動曝光算法的研究，解決了成像光譜儀無法自動曝光的弊端，保證了成像光譜儀能夠得到穩(wěn)定的光譜圖像數(shù)據(jù)，極大地提高了成像光譜儀在復(fù)雜環(huán)境中的應(yīng)用靈活性。
[0050]實(shí)施例二
[0051]圖4為本發(fā)明實(shí)施例二提供的一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的裝置的示意圖。如圖4所示，該裝置主要包括:
[0052]光譜圖像獲取模塊41，用于獲取當(dāng)前場景下的光譜圖像；
[0053]DN值讀取模塊42，用于讀取該光譜圖像各個(gè)像元的亮度值DN值；
[0054]判斷模塊43，用于判斷所有DN值中的最大值DNmax與2q_1的大小，其中，Q表示像元分辨率位數(shù)；
[0055]曝光時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整模塊44，用于當(dāng)DNmax < 2Q_1時(shí)，逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-1 ；以及，當(dāng)DNmax = 2°-1時(shí)，逐步減小曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2Q-2后，再逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-1 ；
[0056]最佳曝光時(shí)間確定模塊45，用于將調(diào)整曝光時(shí)間后，DNmax = 2Q_1時(shí)對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間。
[0057]進(jìn)一步的，所述的逐步增加曝光時(shí)間與逐步減小曝光時(shí)間包括:
[0058]逐步增加曝光時(shí)間包括:計(jì)算最大值DNmax與2q_1的差值:Λ DN = | (2Q-1) _DNmax | ；若該差值A(chǔ)DN大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長；
[0059]逐步減小曝光時(shí)間包括:獲取最大DNmax值DNmax = 2Q_1的個(gè)數(shù)n，若η大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長。
[0060]另一方面，本發(fā)明實(shí)施例所提供的成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的裝置可集成在FPGA(現(xiàn)場可編程門陣列)中，如圖5所示，該FPGA中集成了本發(fā)明所提供的成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的裝置，再與探測器時(shí)序驅(qū)動電路、CCD(電荷耦合元件)探測器、模擬前端、邏輯控制電路以及SDRAM(同步動態(tài)隨機(jī)存儲器)相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)曝光時(shí)間的自適應(yīng)調(diào)整。
[0061]需要說明的是，上述裝置中包含的各個(gè)功能模塊所實(shí)現(xiàn)的功能的具體實(shí)現(xiàn)方式在前面的各個(gè)實(shí)施例中已經(jīng)有詳細(xì)描述，故在這里不再贅述。
[0062]所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到，為描述的方便和簡潔，僅以上述各功能模塊的劃分進(jìn)行舉例說明，實(shí)際應(yīng)用中，可以根據(jù)需要而將上述功能分配由不同的功能模塊完成，即將裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分成不同的功能模塊，以完成以上描述的全部或者部分功倉泛。
[0063]通過以上的實(shí)施方式的描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以清楚地了解到上述實(shí)施例可以通過軟件實(shí)現(xiàn)，也可以借助軟件加必要的通用硬件平臺的方式來實(shí)現(xiàn)?；谶@樣的理解，上述實(shí)施例的技術(shù)方案可以以軟件產(chǎn)品的形式體現(xiàn)出來，該軟件產(chǎn)品可以存儲在一個(gè)非易失性存儲介質(zhì)(可以是⑶-ROM，U盤，移動硬盤等)中，包括若干指令用以使得一臺計(jì)算機(jī)設(shè)備(可以是個(gè)人計(jì)算機(jī)，服務(wù)器，或者網(wǎng)絡(luò)設(shè)備等)執(zhí)行本發(fā)明各個(gè)實(shí)施例所述的方法。
[0064]以上所述，僅為本發(fā)明較佳的【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本【技術(shù)領(lǐng)域】的技術(shù)人員在本發(fā)明披露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求書的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的方法，其特征在于，該方法包括: 獲取當(dāng)前場景下的光譜圖像； 讀取該光譜圖像各個(gè)像元的亮度值DN值； 判斷所有DN值中的最大值DNmax與2q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位數(shù)； 若DNmax < 2Q-1，則逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2Q_1，并將對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間；gDNmax = 2Q-1，則逐步減小曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-2后，再逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax =2Q-1，并將對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述的逐步增加曝光時(shí)間與逐步減小曝光時(shí)間包括: 逐步增加曝光時(shí)間包括:計(jì)算最大值DNmax與2q-1的差值:ADN= I (2Q-1)-DNmax ;若該差值A(chǔ)DN大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長； 逐步減小曝光時(shí)間包括:獲取最大DNmax值DNmax = 2°-1的個(gè)數(shù)n，若η大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長。
3.一種成像光譜儀自適應(yīng)調(diào)整曝光時(shí)間的裝置，其特征在于，該方法包括: 光譜圖像獲取模塊，用于獲取當(dāng)前場景下的光譜圖像； DN值讀取模塊，用于讀取該光譜圖像各個(gè)像元的亮度值DN值； 判斷模塊，用于判斷所有DN值中的最大值DNmax與2q-1的大小，其中，Q表示像元分辨率位數(shù)； 曝光時(shí)間自適應(yīng)調(diào)整模塊，用于當(dāng)DNmax < 2°-1時(shí)，逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-1 ；以及，當(dāng)DNmax = 2°-1時(shí)，逐步減小曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-2后，再逐步增加曝光時(shí)間，直至DNmax值第一次達(dá)到DNmax = 2°-1 ； 最佳曝光時(shí)間確定模塊，用于將調(diào)整曝光時(shí)間后，DNmax = 2°-1時(shí)對應(yīng)的曝光時(shí)間作為當(dāng)前場景下的最佳曝光時(shí)間。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于，所述的逐步增加曝光時(shí)間與逐步減小曝光時(shí)間包括: 逐步增加曝光時(shí)間包括:計(jì)算最大值DNmax與2q-1的差值:ADN = I (2Q-1)-DNmax I ;若該差值A(chǔ)DN大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長； 逐步減小曝光時(shí)間包括:獲取最大DNmax值DNmax = 2°-1的個(gè)數(shù)n，若η大于閾值，則加大曝光時(shí)間的調(diào)整步長；否則，減小曝光時(shí)間的調(diào)整步長。
【文檔編號】H04N5/235GK104270575SQ201410570772
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年10月22日 優(yōu)先權(quán)日:2014年10月22日
【發(fā)明者】陳鑫雯, 呂群波, 相里斌, 趙娜, 劉揚(yáng)陽, 譚政, 張丹丹, 孫建穎, 王建威, 裴琳琳, 郭文記 申請人:中國科學(xué)院光電研究院