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畫面的優化之旅：相機探測器非均勻性校正的奇妙之道
發布時間： 2025-02-12 點擊次數： 790次紅外焦平面陣列是目前紅外成像系統的主要探測器件。由于制造工藝的差別、放大電路以及環境溫度等原因，會導致探測器每一個像元對光的響應產生差距，表現為圖像中不同區域的亮度或色彩表現不一致，進而影響實際的成像效果，這就是非均勻性。
簡單來說，我們將相機對著一個均勻場景進行拍照的時候，假定場景理想均勻，所有像素的灰度值也并非一致。直觀來說，紅外圖像中的不規則條紋就是紅外焦平面陣列非均勻性的體現。
短波紅外相機的“非均勻性校正"是指對短波紅外相機成像中存在的非均勻性進行校正和補償的過程。非均勻性校正的目的是消除或減小這種非均勻性對最終圖像質量的影響，以確保相機輸出的圖像在不同位置或條件下具有較為一致的性能和表現。
當探測器不加任何校正算法時，所拍攝的圖像如下圖1所示。從這個圖片我們可以清楚的看到豎條紋，這便是非均勻性的直觀表現。這種非均勻性嚴重影響到了正常的成像，這顯然是不符合我們觀測和拍攝的要求。
圖1 不加校正的原圖
為了提高圖像的質量，改善視覺效果，我們使用算法對非均勻性進行校正，讓探測器的每個像元的響應接近一致，于是得到下圖。
圖2 校正后場景圖像
將圖1和圖2進行對比，可以明顯看到場景的成像效果得到改善，符合我們正常的觀測效果。對于普通場景拍攝就有如此大的差異，更不用說短波相機在天文學、成像醫學、材料科學等領域的應用，所追求的成像要求更加嚴格，這便是非均勻性校正的必要性。
接下來，我們將展示非均勻性校正對于探測器成像的影響。我們在暗場條件下，采集相機的本底圖片，可以明顯的看到很多豎條紋（圖3），這便是探測器響應的不一致性；而進行非均勻性校正之后，豎條紋全部消失（圖4）。
圖3 均勻性很差的本底圖像
圖4 校正后的本底圖像
通過采集多張灰度圖像，作為校正數據進行一系列處理后，我們使用這些校正數據對探測器的響應進行理論計算，對圖像中的不同區域進行灰度調整，最終得到圖4的效果。
無論是從直觀感受還是理論數值上，都可以明顯看到非均勻性校正對改善成像的重要意義。
我們以圖3和圖4為例，當對同一行的像素進行橫向灰度截取，得到如下兩張圖片。
圖5 校正前的橫向灰度變化
圖6 校正后的橫向灰度變化
由上圖可以看到，校正前的灰度范圍更大，變化更為雜亂；而校正后灰度范圍較小，且整體更緊湊。圖5表現的很像泛起的波浪，變化十分的劇烈；而圖6表現的更加平靜，變化趨勢較小。
相機非均勻性校正對于各種圖像應用都具有重要意義，是現代成像技術中重要的一環，它通過消除圖像中的非均勻性，提高了圖像的質量和可靠性，為各種應用提供了更加優質和精準的成像工具。隨著圖像處理技術的不斷發展，相信相機非均勻性校正將在更多領域展現出其重要價值。
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以下是2024年7月17日19:00使用我司短波紅外相機拍攝的終南山短波紅外成像視頻。
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