多光譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種多光譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，尤其涉及一種8通道多光譜成像數(shù)據(jù) 處理系統(tǒng)，屬于多光譜成像領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 多光譜成像系統(tǒng)一般包括以下幾個(gè)模塊：多通道光譜圖像獲取模塊（即光學(xué)系 統(tǒng)）、光譜圖像處理模塊、光譜分析與模式識(shí)別等應(yīng)用模塊。
[0003] 美國的 Munsell 實(shí)驗(yàn)室（1996)、法國的 ENST 研究機(jī)構(gòu)（'Ecole Nationale Sup ' erieure des T ' el ecommunications，1997)、日本的東京理工學(xué)院（Tokyo Institute of Technology，1999)、日本的千葉大學(xué)（Chiba University of Japan，1999)、 意大利的錫耶納大學(xué)（University of siena，1999)、英國的德比大學(xué)（University of Derby，2001)等研究機(jī)構(gòu)也紛紛推出了自己的多光譜成像硬件系統(tǒng)。在對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，最 典型的就是1999年12月18日美國NASA的對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星TERRA發(fā)射并搭載的中等分辨 率的多光譜成像儀M0DIS，目前正在多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。二十世紀(jì)九十年代末 以來，成像光譜技術(shù)的研究出現(xiàn)了一個(gè)重要趨勢(shì)：由色散型轉(zhuǎn)向干涉型。遙感用干涉成像 光譜技術(shù)中，獲取像素輻射干涉圖的方法主要有三種：邁克爾遜干涉法、偏振干涉法和共路 (Sagnac)干涉法以及分波前干涉法。其中邁克爾遜干涉儀使用邁克爾遜的干涉方法通過 動(dòng)鏡機(jī)械掃描，產(chǎn)生物面像素輻射的時(shí)間序列干涉圖，對(duì)干涉圖進(jìn)行Fourier變換，便得到 相應(yīng)物面像素輻射的光譜圖。它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、準(zhǔn)直鏡、分束器、動(dòng)鏡、靜鏡、成像鏡 和探測(cè)器組成。兩相干光束的最大光程差取決于動(dòng)鏡的最大可移動(dòng)長(zhǎng)度，通過動(dòng)鏡的移動(dòng) 可以獲得很大的最大光程差，而光譜分辨力又與最大光程差成正比，從而邁克爾遜型干涉 光譜儀可以實(shí)現(xiàn)相當(dāng)高精度的光譜測(cè)量。共路（Sagnac)干涉法的原理為：前置光學(xué)系統(tǒng)將 目標(biāo)成像在準(zhǔn)直系統(tǒng)的像方焦平面上，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡的光線由分光板分為兩束光，光線經(jīng)過 Sagnic系統(tǒng)反射形成具有一定光程差的干涉光。經(jīng)探測(cè)器收集得到干涉圖像。所得干涉圖 像經(jīng)傅立葉變換即可得到目標(biāo)景物光譜圖像。
[0004] 偏振型干涉成像光譜儀不同于邁克爾遜干涉儀它是利用雙折射偏振干涉方法，在 垂直于狹縫（用于在推掃型儀器中選出目標(biāo)上的一個(gè)行）的方向同時(shí)產(chǎn)生物面像素幅射的 整個(gè)干涉圖。該裝置無運(yùn)動(dòng)部件，結(jié)構(gòu)緊湊，抗外界擾動(dòng)和震動(dòng)能力強(qiáng)，并且屬空間調(diào)制，實(shí) 時(shí)性好，因此可用于測(cè)量光譜和空間變化的目標(biāo)。
[0005] 層析成像光譜儀（Computed-tomography Imaging Spectrometer，簡(jiǎn)稱 CTIS)將 成像光譜圖像數(shù)據(jù)立方體視為三維目標(biāo)，利用特殊的成像系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)立方體在不同方向 上的投影圖像，然后利用層析算法重建出數(shù)據(jù)立方體。計(jì)算層析（CT)的基本數(shù)學(xué)原理早在 1917年就由奧地利數(shù)學(xué)家Johann Radon闡明；其基本思想是：一個(gè)較高維度的函數(shù)分布可 以由它的一系列較低維度的投影函數(shù)來重建?；谶@一原理，二十世紀(jì)60年代以來，CT被 大量成功地應(yīng)用在與醫(yī)學(xué)和工業(yè)有關(guān)的圖像檢測(cè)領(lǐng)域。
[0006] 在我國，近年來多光譜成像硬件系統(tǒng)的研究開發(fā)主要集中在航空航天遙感對(duì)地觀 測(cè)和顯微光譜成像等領(lǐng)域，并且已經(jīng)逐步在上述領(lǐng)域逐步得到應(yīng)用。但是由于光學(xué)加工水 平、器件來源等方面的原因，我國的多光譜成像系統(tǒng)的硬件制作水平與國際先進(jìn)水平仍有 一定差距。在成像數(shù)據(jù)方面也存在經(jīng)驗(yàn)不足，應(yīng)用無法展開的問題。因而還有待改進(jìn)和提 尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 鑒于上述現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供一種能夠?qū)Χ喙庾V成像數(shù) 據(jù)進(jìn)行處理的系統(tǒng)。
[0008] 為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術(shù)方案：
[0009] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的多光譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)包括前置光學(xué)系統(tǒng)、光 譜分光器、圖像傳感器、圖像采集卡、采樣控制及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、采樣控制和數(shù)據(jù)處理軟 件系統(tǒng)。
[0010] 本發(fā)明提供的8通道多光譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，包括前置光學(xué)系統(tǒng)、光譜分光器、 圖像傳感器、圖像采集卡、采樣控制及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、采樣控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)，八 通道多光譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)程序的控制下運(yùn)行，具有可視化操作界面；采集的 原始光譜圖像數(shù)據(jù)以通用圖像文件格式保存在計(jì)算機(jī)的磁盤中以供配套軟件做進(jìn)一步處 理，硬件技術(shù)指標(biāo)為：
[0011] 光譜測(cè)量范圍：可見光420nm-780nm，近紅外940nm
[0012] 光譜圖像通道數(shù)：8
[0013] 光譜分辨率：全光譜范圍的光譜曲線由8個(gè)8nm窄帶采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合而成
[0014] 圖像數(shù)據(jù)：768 X 576像素
[0015] 輸出光譜數(shù)據(jù)：目標(biāo)的光譜反射率
[0016] 數(shù)據(jù)量化精度：8-bit
[0017] 采樣速度：8通道數(shù)據(jù)立方體小于500ms
[0018] 光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)：12〇 ;
[0019] 所述前置光學(xué)系統(tǒng)采用固定焦距的可見光C⑶物鏡，對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行成像，根 據(jù)測(cè)量及距離、市場(chǎng)大小以及圖像傳感器的尺寸選擇場(chǎng)參數(shù)，所述參數(shù)為：
[0020] 型號(hào)：RICOM ES2514MC
[0021] 焦距=25mm
[0022] F/數(shù)=1.4
[0023] 視場(chǎng) 12〇 ;
[0024] 所述光譜分光器由8種不同波長(zhǎng)的窄帶干涉濾光片組成，覆蓋可見光和近紅外波 段，所述窄帶干涉濾光片分別安裝在8個(gè)通道的光學(xué)鏡頭前部；
[0025] 所述圖像傳感器采用8個(gè)黑白CCD攝像頭作為8個(gè)光譜通道的圖像采集，標(biāo)準(zhǔn)模 擬視頻輸出，具體參數(shù)如下：
[0026] 型號(hào)：23K9HC(黑白），
[0027] 靶面尺寸：l/3-inch
[0028] 圖像規(guī)格：795 (H) X 596 (V)
[0029] 工作波段：可見光及近紅外
[0030] 標(biāo)準(zhǔn)復(fù)合視頻輸出（25幀/秒）；
[0031] 所述圖像采集卡將圖像傳感器的模擬視頻信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字圖像信號(hào)；總共采用了 兩塊四通道并行PCI總線圖像采集卡，直接由計(jì)算機(jī)進(jìn)行控制，具體參數(shù)如下：
[0032] 型號(hào)：Microview V410
[0033] 像素：768X576X24bit (黑白彩色兼容）
[0034] 視頻輸入：四路并行標(biāo)準(zhǔn)視頻輸入
[0035] 視頻輸入為標(biāo)準(zhǔn)PAL、NTSC等信號(hào)制式
[0036] PCI總線控制四路實(shí)時(shí)采集/顯示；
[0037] 所述采樣控制機(jī)數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)為便攜式工控計(jì)算機(jī)，其中，CPU為P4處理器，主 板自帶多個(gè)PCI總線插槽，用于安裝兩塊V410圖像采集卡；操作系統(tǒng)為Windows XP ;采用 Visual Basic平臺(tái)自行編制圖像采集與處理軟件；
[0038] 所述采樣控制機(jī)數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)包括圖像采集模塊、多窗口模塊、圖像配準(zhǔn)模 塊和光譜分析模塊，其中，
[0039] 圖像采集模塊在用戶的監(jiān)控和操作下實(shí)時(shí)采集目標(biāo)的8個(gè)通道的圖像；單獨(dú)采集 1個(gè)數(shù)據(jù)立方體或者連續(xù)采集多個(gè)數(shù)據(jù)立方體；同時(shí)具有數(shù)據(jù)存盤功能；此外還有GPS信息 以及其它信息存取功能，一個(gè)數(shù)據(jù)立方體即8幅圖像的采樣周期約500ms ;
[0040] 多窗口像模塊用于在計(jì)算機(jī)屏幕上同時(shí)觀察8個(gè)通道的目標(biāo)圖像；它具有同時(shí)顯 示8幅小圖像的窗口，即顯示多光譜成像儀的通道1~8的圖像；
[0041] 圖像配準(zhǔn)模塊用于對(duì)已采集的8通道圖像進(jìn)行空間幾何位置配準(zhǔn)，為后續(xù)的光譜 提取、圖像融合和顏色計(jì)算做好準(zhǔn)備；
[0042] 圖像分析模塊對(duì)已經(jīng)配準(zhǔn)的8通道圖像進(jìn)行光譜提取、圖像融合和顏色計(jì)算。獲 得圖像中任意一點(diǎn)的光譜反射率以及顏色參數(shù)。
[0043] 本發(fā)明提供的8通道多光譜成像光譜儀軟件系統(tǒng)采用窗口模式，由程序主界面、 圖像采集界面、多窗口界面、圖像配準(zhǔn)界面和光譜分析界面構(gòu)成，簡(jiǎn)單實(shí)用易于操作。在技 術(shù)上彌補(bǔ)了國內(nèi)的相關(guān)技術(shù)空白。
【附圖說明】
[0044] 圖1為采樣控制及數(shù)據(jù)處理軟件各模塊邏輯關(guān)系示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 本發(fā)明提供一種多光譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)以及8通道多光譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)， 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn) 一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā) 明。
[0046] 實(shí)施例一
[0047] 本實(shí)施例公開的多光譜成像數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，由前置光學(xué)系統(tǒng)、窄帶濾光片、CCD傳 感器、圖像采集卡、采樣控制及數(shù)據(jù)處理計(jì)算機(jī)、采樣控制和數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)等部分組 成。其主要特點(diǎn)是8個(gè)通道并行工作，從而有利于實(shí)時(shí)捕捉運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的多光譜圖像數(shù)據(jù)。整 個(gè)系統(tǒng)在計(jì)算機(jī)程序的控制下運(yùn)行，具有可視化操作界面；采集的原始光譜圖像數(shù)據(jù)以通 用圖像文件格式保存在計(jì)算機(jī)的磁盤中以供配套軟件做進(jìn)一步處理。
[0048] 本系統(tǒng)的硬件技術(shù)指標(biāo)
[0049] 光譜測(cè)量范圍：可見光420nm-780nm，近紅外940nm
[0050] 光譜圖像通道數(shù)：8
[0051] 光譜分辨率：全光譜范圍的光譜曲線由8個(gè)8nm窄帶采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)擬合而成
[0052] 圖像數(shù)據(jù)：768 X 576像素
[0053] 輸出光譜數(shù)據(jù)：目標(biāo)的光譜反射率
[0054] 數(shù)據(jù)量化精度：8-bit
[0055] 米樣速度：8通道數(shù)據(jù)立方體小于500ms
[0056] 光學(xué)系統(tǒng)視場(chǎng)：12〇
[0057] 1.前置光學(xué)系統(tǒng)
[0058] 前置光學(xué)系統(tǒng)用于對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)進(jìn)行成像，主要根據(jù)測(cè)量及距離、市場(chǎng)大小以及 圖像傳感器的尺寸選擇場(chǎng)參數(shù)。本課題采用固定焦距的可見光CCD物鏡，主要參數(shù)如下：
[0059] 型號(hào)：RICOM ES2514MC
[0060] 焦距=25mm
[0061] F/數(shù)=1.4
[0062] 視場(chǎng) 12〇
[0063] 2.光譜分光器
[0064] 由8種不同波長(zhǎng)的窄帶干涉濾光片組成，覆蓋可見光和近紅外波段；它們被分別 安裝在8個(gè)通道的光學(xué)鏡頭前部；中心波長(zhǎng)和帶寬（FWHM)參數(shù)如下表所示。
[0066] 上述8個(gè)窄帶干涉濾光片的中心波長(zhǎng)是根據(jù)以下原則確定的：
[0067] (1)8個(gè)通道盡可能覆蓋整個(gè)可見光到近紅外波段，但