星上CCD成像非均匀性的实时校正

研究了时间延时积分(TDICCD)成像产生非均匀性的原因,基于两点校正算法探讨了星上图像非均匀性实时校正的可行性方案。鉴于工程一体化设计的要求,在常用的CCD时序处理器FPGA上实现了硬件实时校正。通过对相机均匀辐射定标,利用FPGA读取前32行TDICCD图像数据进行非均匀性等效灰度值(NUEDN)计算,根据工程经验,设定当NUEDN2时对数字图像进行非均匀性实时校正。硬件实时校正结果表明,均匀辐照下NUEDN可降至0.29。实验室动态目标滚筒成像试验表明,实时校正后TDICCD推扫成像均匀光滑,满足工程需要。     

半导体制冷型高帧频CMOS数字摄像机及其成像噪声分析

为了提高高速CMOS图像传感器的成像质量,降低图像传感器暗电流和随机噪声,介绍了采用半导体制冷方法设计的高帧频CMOS数字摄像机成像系统,并针对该相机系统设计出结构一体化的多级半导体制冷器,实现了制冷量可控。实验结果表明,图像传感器制冷后的温度与环境温度的温差最大可达40℃;通过降低传感器温度很大程度上减少了暗电流固定模式噪声和瞬态随机噪声;此外,在摄像机内硬件实现了彩色滤波阵列转换和列向非均匀性校正,使输出图像信噪比提高了6dB。该相机系统具有集成度高,结构紧凑,高分辨率,高帧频,高信噪比,宽动态范同,成像质量好等特点。     

多TDI-CCD拼接相机成像非均匀性的校正

针对多TDI-CCD拼接相机存在成像非均匀性问题,开展了对拼接相机输出图像的片内及片间综合校正算法研究.结合CCD相机特性介绍了TDI-CCD的工作原理以及拼接相机成像非均匀性的产生机理.然后,分别对拼接相机片内及片间非均匀性校正的原理进行分析,提出了片内采用两点法校正,片间采用比值平均综合法校正.最后,对片内及片间综合非均匀性校正的参数标定及校正方法进行了探讨.实验结果表明,对存在8.4%非均匀性的原拼接输出图像,采用片内与片间综合校正法校正后,图像非均匀性达到了2.7%,表明该校正方法可基本满足TDI-CCD拼接相机对成像非均性校正的要求,其算法有效实用.     

多TDI-CCD拼接相机非均匀性校正方法

针对多TDI-CCD拼接相机成像存在非均匀性问题,开展了对拼接相机输出图像片内及片间综合校正算法的研究。首先,结合CCD相机特性,介绍了TDI-CCD的工作原理以及拼接相机非均匀性的产生机理。然后,分别对拼接相机片内及片间非均匀性校正的原理进行分析,提出了片内采用两点法校正、片间采用比值平均校正的综合校正算法。最后,对片内及片间综合非均匀性校正的参数标定及校正方法进行了探讨;实验结果表明,在原拼接输出图像存在8.4%非均匀性的条件下,采用片内与片间综合校正法校正后,图像非均匀性达到2.7%。该校正方法基本满足了对TDI-CCD拼接相机非均性校正的指标要求,算法有效实用。     

光电测量设备光学系统像面照度均匀性检测方法

提出了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的检测方法,该方法首先对被检设备的CCD标定,然后用给出的均匀性检测系统对整机光学系统检测。该检测系统利用积分球产生均匀背景光信号,将光测设备置于积分球通光口处,利用计算机采集CCD图像。根据CCD的标定结果,用两点多段校正算法对采集到的图像进行校正,通过对校正后的图像进行分析,得到像面照度的不均匀度。并且将图像分为多个区域,计算各个区域的灰度与像面中心区域灰度的比值,得出图像的灰度分布,实现了光电测量设备光学系统像面照度均匀性的室内检测。     

红外成像系统的非均匀性实时校正

针对红外相机系统响应非均匀性所产生的竖条纹固定噪声,提出了基于多线程优化的单帧红外图像非均匀性实时校正算法。该算法参考全变分理论的非均匀性校正算法确定噪声与图像输出之间的加性校正关系,建立了描述条纹噪声的数学模型;通过滤波算法将图像分为高频分量和低频分量,运用建立的条纹噪声模型,基于最小二乘法从高频部分中拟合出条纹噪声。最后,使用全变分理论确定的加性关系对图像进行校正。为了提高算法的计算速度,运用多线程技术对算法进行了优化。对提出的算法与MIRE(Midway Infrared Equalization)算法及传统双边滤波算法进行了图像质量评价和性能对比。结果显示:本文算法使图像非均匀性较原图降低了3%;算法效率与MIRE算法无异,系统运行时间在320×256的14位红外图像上为1.5ms/frame,达到了工程标准。     

基于线阵TDI CCD相机的辐射标定实验

光学遥感器辐射定标的任务是在遥感器的输入辐亮度和探测器数字化输出之间建立定量关系.地面上进行的定标是检验各项指标是否达到设计要求的手段,也为以后考察任务全过程内各项参量提供稳定性的初始数据.为了尽可能地获得最佳的最终图像,在地面必须进行精确的辐射标定.在中科院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室内用积分球做了辐射标定,标定了TID CCD响应的线性度、TDI CCD响应分别与增益和级数的关系以及暗电平的不均匀性、CCD响应的不均匀性,最后给出了非均匀性校正结果.     

CMOS图像传感器的γ射线电离辐照实验研究

为了研究核退役装备在核辐射环境下作业时图像监控设备的工作状态等数据,对用在核退役作业现场的某国产CMOS图像传感器进行γ辐照实验。采集得到辐照时的γ射线对CMOS图像传感器所输出的暗图像造成的干扰数据,并研究γ射线对CMOS图像传感器的性能参数影响。实验结果表明:辐射射线的总剂量效应使得传感器中暗电流增大,传感器输出的图像里脉冲颗粒噪声与平均灰度值会随着辐照剂量的变化而发生变化。     

空间光学遥感器的辐射传递特性与校正方法

由于受大气背景辐射和自身光电响应特性的影响,对地观测的空间光学遥感器所获取的原始数字图像与景物真实的辐射亮度图像相差甚远 ,为此,通过对光学传感器辐射定标,建立了入射辐射亮度与输出图像灰度间的辐射响应函数,来实现辐射亮度图像的反演和辐射校正。根据光学遥感器辐射传递转换过程,采用泰勒级数和矩阵函数模型描述了"辐射响应函数"的物理概念,并提出了多次回归分析求解矩阵方程获得辐射校正系数的方法。在进一步的实验中,结合积分球扩展辐射源对某型号民用相机进行实验室辐射定标,获得了该相机的辐射响应函数。实验结果表明,该方法可行且实用。最后,对实验获得"辐射响应函数"的物理意义以及辐射定标精度等问题进行了讨论。     

CMOS图像传感器光子转移曲线辐照后的退化机理

针对EMVA 1288标准测试辐照后互补金属氧化物半导体(CMOS)图像传感器的重要性能参数(光子转移曲线和转换增益)适用范围受限的问题,提出了针对辐照后CMOS图像传感器光子转移曲线和转换增益的改进的测试方法。该方法通过调整测试条件,限制辐照后CMOS图像传感器的暗电流和暗电流非均匀性噪声,求解出辐照后正确的器件性能参数,从而直观地得知辐照所引起的器件性能变化。利用该方法进行了实验测试,结果显示:辐照导致转换增益比辐照前退化了7.82%。依据此结果分析了辐照导致光子转移曲线和转换增益退化的机理,认为转换增益的退化是由于质子辐射引起的电离效应和位移效应导致暗电流、暗电流非均匀性增大所致。本文为掌握CMOS图像传感器的空间辐射效应提供了理论基础。     

基于红外焦平面阵列读出结构的非均匀校正算法

空间固定图案噪声严重影响了红外探测器的成像质量,它主要是由于焦平面阵列上各探测单元对于同一辐照的光电响应不完全一致所造成。另外,多通道图像数据采集电路的非均匀性更加重了这种噪声。本文提出了一种基于红外焦平面阵列读出结构的非均匀校正算法,它将校正过程分成两步。首先利用恒定统计方法滤除由通道放大器引起的固定图案噪声,然后再将处理结果通过改进的神经网络方法,进一步校正由探测器响应而产生的非均匀性。由于该算法是递推进行,并且具有收敛速度快、计算复杂度低等优点,因此易于工程实现。文中详细阐述了算法的基本原理及其流程,并用仿真数据和真实红外数据对算法性能进行验证,取得了较好的效果。     

Background intensity correction for terabyte‐sized time‐lapse images

Several computational challenges associated with large‐scale background image correction of terabyte‐sized fluorescent images are discussed and analysed in this paper. Dark current, flat‐field and background correction models are applied over a mosaic of hundreds of spatially overlapping fields of view (FOVs) taken over the course of several days, during which the background diminishes as cell colonies grow. The motivation of our work comes from the need to quantify the dynamics of OCT‐4 gene expression via a fluorescent reporter in human stem cell colonies. Our approach to background correction is formulated as an optimization problem over two image partitioning schemes and four analytical correction models. The optimization objective function is evaluated in terms of (1) the minimum root mean square (RMS) error remaining after image correction, (2) the maximum signal‐to‐noise ratio (SNR) reached after downsampling and (3) the minimum execution time. Based on the analyses with measured dark current noise and flat‐field images, the most optimal GFP background correction is obtained by using a data partition based on forming a set of submosaic images with a polynomial surface background model. The resulting image after correction is characterized by an RMS of about 8, and an SNR value of a 4 × 4 downsampling above 5 by Rose criterion. The new technique generates an image with half RMS value and double SNR value when compared to an approach that assumes constant background throughout the mosaic. We show that the background noise in terabyte‐sized fluorescent image mosaics can be corrected computationally with the optimized triplet (data partition, model, SNR driven downsampling) such that the total RMS value from background noise does not exceed the magnitude of the measured dark current noise. In this case, the dark current noise serves as a benchmark for the lowest noise level that an imaging system can achieve. In comparison to previous work, the past fluorescent image background correction methods have been designed for single FOV and have not been applied to terabyte‐sized images with large mosaic FOVs, low SNR and diminishing access to background information over time as cell colonies span entirely multiple FOVs. The code is available as open‐source from the following link https://isg.nist.gov/ .     

基于数字域TDI算法改进面阵CMOS图像传感器功能

为使面阵CMOS图像传感器具有TDI成像功能,研究了TDICCD的工作原理,提出了一种基于数字域的TDI算法,并讨论了如何利用FPGA实现该算法。该算法可在不改变CMOS器件构造的前提下,使其具有时间延迟积分功能。通过举例法推导出面阵CMOS图像传感器数字域TDI计算公式,并在此基础上优化了算法结构,优化后可以节省(m-1)(m-2)/2行内存空间。最后以航天相机为背景,讨论了地面像元分辨力、行转移时间与CMOS帧频的关系,通过一个算例计算出不同分辨力和积分级数条件下对CMOS帧频的要求。计算结果表明,帧频大于648frame/s的1280×1024CMOS,可以满足600km轨道高度下地面像元分辨力为1m的96级积分成像要求。     

红外图像非均匀性实时校正的新技术

介绍了红外图像非均匀校正的基本方法,并以多点校正方法为例,利用DSP硬件具有强大的运算能力及灵活的可编程性,自动完成了图像的非均匀性实时校正.给出了校正系统的构成,描述了校正方法的实现过程.用像元数为128×128的红外焦平面阵列进行了图像非均匀性实时校正实验,并对校正前后的图像进行了对比.实验结果达到了预期目的,表明基于DSP的红外图像非均匀性实时校正系统实现的校正方法简单,效果理想.     

遥感图像去云雾噪声的实现

为了去除相机拍摄的遥感图像中的云雾,提出了一种新的非局域均值算法来处理遥感图像序列中的云雾噪声。首先,根据遥感图像在云雾阴影下的梯度值的性质,得出了在云雾阴影下图像灰度值偏低而梯度值却变化不大的结论,从而在权重值的计算中耦合了梯度值信息。然后,利用序列图像的帧间冗余信息来计算新的权重值。最后,用新的权重值对图像进行恢复。用UltraCamD相机对在我国新疆地区和山西地区上空拍摄的两组遥感图像序列进行的实验表明:与传统的图像恢复算法相比,用提出的方法恢复图像可获得更好的图像质量;与原始图像相比,恢复后图像的峰值信噪比提高了9dB以上。实验结果表明,该算法可以在不知道云层运动方向和相机运动方向以及噪声模型的情况下有效地对薄云雾覆盖的遥感图像进行恢复。     

遥感成像中CCD拖影问题的处理

由于应用需要与工作环境的限制,在设计遥感传感器时侧重于系统的可靠性与稳定性,简化的设计在CCD的曝光触发和机械快门上存在缺陷,造成了CCD的拖影问题,使遥感数据与遥感图像产生了一定程度的失真。针对自研发遥感成像系统中的CCD拖影问题,提出了逆向逐行修正的方法,利用该方法修正遥感数据得到的遥感图像对比度和图像质量显著提高,图像细节予以呈现。     

基于变尺度形态学的遥感图像边缘检测算法

针对遥感图像的噪声问题,在数学形态学的基础上提出了一种利用结构元素尺度变换的边缘检测算法。首先利用腐蚀运算对图像降低噪声,然后利用膨胀运算填补腐蚀产生的空穴,在这个过程中采用不同尺度的结构元素,最后通过检测算子得到图像的边缘图。实验结果表明,与传统的边缘检测算法相比,该算法不仅具有较强的边缘提取能力,而且通过合理选择结构元素的尺度能明显降低噪声对检测结果的影响,准确检测出大多数遥感图像的边缘。     

遥感图像条带噪声的多尺度变分模型去除

多片CCD拼接遥感成像系统由于存在非均匀性问题,导致遥感图像中常存在条带噪声,本文在分析条带噪声的主要来源和模型的基础上,提出了多尺度变分模型的条带噪声去除方法。首先,分析了条带噪声的特点并建立了图像退化模型。其次,结合条带噪声的单向性特点与多尺度分层分解方法构造能量泛函。然后,利用不动点Gauss-Seidel迭代法多尺度分级极小化能量泛函,将条带噪声和图像有用信息分离。最后,对各尺度结构分量和细节分量进行累加,得到去噪图像。实验结果表明:对于周期条带噪声,图像畸变量为2‰,图像辐射质量提升到11.715dB;对于随机条带噪声,图像畸变量为3.3‰,图像辐射质量提升到11.092 5dB。与典型条带噪声去除方法相比,不管是周期条带噪声还是随机条带噪声,本文方法均能够在保证畸变量很小的情况下,将其完全去除,满足遥感图像低畸变量的预处理要求。     

高光谱图像分类的研究进展

高光谱图像分类是利用高光谱数据图谱合一且光谱信息丰富的特点,对图像中的每个像素进行分门别类,以达到对地物目标进行高精度分类和自动化识别的目的,是对地观测的重要组成部分。在分析高光谱图像特点的基础上,本文从普通机器学习和深度学习这两方面对高光谱图像像素级分类的研究进展及效果进行总结、评述和比较,通过具体实验的结果对比,直观地展现各种算法的优劣。针对高光谱分类问题,本文从两个方面对今后的研究方向及发展前景进行了分析和展望。一方面,在算法研究上,高光谱图像分类算法可在保证分类精度的前提下降低算法的复杂度,利用多源遥感数据、多特征综合、多尺度复合,提升小样本、少参数分类模型的分类精度,适应智能化、快速化高光谱遥感对地观测的发展要求;另一方面要紧密结合市场应用需求,重视高光谱图像在实际中的应用,研究具有市场竞争力的高效分类算法,提升高光谱图像分类在遥感技术应用领域的竞争力。