一种深空探测彩色相机在轨联合颜色定标方法

1.本发明涉及颜色定标技术领域，尤其涉及一种深空探测彩色相机在轨联合颜色定标方法。


背景技术：

2.深空探测成像技术是人类探索脱离地球引力场的太阳系以外未知空间的重要技术途径，尤其是深空探测彩色相机，具有获取标准人眼观察者图像，根据其颜色、纹理信息勘察地形地质构造、重建天体三维形貌等一系列重大的科学和工程意义。但由于深空环境的特殊性、相机自身颜色响应特性与人眼标准观察者不一致等原因，会导致图像出现色差。颜色定标是解决色差问题最科学有效的技术途径。然而，目前该领域正面临着地面定标系数在轨适应性差且无法使用在轨色标板的技术难点。
3.随着火箭运载能力和航天技术的不断发展，人造卫星已经从近地卫星逐渐迈向深空探测卫星，但目前国内的主要在轨定标方法大部分仍然只适用于近地卫星，比如高光谱微纳卫星中的高光谱相机，利用地面人工靶标进行在轨颜色定标；“高分二号”卫星通过敦煌定标场人工靶标和周边均匀地物进行在轨辐射定标；“资源一号”卫星采用地面多灰阶人工靶标在轨绝对辐射定标；“天绘一号”卫星以海洋为暗场、阿尔及利亚的沙漠为亮场，对搭载的高分辨相机、多光谱相机、三线阵相机进行了在轨相对辐射定标。以上的在轨定标方法均是基于地球戈壁、干盐、湖、沙漠、海洋、湖泊、云层、以及人工靶标等参考目标的场地进行定标，这些场地的辐射、颜色、几何信息均可通过地面实地测量获得先验信息，而对于深空探测而言，目标的相关信息是未知且没有先验的，因此目前大部分的近地卫星在轨定标方法并不能满足深空探测的需求。我国深空探测主要包括“嫦娥系列”卫星，但“嫦娥系列”卫星上的光学相机载荷仅进行了地面定标试验，没有在轨定标试验方法，例如文献“赵汝进，刘恩海，王进，余国彬.嫦娥三号卫星相机地形图像的彩色校正方法[j]. 宇航学报，2016，37(03):341-347，2011.”中设计了一种颜色定标与白平衡相结合的两步颜色校正方法，经地面验证达到了满意的效果，但其在轨适应性并不理想。发射深空探测卫星最多的国家是美国，其也通过大量在轨定标提高在轨测量精准度。比如火星表面“毅力号”、“好奇号”火星车均搭载有在轨色彩定标板，其中“毅力号”搭载了三个色标板；美国探月工程“阿波罗17号”拍摄月球表面图像是也是通过在轨色标板进行颜色定标。然而，对于非停留在星球表面的探测器而言，比如环绕卫星上的光学载荷，由于难以搭载在轨色标板而没有进行在轨颜色定标。比如火星勘测轨道器上的火星彩色成像仪，无在轨颜色定标，通过7个窄带滤光片(258~718nm)进行彩色复原；火星轨道“维京号”彩色相机，无在轨颜色定标，通过6个宽带滤光片(350~700nm)进行彩色复原。
[0004]
综上所述，国内外的深空探测卫星中，环绕器上的星载相机几乎没有在轨颜色定标方法。大部分现有在轨定标方法均是近地卫星以地表已知先验信息进行在轨定标，或是着陆器搭载在轨色标板进行定标。深空探测的在轨颜色定标技术成为当前的航天技术难点之一。
[0005]
因此，需要提出一种方法以提高深空彩色相机颜色定标的准确性和在轨适应性。


技术实现要素：

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为解决在轨无色标板以及光照环境变化复杂等情况导致的偏色问题，本发明根据在轨实际情况提出了一种深空探测彩色相机在轨联合颜色定标方法，该方法结合在轨光谱数据进行在轨定标，使得相机的观测效果与标准人眼观察者相一致。
[0007]
为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种深空探测彩色相机在轨联合颜色定标方法，包括如下步骤：s1、利用在轨的深空探测彩色相机拍摄1张星体表面图像，并获取其相机系统srgb颜色空间下的色度值n组，进而归一化为待校正色品值；s2、当深空探测彩色相机在轨对某一目标区域成像时，利用在轨探测器搭载的光谱仪获得相应的目标光谱数据；s3、根据s2所获得的目标光谱数据的光谱曲线，结合标准人眼视觉色彩响应函数，解算xyz颜色空间下的标准人眼响应色度值；s4、根据颜色空间转换公式，将s3所求得的人眼响应色度值转换为srgb颜色空间下的色度值，进而归一化为标准色品值；s5、将s1所获得的待校正色品值的数据与s4所求得的标准色品值的数据做数据拟合，利用最小二乘法初步求取颜色定标系数矩阵；s6、利用cie lab色差公式求解色差，得到色差权重矩阵，并通过色差权重矩阵重新优化颜色定标系数矩阵，直至得到满意的色差结果，得到最优的颜色定标系数矩阵；s7、将s6得到的颜色定标系数矩阵的定标系数作用于深空探测彩色相机在轨拍摄图像，反演出图像真实色彩。
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有益效果：本发明根据在轨实际情况提出了一种在轨联合颜色定标方法，该方法利用在轨光谱数据进行在轨定标，结合标准人眼响应函数，反演目标真实色彩，通过最小二乘数据拟合以及色差迭代优化方法求解出最优定标系数矩阵，使得相机的观测效果与人眼标准观察者相一致，解决了在轨无色标板、光照环境复杂等情况导致的色差大的问题，提高了颜色定标的准确性和在轨应用适应性。
附图说明
[0009]
图1为本发明的一种深空探测彩色相机在轨联合颜色定标方法流程图。
具体实施方式
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以下结合具体实施例对本发明作进一步详细描述。
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如图1所示，本发明的一种深空探测彩色相机在轨联合颜色定标方法，具体包括如下步骤：s1、利用在轨的深空探测彩色相机拍摄1张星体表面图像，并获取其相机系统srgb颜色空间下的色度值n组，对应n个像素，进而归一化为待校正色品值，以r通道为例，色度值归一化为色品值的计算方法均为：
，其中，r为r通道色品值，r、g、b分别为三个通道的色度值；s2、当深空探测彩色相机在轨对某一目标区域成像时，在轨探测器其他载荷——光谱仪也会对该区域进行探测，利用光谱仪获得n个像素相对应的目标光谱数据。
[0012]
设为波长，星体表面的反射光线的辐射光谱为，k为目标表面发出的总光功率与人眼入瞳接收到光功率的比例，则“标准人眼”接收到的光线的辐射光谱为：，s3、根据s2所获得的目标光谱数据的n组光谱曲线，结合标准人眼视觉色彩响应函数，解算xyz颜色空间下的标准人眼响应色度值。
[0013]
cie光谱三刺激值是cie以百位正常视觉者，用cie规定的红、绿、蓝三原色光，对等能光谱色从380～780nm所进行的专门性颜色混合匹配实验得到的，反映了“标准人眼”视觉的色彩响应特征。
[0014]
设cie三刺激值曲线函数为、、，则目标表面反射光线在“标准人眼”中的x、y、z响应、、分别为：,,,s4、根据xyz空间与srgb 空间之间的标准转换关系式，将s3所求得的人眼响应色度值转换为srgb颜色空间下的色度值，进而归一化为标准色品值。
[0015]“标准人眼”在srgb颜色空间下的响应函数、、为：，分别对、、求积分，得到人眼对目标的三色响应值，归一化可求得标准色品值。
[0016]
s5、图像真实色彩应无限接近“标准人眼”响应色彩，因此将s1所获得的待校正色品值的数据与s4所求得的标准色品值的数据做数据拟合，利用最小二乘法初步求取颜色定标系数矩阵。
[0017]
在最小二乘法误差约束下，可解算在色彩空间下颜色定标系数矩阵：,
其中，，为n组标准色品值；对应为第n组三通道标准色品值；，为n组待校正色品值；对应为第n组三通道待校正色品值；，为颜色定标系数矩阵，对应为r、g、b三通道定标系数。
[0018]
将得到的颜色定标系数矩阵作用于待校正色品值。
[0019]
s6、利用cie lab色差公式求解色差，得到色差权重矩阵，并通过色差权重矩阵重新优化颜色定标系数矩阵，直至得到满意的色差结果，得到最优的颜色定标系数矩阵，包括：先将rgb值转化为标准的xyz色度系统下的三刺激值x、y、z，再将x、y、z数据转换到lab颜色空间得到l、a、b值，其中l为明度因数，a和b为两个色度因数，根据以下公式计算色差：,其中，为标准颜色与校正后颜色的明度差，和为色度差。
[0020]
将s5得到的颜色定标系数矩阵作用于待校正色品值后求得其色差，得到色差权重矩阵，并利用下式重新优化颜色定标系数矩阵：，利用以上方法即可求得最优颜色定标系数矩阵c。
[0021]
s7、将s6得到的定标系数矩阵作用于深空探测彩色相机在轨拍摄图像：，由此反演出图像真实色彩，即为校正后符合人眼标准颜色响应的图像。
[0022]
本发明未详述部分属于本技术领域的公知技术。以上所述仅为本发明的具体实例而已，并不用于以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种深空探测彩色相机在轨联合颜色定标方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、利用在轨的深空探测彩色相机拍摄1张星体表面图像，并获取其相机系统srgb颜色空间下的色度值n组，进而归一化为待校正色品值；s2、当深空探测彩色相机在轨对某一目标区域成像时，利用在轨探测器搭载的光谱仪获得相应的目标光谱数据；s3、根据s2所获得的目标光谱数据的光谱曲线，结合标准人眼视觉色彩响应函数，解算xyz颜色空间下的标准人眼响应色度值；s4、根据颜色空间转换公式，将s3所求得的人眼响应色度值转换为srgb颜色空间下的色度值，进而归一化为标准色品值；s5、将s1所获得的待校正色品值的数据与s4所求得的标准色品值的数据做数据拟合，利用最小二乘法初步求取颜色定标系数矩阵；s6、利用cie lab色差公式求解色差，得到色差权重矩阵，并通过色差权重矩阵重新优化颜色定标系数矩阵，直至得到满意的色差结果，得到最优的颜色定标系数矩阵；s7、将s6得到的颜色定标系数矩阵作用于深空探测彩色相机在轨拍摄图像，反演出图像真实色彩。

技术总结
本发明公开了一种深空探测彩色相机在轨联合颜色定标方法，涉及颜色定标技术领域，该方法利用在轨光谱数据进行在轨颜色定标，结合标准人眼视觉色彩响应函数，反演目标颜色真值。通过最小二乘数据拟合以及色差迭代优化方法求解出最优定标系数矩阵，使得相机的观测效果与标准人眼观察者相一致。由于该定标方法为结合实时光谱数据进行解算，使其对光照环境具有自适应性。本发明解决了在轨无色标板、光照环境复杂等情况所导致的严重偏色的问题，提高了颜色定标的准确性和在轨适应性。了颜色定标的准确性和在轨适应性。了颜色定标的准确性和在轨适应性。


技术研发人员：赵汝进 刘赛男 曾骏哲 乔丽 马跃博 余国彬 刘恩海
受保护的技术使用者：中国科学院光电技术研究所
技术研发日：2023.07.20
技术公布日：2023/8/21