(57)【要約】  システムおよび方法は、衛星撮像システムによって提供されるオリジナルのデジタル数（ＤＮ）を処理して、スペクトル・バランスをとり、コントラストを改良した一組のマルチスペクトル画像を作成する。スペクトル・バランシングは、大気効果の補正とともに、撮像システムのセンサの物理的特性に基づいて達成される。マルチスペクトル帯域のＤＮは、そのような画像を作成するために別途必要とされる比較的少量の処理資源を使用して、処理される。そのような画像は、完全に自動で処理され、比較的簡単な視覚的解釈を提供する。各画像ピクセルは、例えば８ビットか、または１６ビットの形式であり、画像は、任意のさらなる色補正および／またはコントラスト・ストレッチを適用されずに、表示および／または印刷される。
2008527766.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
改良したデジタル画像を作成する方法であって、
撮像データの複数のピクセルであって、各ピクセルがデジタル数を備える、複数のピクセルを撮像システムから受信すること、
該複数のピクセルの各々の該デジタル数を処理して、該複数のピクセルのデジタル数の分布を判定すること、
該分布に基づいて、該複数のピクセルの各々のスペクトル放射輝度を判定すること、を備える、改良したデジタル画像を作成するための方法。
【請求項２】
前記受信することは、
複数の撮像センサから撮像データのデジタル数の複数の帯域を受信すること
を備える、請求項１に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項３】
前記複数の撮像センサは、
青色帯域撮像センサと、
緑色帯域撮像センサと、
赤色帯域撮像センサと、
近赤外帯域撮像センサと
を備える、請求項２に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項４】
前記受信することは、
前記撮像システムの複数の撮像センサから、撮像データの複数の大気上端デジタル数を受信すること、
前記撮像センサのうちの第１撮像センサの該大気上端デジタル数を、該第１撮像センサの公知のセンサ特性に基づいて調整すること
を備える、請求項１に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項５】
前記デジタル数を処理することは、
前記デジタル数の分布の下方分布カットオフを判定すること
を備える、請求項１に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項６】
前記下方分布カットオフは、累積分布の０．１％に設定される、請求項５に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項７】
前記下方分布カットオフは、前記デジタル数が光路スペクトル放射輝度を示す累積分布の中のポイントに基づく、請求項５に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項８】
前記スペクトル放射輝度を判定することは、
前記下方分布カットオフに関連したデジタル数を、前記複数のデジタル数から差し引くこと
を備える、請求項５に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項９】
前記下方分布カットオフに関連したデジタル数の値を判定すること、
前記下方分布カットオフに関連した該デジタル数が所定の最大値よりも少ない場合に、前記下方分布カットオフに関連した該デジタル数を、前記複数のデジタル数の各々から差し引くこと
をさらに備える、請求項５に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項１０】
前記下方分布カットオフに関連した前記デジタル数が前記所定の最大値よりも大きい場合に、前記所定の最大値を、前記複数のデジタル数の各々から差し引くこと
をさらに備える、請求項９に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項１１】
前記デジタル数の分布のメジアンを判定すること、
前記改良したデジタル画像のための目標輝度値を判定すること、
前記デジタル数のうちの少なくとも部分集合を調整して、デジタル数の、該目標輝度値に実質的に等しいメジアンを有する第２分布を生成すること
をさらに備える、請求項１に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項１２】
前記複数のピクセルを受信することは、
複数の撮像センサから、撮像データのピクセルの複数の帯域を受信すること
を備える、請求項１１に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項１３】
前記撮像データの分布のメジアンを判定することは、
撮像データの前記帯域の各々のデジタル数を処理して、撮像データの前記複数の帯域の各々についてデジタル数の分布を判定すること、
前記デジタル数の分布の各々のメジアンを判定すること、
該メジアンの平均を計算すること
を備える、請求項１２に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項１４】
前記スペクトル放射輝度を判定することは、デジタル画像のシーン・コンテントから独立して実行される、請求項１に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項１５】
前記スペクトル放射輝度を判定することは、前記撮像データの物理的基準に基づいて実行される、請求項１に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項１６】
複数のピクセルを備える衛星画像であって、
複数の入力デジタル数の各々のスペクトル放射輝度の強さを判定すること、
該スペクトル放射輝度の強さを処理して、入力デジタル数の分布を判定すること、
該分布に基づいて、複数のピクセルの各々の出力デジタル数を計算すること
によって判定される出力デジタル数を各ピクセルが有する、を備える衛星画像。
【請求項１７】
前記強さを判定することは、
複数の撮像センサから、入力デジタル数の複数の帯域であって、各帯域が関連する撮像センサによって受信されるスペクトル放射輝度を表す、入力デジタル数の複数の帯域を受信すること、
該帯域毎に、該入力デジタル数の各々についてのスペクトル放射輝度の強さを判定すること
を備える、請求項１６に記載の衛星画像。
【請求項１８】
ピクセルのそれぞれに帯域に関連した撮像センサの公知の非線形応答に基づき、ピクセルの前記帯域のうちの任意の所与の帯域の、少なくとも前記デジタル数の部分について前記スペクトル放射輝度の強さを補正すること
をさらに備える、請求項１７に記載の衛星画像。
【請求項１９】
前記デジタル数の前記部分は、前記撮像センサについてのセンサ・ロールオフに関連したデジタル数よりも大きいデジタル数である、請求項１８に記載の衛星画像。
【請求項２０】
前記補正することは、
前記帯域のピクセルのためのデジタル数が所定のデジタル数よりも大きいことを第１に判定すること、
残りの帯域から前記ピクセルに関連したデジタル数を第２に判定すること、
前記第２に判定することからのデジタル数に基づき、補正されたデジタル数を計算すること
を備える、請求項１８に記載の衛星画像。
【請求項２１】
前記強さを判定することは、
撮像データの前記ピクセルの各々に関連した入力大気上端デジタル数を受信すること、
公知の撮像センサ特性に基づいて該入力大気上端デジタル数を調整すること
を備える、請求項１６に記載の衛星画像。
【請求項２２】
前記値を計算することは、デジタル画像のシーン・コンテントから独立して実行される、請求項１６に記載の衛星画像。
【請求項２３】
前記値を計算することは、前記撮像データの物理的基準に基づいて実行される、請求項１６に記載の衛星画像。
【請求項２４】
色を改良した画像を関係のあるエンティティに向けて搬送するための方法であって、
複数のピクセルを含む画像であって、各ピクセルが複数の入力デジタル数に関連したスペクトル放射輝度値の分布に基づいて判定された出力デジタル数を有する、複数のピクセルを含む画像を、コンピュータ・ネットワークの一部を介して搬送すること
を備える方法。
【請求項２５】
前記出力デジタル数は、前記入力デジタル数の前記分布の輝度のメジアンにさらに基づく、請求項２４に記載の方法。
【請求項２６】
前記画像はピクセルの複数の帯域を含み、該複数の帯域の各々が複数のピクセルを有し、各ピクセルがピクセルの帯域に関連した入力デジタル数の分布に基づいて判定された出力デジタル数を有する、請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
帯域は、前記帯域に関連した撮像センサの公知の非線形性に基づいて補正された複数のデジタル数を含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記出力デジタル数は、光路スペクトル放射輝度を前記入力デジタル数の各々の値から差し引くことによって判定される、請求項２４に記載の方法。
【請求項２９】
前記光路スペクトル放射輝度は、入力デジタル数の前記分布に基づいて判定される、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記画像は、前記複数の入力デジタル数に関連したスペクトル放射輝度値の分布に基づいて判定され、前記複数の入力デジタル数の各々の値にストレッチを適用することによってコントラストを改良した出力デジタル数を各々が有する複数のピクセルからなる、請求項２４に記載の方法。
【請求項３１】
前記ストレッチは、入力デジタル数の前記分布のメジアンと、デジタル画像のための目標輝度値と、入力デジタル数の前記分布についてのパーセンタイルの上限および下限とに基づいて判定される、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
改良したデジタル画像を作成するための方法であって、
撮像システムから複数のデジタル数の撮像データを受信すること、
該複数のデジタル数の各々のスペクトル放射輝度の強さを判定すること、
前記スペクトル放射輝度の強さを処理して、スペクトル放射輝度の強さの分布を判定すること、
該分布に基づいて該複数のデジタル数の各々を第１に調整して、調整された値のスペクトル放射輝度デジタル数を作成すること、
該複数のデジタル数の各々のために調整された値のスペクトル放射輝度デジタル数を処理して、該複数のスペクトル放射輝度デジタル数のための第１に調整された分布を判定すること、
該第１に調整された分布を評価して、調整された値の範囲と調整された値の該範囲のメジアンとを判定すること、
該複数のスペクトル放射輝度デジタル数のうちの少なくとも部分集合の値を第２に調整して、第２に調整された分布を作り出すことを備え、該第２に調整された分布のメジアンが目標メジアンと一致し、該第２に調整された分布の範囲が目標範囲に一致する、改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項３３】
前記受信することは、前記撮像システム内の複数の撮像センサから、デジタル数の複数の帯域であって、各帯域が関連する撮像センサによって受信されるスペクトル放射輝度を表す、デジタル数の複数の帯域を受信することを備え、
前記判定することは、ピクセルの前記帯域毎に、該デジタル数の各々についてのスペクトル放射輝度の強さを判定することを含む、請求項３２に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項３４】
ピクセルの前記帯域のうちの第１帯域についての前記デジタル数の少なくとも一部に対して、スペクトル放射輝度の前記強さを、前記第１帯域に関連した前記撮像センサのうちの公知の撮像センサの非線形応答に基づいて補正すること
をさらに備える、請求項３３に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項３５】
前記デジタル数の前記部分は、前記第１撮像センサについてのセンサ・ロールオフに関連したデジタル数よりも大きいデジタル数である、請求項３４に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項３６】
前記補正することは、
前記第１帯域の第１ピクセルのための第１デジタル数が所定のデジタル数よりも大きいことを第１に判定すること、
残りの帯域から該第１ピクセルに関連したデジタル数を第２に判定すること、
該第２に判定することからのデジタル数に基づいて補正された第１デジタル数を計算すること
を含む、請求項３４に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項３７】
前記第１に調整することは、前記デジタル画像のシーン・コンテントから独立して実行される、請求項３２に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項３８】
前記第１に調整することは、前記撮像データの物理的基準に基づいて実行される、請求項３２に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【請求項３９】
前記第１に調整することは、前記デジタル数が光路スペクトル放射輝度を示すスペクトル放射輝度の強さの累積分布のポイントに基づく、請求項３２に記載の改良したデジタル画像を作成する方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はデジタル画像を改良することに関し、より詳細には遠隔感知プラットフォームから得られたマルチスペクトル・デジタル画像の色とコントラストとを改良することに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般化された方法では、デジタル画像とは、各々の配列要素またはピクセルが撮像センサによって測定される見かけの輝度を表す、１つまたは複数の２次元の数値配列のセットである。各ピクセルにおける輝度値は、デジタル数（ＤＮ）と呼ばれる整数によって表される。デジタル画像は通常、電磁スペクトルの可視及び赤外域の像を収集する遠隔撮像システムによって生成される。そうしたシステムから収集された画像は、民間と政府との両方のカスタマによって、多数のアプリケーションで使用される。
【０００３】
デジタル像を収集する場合、撮像領域からの電磁エネルギーの特定の帯域が、複数の撮像センサで共通に収集される。例えば、多くの撮像システムで、赤色光帯域、緑色光帯域、青色光帯域および近赤外帯域などの電磁エネルギーの複数のスペクトル帯域は撮像センサで収集される。撮像システムはまた、可視帯域の中および／または中赤外（別名短波赤外）帯域の中のその他のスペクトル帯域も含む。そのようなシステムから作成された画像は、マルチスペクトル・デジタル画像と呼ばれる。そのような場合、ＤＮ値のセットは、マルチスペクトル・デジタル画像の各々の行及び列位置に、各スペクトル帯域に割り当てられた１つのＤＮ値が存在する。各ＤＮが、画像の関連したピクセル位置における関連したスペクトル帯域中の画像の相対輝度を表す。マルチスペクトル・デジタル画像を作成する場合、撮像センサからのデータは収集され、処理され、画像が作成される。画像は通常、スペクトル帯域の各々からの像を含むマルチスペクトル画像ファイルとしてカスタマに提供される。各帯域は、例えば撮像されるシーンの領域で、それぞれのセンサで収集された放射輝度を表す８ビットまたは１１ビットの放射輝度スケール上のＤＮを含む。ユーザによって必要とされるアプリケーションのために役立つ、画像を作成するために各帯域からのデータを処理する方法が、複数存在している。画像内の特徴について正確な色とコントラストを有する画像を提供するために、データは処理される。
【０００４】
特定の撮像センサから作成されるＤＮ値は、関連したビットの深度によって、画像ソース毎に変化する限られた範囲を有する。通常使用されるビットの深度は８ビットと１１ビットであり、その結果、ＤＮの範囲はそれぞれ０〜２５５と、０〜２０４７となる。デジタル画像は一般に、ラスタ・ファイルに記憶されるか、またはコンピュータ・メモリの中のラスタ配列として記憶される。ラスタは基数２の単純な累乗であるビット深度を使用するので、画像ＤＮは８ビットおよび１６ビットのものが普通であるが、１、２、４、８または１６ビットを有するラスタの中に記憶される。存在していない画像データ（例えば０，２５５および／または２０４７）を表すために、特別なＤＮ値を予約しておくことがよく行われている。対応するピクセルはブラックフィル（ｂｌａｃｋｆｉｌｌ）と呼ばれる。従って、実際の画像データは１と２５４との間か、または１と２０４６との間のＤＮを有することになる。
【０００５】
撮像システムによる収集に続いて、デジタル画像は一般に改良される。デジタル画像において改良とは、ソース画像のＤＮが、それらのその後の使用に関して付加された値を有する新たなＤＮに変換されることである。一般に、像の各帯域からのデータは、各帯域について調整された色を提供するために、公知のセンサと大気の特性に基づいて改良する。画像はその後、画像内の特徴の間の改良された視覚的コントラストを提供するために、コントラスト・ストレッチ（ｃｏｎｔｒａｓｔ  ｓｔｒｅｔｃｈｅｄ）が実行される。一般に、コントラスト・ストレッチを実行する場合、特定の帯域内の各ピクセルからの平均放射輝度がヒストグラムに配置され、ヒストグラムの分布はピクセルが利用可能なＤＮの全範囲に伸張される。例えば、各帯域が８ビットの放射輝度スケール上のＤＮを含む場合、これはＤＮの範囲が０〜２５５との間であることを表す。シーンからのＤＮはその後、この可能なＤＮ値の全範囲を使用するために調整され、および／またはシーンからのＤＮは、可能なＤＮ値の中点値を中心としたＤＮの分布を得るために調整される。一般に、通常のコントラスト・ストレッチ・アルゴリズムを使用して達成されるコントラスト・ストレッチの視覚的品質は、シーンのコンテントに大きく左右される。多くのコントラスト・ストレッチ・アルゴリズムは像の色のコンテントを変え、その結果シーンの中で不確かな色のコンテントが生じる。例えば、ＤＮの分布が可能なＤＮ値の範囲内の中央にない場合、そのようなコントラスト・ストレッチはＤＮを歪ませ、その結果色の偏りが生じ、建築物を含む画像では、家屋が間違った色のものとして現れる。さらに、所与の画像にどのストレッチを適用するのかを判定することが難しいことがよくある。ユーザは、所与の画像に適用する標準汎用品（Ｃｏｍｍｅｒｃｉａｌ  Ｏｆｆ  Ｔｈｅ  Ｓｈｅｌｆ）（ＣＯＴＳ）のストレッチを選択する場合、許容可能なコントラストおよび許容可能な色バランスの間で、妥協点のバランスをとることがよくある。ユーザが色の歪みに慣らされていると思われるアプリケーションでは役に立つ一方で、ユーザがそのような色の歪みに慣らされていないアプリケーションでは、ユーザがそのような色の歪みに慣らされていないアプリケーションに対するカスタマの不満に結びつくかもしれない。例えば、デジタル像の分析を専門とする会社の従業員はそのような色の歪みに慣れているが、関心のある地球上の位置の衛星画像を探している私用の個人は、そのような色歪みを許容しがたいと思うかもしれない。
【０００６】
画像の色を保つ、デジタル画像のコントラストを改良するためのその他の方法が使用される。そのような方法は色を保つ一方で、一般に非常にコンピュータ集約的であり、上で説明されたコントラスト・ストレッチと比較すると、かなりの量の追加処理を必要とする。例えば、ＣＯＴＳのストレッチ・アルゴリズムの不備のせいで、画像は所望の結果を達成するために、画像ヒストグラムを操作することによって手動でストレッチされる。これは非常に時間のかかる、労働集約的な作業となる。色を保つコントラスト・ストレッチを実行するためのその他の方法は３つの作業に従ったものである。はじめに、処理システムはＲＧＢデータを色相明度彩度（ＨＩＳ）色空間に変換する。次にコントラスト・ストレッチは、ＨＩＳ色空間内のＩ（明度）チャネルに適用される。最後に、変更されたＨＩＳはＲＧＢ色空間に戻される。ＨＩＳ色空間の中の明度チャネルを調整することによって、画像の輝度は、色相と彩度を維持しながら改良する。したがってＲＧＢ色空間の中の画像は、色のバランスを維持しながら、改良したコントラストを有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この技術は信頼度が高いが、先に説明されたようなＲＧＢデータ上で実行されるコントラスト・ストレッチと比較すると、かなりの量の追加処理を必要とする。この種のストレッチの主な欠点は、ＲＧＢ空間からＨＩＳ空間に変換し、それをまた戻すことに伴うかなりの量のコンピュータ処理時間を伴うことである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、衛星撮像システムによって提供されたオリジナルのＤＮを処理して、バランスがとれた色のセットと、コントラストとを改良した画像とを作成するシステムおよび方法を提供する。本発明により完全自動の、組織的で統一的な方法で、マルチスペクトル・デジタル画像が改良され、費用効率の高い有益な、最適化された、改良したデジタル画像生成物の作成を可能にし、また別の自動アルゴリズムによってさらに処理されることが可能な、一組の量的な表面反射率推定値も作成して、撮像された物体についての特定の種類の情報を生成する。バランスがとれた色のセットとコントラストを改良した画像とは、本明細書ではダイナミック・レンジ調整（ＤＲＡ）画像と呼ばれる。マルチスペクトル帯域の中のＤＮは、そうした画像を作成するために別途必要とされる、比較的少量の処理手段を使用して処理される。そのようなＤＲＡ生成物は比較的簡単な視覚的解釈を提供し、各ピクセルが８ビット形式、４帯域の８ビットまたは２４ビットのＲＧＢである画像を含む。画像は、任意のさらなるコントラスト・ストレッチを適用することなく、表示および／または印刷される。
【０００９】
一実施形態では、各々がデジタル数を含む、撮像データの複数のピクセルを撮像センサから受信すること、ピクセルの各々のデジタル数を処理して、複数のピクセルについての撮像データの分布を判定すること、分布に基づいて、複数のピクセルの各々の大気上端（ｔｏｐ  ｏｆ  ａｔｍｏｓｐｈｅｒｅ）（ＴＯＡ）でのスペクトル放射輝度を判定することを備える、改良したデジタル画像を作成するための方法が提供される。一実施形態で、受信することは、複数の撮像センサから撮像データのピクセルの複数の帯域を受信することを備える。複数の撮像センサは青色帯域撮像センサ、緑色帯域撮像センサ、赤色帯域撮像センサ、および近赤外帯域撮像センサを含む。別の実施形態で、受信することは、大気上端ピクセルが大気上端デジタル番号を含む、撮像センサから撮像データの複数の大気上端ピクセルを受信すること、撮像センサの公知のセンサ属性に基づいて大気上端デジタル数を調整することを備える。スペクトル放射輝度の判定は、デジタル画像のシーン・コンテントから独立して実行されてもよく、純粋な統計学的基準ではなくて、撮像データの物理的基準に基づいて実行されてもよい。
【００１０】
デジタル数を処理する場合、撮像データの前記分布の下方分布のカットオフが判定される。ある実施形態では、下方分布のカットオフは累積分布の０．１％で設定される。別の実施形態では、下方分布のカットオフは、デジタル数が以下で「光路放射輝度（ｐａｔｈ  ｒａｄｉａｎｃｅ）」と呼ばれる大気光路のスペクトル放射輝度を示す、累積分布の中のポイントに基づく。下方分布のカットオフが判定される場合、この方法は、下方分布のカットオフに関連したデジタル数を、撮像データの複数のピクセルの各々から差し引くことをさらに含む。別の実施形態では、この方法は、下方分布のカットオフに関連するデジタル数の値を判定すること、下方分布のカットオフに関連したデジタル数が所定の最大値よりも少ない場合に、下方分布のカットオフに関連したデジタル数を撮像データの複数のピクセルの各々から差し引くことを含む。下方分布のカットオフが所定の最大値よりも大きい場合、所定の最大値が撮像データの複数のピクセルの各々から差し引かれる。
【００１１】
別の実施形態では、デジタル画像のコントラストもまた、入力ＤＮのメジアンを判定すること、改良したデジタル画像の目標輝度値を判定すること、出力ＤＮを作成するために各ＤＮを調整することによって改良し、出力ＤＮのメジアンは目標輝度値と実質的に等しい。撮像データの複数の帯域が存在する場合、撮像データの各帯域のＤＮは、複数の撮像センサから受信される。受信されたＤＮのメジアンは、撮像データの複数の帯域の各々についてＤＮの分布を判定するために、撮像データの帯域の各々のＤＮを処理すること、ＤＮの分布の各々のメジアンを判定すること、メジアンの平均を計算することによって判定される。
【００１２】
別の実施形態で、本発明は、生データ・ピクセルの各々の複数のデジタル数のスペクトル放射輝度の強さを判定すること、スペクトル放射輝度の強さを処理して、スペクトル放射輝度の強さの分布を判定すること、分布に基づいて複数のピクセルの各々の値を計算することによって判定される値を各々が有する複数のピクセルを含む衛星画像を提供する。スペクトル放射輝度の強さの判定は、各ピクセルが、関連する撮像センサによって受信されたスペクトル放射輝度を表すデジタル数を有する撮像データの、ピクセルの複数の帯域を複数の撮像センサから受信すること、ピクセルの帯域の各々についてのデジタル数の各々のために、スペクトル放射輝度の強さを判定することを含む。
【００１３】
別の実施形態で、スペクトル放射輝度の強さは、スペクトル帯域に関連した撮像センサの公知の非線形応答に基づいて、ピクセルの帯域の任意の所与の帯域についてのデジタル数の少なくとも一部が補正される。デジタル数のうちの補正された部分は、撮像センサの公知の応答ロールオフ（ｒｏｌｌ−ｏｆｆ）に関連したデジタル数よりも大きいデジタル数である。補正を実行する場合、任意の所与の帯域の所与のピクセルについてのデジタル数は、所定のデジタル数よりも大きいということが第１に判定される。第２に、残りの帯域からピクセルに関連したデジタル番号が判定され、他の帯域からのデジタル数に基づく補正されたデジタル数が計算される。
【００１４】
さらに別の実施形態で、本発明は、色が改良された画像を関係のあるエンティティに向けて搬送するための方法を提供する。この方法は、複数のピクセルに関連したスペクトル放射輝度値の分布に基づいて判定された値を各々が有する複数のピクセルを含む画像を、コンピュータ・ネットワークの一部を介して搬送することを備える。
【００１５】
さらに、本発明のさらなる実施形態は、撮像データの複数のピクセルを撮像センサから受信すること、撮像データの複数のピクセルの各々のスペクトル放射輝度の強さを判定すること、スペクトル放射輝度の強さを処理して、複数のピクセルのスペクトル放射輝度の強さの分布を判定すること、分布に基づいて複数のピクセルの各々のスペクトル放射輝度を調整して、光路放射輝度の調整された値のスペクトル放射輝度を作成すること、調整された分布を評価して複数のピクセルについて調整された分布を判定するために、複数のピクセルの各々について調整された値のスペクトル放射輝度を処理すること、調整された値の範囲と、調整された値の範囲のメジアンとを判定すること、調整された分布を作成するために、複数のピクセルのうちの少なくとも部分集合の値を第２に調整することを備え、第２に調整された分布のメジアンが目標メジアンに一致し、第２に調整された分布の範囲が目標範囲に一致する、改良したデジタル画像を作成するための方法を提供する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
本発明は、デジタル画像のカスタマまたはエンド・ユーザの側でのさらなる操作を伴わずに表示されるデジタル画像を提供する。本発明はまた、別の自動アルゴリズムによってさらに処理されて、撮像された物体についての特定の種類の情報を生ずる一組の量的な表面反射率推定値も提供する。デジタル画像を提供するために使用される場合、衛星で収集されたデジタル画像は、主観的な基準ではなく物理的な基準でスペクトル・バランスをとられ、コントラスト・ストレッチされる。カスタマは、複雑なデジタル画像処理操作を実行するためのさらなるツール、専門知識または時間を用いることなく画像を使用する。基本的な民間の顧客に役立てられることに加えて、本発明は遠隔検知の専門家にとって、そのアプリケーションでの助けとするために有益なものである。本発明はまた、非常に幅広い種類のシーン・コンテントに対して、許容可能なコントラスト・ストレッチとスペクトル・バランスとを提供する。アルゴリズムは、撮像センサの公知の物理的特性を使用して、衛星によって測定される実際のスペクトル放射輝度を推定する。次いで、主要な大気効果の一次修正が適用される。最後にコントラスト・ストレッチが適用されて、スペクトル・バランスを乱すことなく画像の視覚的コントラストを改良する。このような方法で、ＤＲＡアルゴリズムは標準的な人の色覚原則に基づいて、視覚に訴える画像を自動的に提供する。
【００１７】
画像を作成するための方法が一般的に説明されてきたが、本発明の様々な実施形態が詳細に説明される。図１を参照すると、惑星１０４の周囲に軌道を描いて回る衛星１００の図が描かれている。はじめに、本明細書で地球と言う場合、画像またはその他の遠隔検知情報を取得することが望ましい任意の天体のことを指すということに留意されたい。さらに本明細書で衛星と言う場合、画像またはその他の遠隔検知情報を取得することができる任意の宇宙船、衛星および／または航空機のことを指す。さらに本明細書で説明されるシステムはまた、別の天体の画像を取得する、地球上または宇宙に配置された撮像システムを含む別の撮像システムにも適用される。また、本明細書に含まれるいずれの図面も原寸に比例して描かれているわけではなく、そのような図は単に説明と図解のためのものであるということにも留意されたい。
【００１８】
図１に示されているように、衛星１００は軌道光路１０８によって、地球１０４の周囲に軌道を描いて回る。衛星１００の撮像システムは、地球１０４の表面の一部を含む画像１１２を取得することができる。画像１１２は複数のピクセルからなる。さらに、衛星１００は複数のスペクトル帯域の中で画像１１２を収集してもよい。一実施形態では、衛星１００の撮像システムは電磁エネルギーの４つの帯域、すなわち赤色帯域と緑色帯域と青色帯域と近赤外帯域とを収集する。各帯域は、電磁放射線を収集するように適合された独立な撮像センサによって収集される。センサからのデータは収集、処理され、画像が作成される。各帯域は、８ビットまたは１１ビットの放射輝度スケール上のデジタル数（ＤＮ）から構成される。各帯域からのＤＮは、ユーザに必要とされるアプリケーションに役立つ画像を作成するために処理される。衛星１００から収集された画像は、民間と非民間との両方のアプリケーションを含む複数のアプリケーションの中で使用される。
【００１９】
ここで、画像の収集および分配システム１２０を表すブロック図である、図２を参照する。この実施形態では、衛星１００は電力／位置調整システム１２４、送信／受信システム１２８、および撮像システム１３２を含む複数のシステムを含む。そのような衛星および関連のシステム１２４は当技術分野では周知であり、したがって衛星１００は電力を受信し、所望の画像を収集して地上の位置および／または他の衛生システムへ／から、データを送信／受信するために位置調整されると言うことで十分なので、本明細書で詳細に説明されることはない。撮像システム１３２は、この実施形態の中で、電磁エネルギーの帯域内のセンサで受信される電磁エネルギーを収集する４つの撮像センサを含む。この実施形態の中で、撮像システム１３２は青色センサ１４０と緑色センサ１４４と赤色センサ１４８と近赤外（ＮＩＲ）センサ１５２とを含む。これらのセンサ１４０〜１５２の各々は、センサで受信される予め設定されたエネルギー帯域内に入る電磁エネルギーを収集する。この実施形態では、撮像センサ１４０〜１５２は、電荷結合素子（ＣＣＤ）アレイと、電磁エネルギーを収集し、ＣＣＤアレイにエネルギーを集中させるための関連の光学部品とを含む。ＣＣＤアレイは、多くの光学フィルタによって、特定のエネルギー帯域からエネルギーを収集するように構成されている。センサ１４０〜１５２はまた、ＣＣＤアレイをサンプリングし、ＣＣＤアレイで収集されたエネルギー量に比例するデジタル数（ＤＮ）を出力するための電子部品も含む。各ＣＣＤ配列は複数のピクセルを含み、撮像システムはプッシュブルーム（ｐｕｓｈｂｒｏｏｍ）撮像システムとして動作する。したがって、各ピクセルの複数のＤＮは、撮像システムから送信／受信システム１２８に出力される。
【００２０】
衛星１００は地上局１６０からデータを送受信する。この実施形態の地上局１６０は、送信／受信システム１６４とデータ・ストレージ・システム１６８と制御システム１７２と通信システム１７６とを含む。一実施形態では、複数の地上局１６０が存在しており、衛星１００の軌道の異なる部分の至るところで衛星１００と通信する。送信／受信システム１６４は、衛星１００へデータを送信するため、および衛星１００からデータを受信するために使用される。データ・ストレージ・システム１６８は、撮像システム１３２によって収集された画像データを記憶し、それを衛星１００から地上局１６０に送信するために使用される。一実施形態で、制御システム１７２は衛星制御情報と、衛星１００への／からの送信／受信システム１６４を通じた送信／受信制御情報とのために使用される。通信システム１７６は地上局１６０と１つまたは複数のデータ・センター１８０との間の通信のために使用される。データ・センター１８０は通信システム１８４とデータ・ストレージ・システム１８８と画像処理システム１９２とを含む。画像処理システム１９２は撮像システム１３２からのデータを処理し、デジタル画像を１人または複数のユーザに提供する。画像処理システム１９２の動作は、以下でより詳細に説明される。代替として、地上局１６０で衛星１００から受信された画像データは、地上局１６０からユーザ１９６に直接送信される。画像データは、ユーザのニーズに対応するために、本明細書で説明される１つまたは複数の技術を使用するユーザによって処理される。
【００２１】
ここで図３を参照すると、検知データを収集する撮像システムの例がここで説明されている。図３に示されているように、衛星１００は地球１０４から放射を受信する。衛星１００で受信される放射は３つの要素を有する。Ｌｄｉｒｅｃｔ２００は表面反射され、弱められた太陽放射線であり、Ｌｕｐｗｅｌｌｉｎｇ２０４は上方散乱された光路放射輝度であり、Ｌｄｏｗｎｗｅｌｌｉｎｇ２０８は、表面によってセンサに反射された下方散乱された「空中」放射輝度である。したがって、衛星１００で受信される総放射Ｌｔｏｔａｌは、以下のように表されることができる。
【００２２】
Ｌｔｏｔａｌ（λ）＝Ｌｄｉｒｅｃｔ（λ）＋Ｌｕｐｗｅｌｌｉｎｇ（λ）＋Ｌｄｏｗｎｗｅｌｌｉｎｇ（λ）
この式でλは、波長に対する依存性を示す。この式の３項は、表面素材による反射と同様に、大気中の複雑な放射転送の結果であり、λは波長に対する依存性を示す。Ｌｕｐｗｅｌｌｉｎｇ２０４およびＬｄｏｗｎｗｅｌｌｉｎｇ２０８の光線は、センサに入る前に複数の散乱現象を経てもよいことに留意されたい。さらに、大気による相互作用は、放射輝度の吸収を含む。
【００２３】
Ｌｕｐｗｅｌｌｉｎｇ項２０４およびＬｄｏｗｎｗｅｌｌｉｎｇ項２０８を生じさせる大気散乱の寄与は、一般にレイリー（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）散乱とミー（Ｍｉｅ）散乱とによって生じる。レイリー散乱は、大気中の様々な分子種によって引き起こされ、λ−４に比例する。これは、より長い波長の放射輝度よりも、より短い波長の放射輝度により多くの影響を及ぼす選択的な散乱である。レイリー散乱の強い波長への依存性のために、青色光（より短い波長）は赤色光（より長い波長）よりも、より多く散乱される。この散乱メカニズムにより一般に、光路放射輝度信号が近ＩＲチャネル１５２（図２）よりも青色チャネル１４０（図２）の方がずっと高くなる。ミー散乱は、しばしば「エアロゾル」散乱と呼ばれる。レイリー散乱と同様に、ミー散乱もまた、（第一近似でλ−１に比例する）波長に依存している。ミー散乱は、煙や靄などの大きな大気成分の散乱によって引き起こされる。これらの散乱メカニズムの両方は、図２に示されている電磁放射線の大気散乱に関与している。
【００２４】
ここで図４を参照すると、本発明の実施形態に対して、画像の収集、処理および送付において実行される動作がここで説明される。ブロック２２０で示されているように、はじめに画像が収集される。図２に関して上で説明されたように、ある実施形態の中で、電磁放射は、特定のセンサに関係する特定の帯域で受信される総放射輝度に関連するデータを提供する、衛星の撮像システムで収集される。撮像システムによって提供されるデータは、デジタル画像を作成するために使用される。このデータはブロック２２４で、スペクトルが修正される。上述のように、衛星撮像システムから作成された画像を見るユーザによって知覚される色は、物体の比較的近い位置から観測された物体の色とは異なっている場合がある。この知覚される色の違いは、大気を通じて分散される、衛星撮像システムで受信される反射光に起因する。ブロック２２４のスペクトル修正は、ある実施形態で、公知のセンサ情報に基づいて画像のスペクトル・バランスを調整し、また、大気を通過するときの大気による光の散乱を部分的に補正するために、画像のスペクトル・バランスをさらに調整する。ブロック２２８で、画像のコントラストはストレッチされる。ある実施形態で、コントラスト・ストレッチは画像の特徴の間でさらに知覚されるコントラストを提供するために使用される。ブロック２３２で、画像は受信側と呼ばれる１つまたは複数のユーザおよび／またはアプリケーションに送付される。一実施形態では、画像は、インターネットを介して画像を搬送することによって、受信側に送信される。典型的に、画像は圧縮形式で搬送される。一旦受信されると、受信側は、視覚的に許容可能な色とコントラストを有する地球の位置の画像を表示することができる。別の方法で、画像を受信側に搬送することもまた可能である。例えば、画像は磁気ディスク、ＣＤ、テープ、固体メモリまたはその他の記録媒体に記録され、受信側に発送される。単に画像のハード・コピーを作成して、その後そのハード・コピーを受信側に発送することもまた可能である。ハード・コピーはまた、受信側にファックスされ、スキャンされるか、またはその他のやり方で電子的に送信される。
【００２５】
ここで図５を参照すると、本発明の実施形態の、スペクトル修正を実行するための動作が説明されている。はじめに、ブロック２３６でスペクトル情報が収集される。先に述べられているように、ある実施形態では、スペクトル情報は撮像システム内のＣＣＤディテクタを使用して収集される。再び図２を参照すると、撮像システム１３２は、各スペクトル帯域用のＣＣＤディテクタを含むセンサ１４０〜１５２を含む。センサ１４０〜１５２は、それぞれの帯域の中のスペクトル情報を収集する。各画像の放射分析のダイナミック・レンジは、一実施形態では１１ビットであるが、任意のダイナミック・レンジが使用される。この実施形態では、ＣＣＤディテクタ内の各要素から作成されるデジタル数は１〜２０４７までの範囲を有し、ゼロはバックフィル（ｂａｃｋｆｉｌｌ）に使用される。理解されるように、ＣＣＤディテクタはスペクトル情報を収集し、ディテクタで受信されるスペクトル放射線の量に関連したデジタル数を出力する。デジタル数を作成するためにＣＣＤディテクタ内でスペクトル情報を収集し、サンプリングするための方法は数多く存在しており、それらの詳細は当技術分野では周知である。
【００２６】
再び図５を参照すると、スペクトル情報の収集に続いて、ブロック２４０で示されているように、センサに関連した放射分析修正係数がスペクトル情報に適用される。撮像センサ内で、各ＣＣＤディテクタは、常にというわけではないが、ディテクタで受信されるスペクトル放射輝度の総計とディテクタのＤＮ出力との間のほぼ正確な線形応答を表す、放射分析修正係数と呼ばれる係数のセットを有する。各ディテクタの応答は、それらが同じ技術を使用して同時に製造されてもよい場合であっても、普通はディテクタごとに異なる。修正されないままだと、結果として生じる画像は、各ディテクタからの異なる応答に対応する帯域と縞（ｓｔｒｉｐｅ）とを含む。放射分析修正係数をディテクタの出力に適用することによって、各ディテクタの応答は修正される。各ディテクタの応答を修正することは、「放射分析修正」と称される。この修正で、（利得および暗色オフセット（ｄａｒｋ  ｏｆｆｓｅｔ）に対応する）線形キャリブレーション係数のセットは各ディテクタのために測定され、その後ディテクタの間の整合性を提供するために、画像データに適用される。一実施形態で、キャリブレーション係数は、周知の標準的なキャリブレーション技術を使用して、軌道上の規則的な基準で推定される。
【００２７】
放射分析修正に続いて、撮像データのスペクトル修正において次に、ブロック２４４に示されているように、放射分析によって修正されたデータはスペクトル放射輝度へ変換される。先に述べられているように、撮像データは複数の帯域で収集される。この変換は、
Ｌλ，ＴＯＡ（帯域）＝ＤＮ（帯域）・Ｋ（帯域）／Δ（帯域）  （Ｗ  ｍ−２ｓｔｅｒ−１ＤＮ−１）
のようにして、各スペクトル帯域に適用される。この式でＬλ，ＴＯＡ（帯域）は帯域のスペクトル放射輝度であり、ＤＮ（帯域）は放射分析によって修正された帯域のデジタル数（ＤＮ）であり、Ｋ（帯域）は帯域を組み込んだ（ｂａｎｄ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ）放射輝度変換要素（Ｗ  ｍ−２ｓｔｅｒ−１ＤＮ−１）であり、Δ（帯域）は帯域の有効帯域幅（μｍ）である。Ｋ因子は、撮像システムのために提供される因子であり、以下でより詳細に説明される。この式に示された修正が一旦実行されると、画像データは、放射分析エラー推定値の中でセンサが測定するものを表す。Ｌλ，ＴＯＡは、大気上端（ＴＯＡ）スペクトル放射輝度と呼ばれる。
【００２８】
一実施形態で、Ｋ因子は修正されたＤＮデータの入力を（Ｗｍ−２ｓｒ−１のユニットの中の）帯域を組み込んだ放射輝度に変換する、帯域依存因子である。Ｋ因子がスペクトル・チャネルの有効帯域幅によって分割される場合、入力ＤＮのＴＯＡスペクトル放射輝度を変換するその結果は、カッパ因子と呼ばれる。カッパ因子はオリジナルのＫ因子に由来しているので、カッパ因子もまた帯域に依存している。
【００２９】
Ｋ因子、センサ・チャネルの有効帯域幅およびカッパ因子は、表Ａ−１で一覧にされている。
【００３０】
【表１】
2008527766.tif 000003
したがって、放射分析によって修正されたＤＮのＬλ，ＴＯＡへの変換はまた、カッパおよびＤＮの結果を取り入れることによって実行される。カッパ係数（表Ａ−１）の量が小さいことから、Ｌλ，ＴＯＡへの変換は簡単であるが、この例のカッパ係数をＤＮデータに直接適用することは、像のデータのダイナミックな数値範囲をより小さな範囲にしてしまう。表Ａ−１の例の中では、オリジナルのＤＮである２０４７は、整数として処理されるとき、データが整数形式で保たれる場合に放射分析の解像度の損失に相当する４８２．９（青色帯域）に変わる。
【００３１】
改良した結果を提供するために、一実施形態で、各カッパ因子は無次元比に変換され、これらの比率はＤＮデータに適用される。これらの変換は、帯域と領域の間の相対的なスペクトル・バランスを維持し、一部の場合では、調整されたＤＮデータの放射分析範囲を改良する。変換された因子は「調整カッパ」因子と称され、以下のように計算される。
【００３２】
カッパＡＶＥ＝Σバンドカッパ（バンド）／ｎｕｍ＿ｂａｎｄ
カッパＡＤＪ＝カッパ（バンド）／カッパＡＶＥ
各帯域について表Ａ−１の例を使用する調整カッパ因子は、表Ａ−２で一覧にされている。それらは無次元であることに留意されたい。
【００３３】
【表２】
2008527766.tif 000004
スペクトル放射輝度の変換に続いて、太陽放射の大気との相互作用が考慮される。上述のように、Ｌｕｐｗｅｌｌｉｎｇ項およびＬｄｏｗｎｗｅｌｌｉｎｇ項に影響を与える大気散乱の寄与は、一般にレイリー散乱とミー散乱とによって生じる。一実施形態では、完全な大気修正は、ＬｕｐｗｅｌｌｉｎｇとＬｄｏｗｎｗｅｌｌｉｎｇとＬｄｉｒｅｃｔとの３項すべてを考慮する。これは、ＭＤＯＴＲＡＮなどの大気放射伝達モデルのアプリケーションを必要とする、比較的複雑な変換である。これらのプログラムは、大気の物理的状態が周知である場合に、地球の大気に伴う放射エネルギーの相互作用を正確度の高いものにモデル化することができる、完全な放射伝達モデルを提供する。この変換は一般に、所望の修正の性質が複雑であるせいで非常に時間のかかるものであり、正確度は各シーンのための大気成分についての正確な情報に依存している。
【００３４】
ブロック２４８に示されているように、図５の実施形態では、各スペクトル帯域の「暗色目標」のＤＮ値に注目することによって、光路放射輝度が推定される。したがって、この実施形態は、各帯域の光路放射輝度を推定する。このＤＮは、その後ＤＮオフセット値となる。このオフセットは、地球の表面によってセンサに反射されない、センサに入ってくる放射線の総量の推定値である。撮像データのスペクトル帯域（青、緑、赤およびＮＩＲ）の各々について、光路放射輝度に関連したＤＮの推定値が作り出される。ブロック２５２で、ＤＮオフセット値は、光路修正されたＴＯＡスペクトル放射輝度を作成するためにＬλ，ＴＯＡに適用される。所与のスペクトル帯域のシーンの光路修正されたＴＯＡスペクトル放射輝度は、その帯域についての光路放射輝度値（ＤＮオフセット値）を、その帯域についての総スペクトル放射輝度から差し引くことによって得られる。この実施形態で、ＴＯＡ光路修正スペクトル放射輝度に基づくスペクトル属性は、表面のちょうど上から観測される表面素材のスペクトル放射輝度に基づくスペクトル属性に類似している。表面からＴＯＡで大きく変わる唯一の属性は、３つの帯域の全体の明度である。すなわち、ＴＯＡにおける観測者が地球上の物体の光路修正されたスペクトル放射輝度を見ることができれば、観測者は、（同じ太陽放射照度の幾何配置で、雲のない、比較的もやのない日に）地球の表面の近い範囲から同様の色を見ることになる。
【００３５】
一実施形態で、暗色目標ＤＮ値は、各帯域についての累積分布ヒストグラムの中の０．１％のポイントを識別することによって、各帯域について自動的に推定される。この下端のカットオフは、表面の物体からの感知可能な信号が測定される帯域の第１のＤＮを表し、帯域への光路放射輝度の寄与の推定値である。累積分布ヒストグラムの中の０．１％ポイントにあるこの下端のカットオフは、暗色目標ＤＮ値の推定の単なる一例に過ぎないということに留意されたい。分布の中のその他のポイントが選択されてもよく、暗色目標ＤＮ値はユーザによって手動で選択されてもよく、分布の中のポイントは、シーン・コンテントと分布ヒストグラムとに基づいて動的に調整されてもよい。下端のカットオフ・ポイントは、この実施形態の調整されたＤＮ値に関して計算される。この調整されたＤＮ値を各ピクセルから差し引くことは、光路放射輝度の寄与を全体のＴＯＡスペクトル放射輝度から差し引くことに等しい。
【００３６】
画像の累積分布ヒストグラムの中の下端のカットオフ・ポイントが一旦識別されると、下端のカットオフに関連したＤＮが、ＤＮ＿光路（帯域）とも呼ばれる暗色目標ＤＮ値として設定される。光路放射輝度修正（ＰＲＣ）ＤＮ値は、以下のように計算されることが可能である。
【００３７】
ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域）＝ＤＮ＿光路（帯域）・カッパＡＤＪ（帯域）
ＤＮＰＲＣ（帯域，ピクセル）＝ＤＮＡＤＪ（帯域，ピクセル）−ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域）
一実施形態で、ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域）の値は、撮像データの各スペクトル帯域について判定される。例えば、４つの像の帯域が収集される場合、それぞれ青色光、緑色光、赤色光およびＮＩＲ帯域を表すＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿１）、ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿２）、ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿３）およびＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿４）のために値が生成される。
【００３８】
これらの別々に推定されたＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域）値はまた、帯域に固有のＫ＿因子（帯域）およびΔ（帯域）係数の直接の適用を通して、直接の線形方法でＬλ，ＴＯＡに関連しており、すなわち、
Ｌλ，ＴＯＡ（帯域＿１）＝ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿１）×Ｋ＿因子（帯域＿１）／Δ（帯域＿１）
Ｌλ，ＴＯＡ（帯域＿２）＝ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿２）×Ｋ＿因子（帯域＿２）／Δ（帯域＿２）
Ｌλ，ＴＯＡ（帯域＿３）＝ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿３）×Ｋ＿因子（帯域＿３）／Δ（帯域＿３）
Ｌλ，ＴＯＡ（帯域＿４）＝ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿４）×Ｋ＿因子（帯域＿４）／Δ（帯域＿４）
のようになる。
【００３９】
上で記載されたように、Ｋ＿因子／Δの組合せは、カッパ因子と呼ばれる。
表Ａ−１の例を使用すると、各帯域のためのカッパ値は、
カッパ＿１＝０．２３５９ワット／平方メートル／ステラジアン／マイクロメートル／ＤＮ
カッパ＿２＝０．１４５３ワット／平方メートル／ステラジアン／マイクロメートル／ＤＮ
カッパ＿３＝０．１７８５ワット／平方メートル／ステラジアン／マイクロメートル／ＤＮ
カッパ＿４＝０．１３５３ワット／平方メートル／ステラジアン／マイクロメートル／ＤＮ
のようになる。
【００４０】
次に各Ｌλ，ＴＯＡ値は、観測者（ＲＦＴＯＡ＿光路＿帯域）によって見られるような、大気上端での見かけの反射率要素（ＲＦＴＯＡ）に変換される。
各Ｌλ，ＴＯＡ値からＲＦＴＯＡの値を算出するために、３つの情報の項目が必要とされる。
【００４１】
ＴＯＡでの太陽のスペクトル放射照度（ＳＩＳＵＮＴＯＡ）
弧度法における太陽の仰角（ＳＵＮＥＬＥＶ）
天文ユニット（Ａ．Ｕ．）における地球と太陽の距離（Ｄ）
ＳＩＳＵＮＴＯＡは、各スペクトル帯域について公知の一定のものである。ＳＵＮＥＬＥＶとＤとは、各スペクトル帯域について同一のものである。ＳＵＮＥＬＥＶは地球上の場所ごとに、および日ごと（一年のうちの一日、ＤＯＹ）に異なる。Ｄは、ＤＯＹによってのみ異なる。
【００４２】
これらの要因を用いるＳＲＴＯＡからＲＦＴＯＡへの変換式は、ｐｉ＝３．１４１５９２７…として、以下の通りである。
ＲＦＴＯＡ＝Ｌλ，ＴＯＡ×ｐｉ×Ｄ×Ｄ×１００％／[ＳＩＳＵＮＴＯＡ×ＳＩＮ（ＳＵＮＥＬＥＶ）]
一実施形態で、各帯域についてのＳＩＳＵＮＴＯＡの値は、
ＳＩＳＵＮＴＯＡ＿１＝１９３０．１１ワット／平方メートル／マイクロメートル
ＳＩＳＵＮＴＯＡ＿２＝１８４２．４７ワット／平方メートル／マイクロメートル
ＳＩＳＵＮＴＯＡ＿３＝１５６１．６１ワット／平方メートル／マイクロメートル
ＳＩＳＵＮＴＯＡ＿４＝１０９７．６４ワット／平方メートル／マイクロメートル
である。
【００４３】
一実施形態で、より大きな誤差は、別のＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域）値のためのものではなく、ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿４）の推定値に関連している。これは、一部のシーンの中では、無反射の表面物体がＮＩＲに存在しないという事実によるものである。しかしながら別の帯域、特には赤色光帯域の中には、普通はシーンの中に暗い（無反射の）物体が存在しており、すなわち高密度の緑の植生（ｖｅｇａｔａｔｉｏｎ）がある。ＲＦＴＯＡは一般に、帯域１から帯域４に波長とともに減少する。しかしながら様々な変換要素（すなわちカッパおよびＳＩＳＵＮＴＯＡ）のために、ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域）の相対値は、通常は波長とともに減少する任意のそのような単純なパターンを示すことはない。しかしながら、ＤおよびＳＩＮ（ＳＵＮＥＬＥＶ）はすべての帯域について同一のものである（すなわち波長がこれらに影響を及ぼすことはない）ので、ＲＦＲＡＴＩＯ４３と呼ばれるＲＦＴＯＡ＿光路＿３によって割られるＲＦＴＯＡ＿経路＿４の比率は、固定された方法の中で以下のように、ＤＮＲＴＩＯ４３と呼ばれるＤＮ＿経路＿３によって割られるＤＮ＿経路＿４の比率に関連する。
【００４４】
ＲＦＲＡＴＩＯ４３＝ＤＮＲＡＴＩＯ４３×１．０７８３８１
逆に
ＤＮＲＡＴＩＯ４３＝０．９２７３１６×ＲＦＲＡＴＩＯ４３
である。
【００４５】
ＲＦＲＡＴＩＯ４３は一般に０．８以下であることが予想される。一実施形態では、ＲＦＲＡＴＩＯ４３が０．８よりも大きい場合、ＲＦＴＯＡ＿経路＿４の値が高すぎており、ＮＩＲ帯域で見られるように、全体的な吸収体がシーンの中に存在しなかったとみなされる。この場合一実施形態で、推定値は以下のようなＲＦＴＯＡ＿経路＿４の値として選択される。
【００４６】
より高い＿ＲＦＴＯＡ＿光路＿４＝ＲＦＴＯＡ＿光路＿４×０．８
ＤＮ＿光路ＡＤＪ値に関して、ある実施形態の中で、ＤＮＲＡＴＩＯ４３は通常０．７４１８５３以下である。ＤＮＲＡＴＩＯ４３がこの値よりも大きい場合、推定値は以下のようなＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿４）の値として選択される。
【００４７】
より高いＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿４）＝ＤＮ＿光路ＡＤＪ（帯域＿３）×０．７４１８５３
しばしば処理システムによって処理されるように、１００％雲がカバーするシーンでは、上述の方法は高すぎる光路放射輝度と同値な（下端）ＤＮ値を識別し、その結果、不正確なスペクトル変換が生じる。この問題を回避するために、一実施形態では、光路放射輝度の値が絶対最大値を上回ることは許されない。一実施形態では、４００ＤＮ（１１ビットの入力データ）の値が各帯域のための最大光路放射輝度値として設定されるが、スペクトル変換が許容可能な限り、異なる値が使用されてもよい。光路放射輝度ＤＮの実際の値はすべての帯域に対して同じではなく、赤色光およびＮＩＲよりも、青色光および緑色光に対してより高い傾向がある。それにもかかわらず、曇りの状況では、実際のシーンのＤＮは一般に（１５００を上回って）非常に高い。そのような場合、光路放射輝度ＤＮの推定値の間の僅かな違いは、変換される像の認知される色に対して比較的小さな影響を有する。
【００４８】
一実施形態で、ルックアップ表（ＬＵＴ）は、ＤＮＰＲＣに対応する帯域毎に計算される。ＤＮＰＲＣ値は上の式を使用して、帯域に固有の基準で生成される。式中のＤＮｏｒｉｇ値は単に、１１ビットデータの１〜２０４７、および８ビットデータの１〜２５５などの入力データの整数範囲の中にある。この実施形態で、計算中の丸め誤差およびオーバーフロー・エラーを回避するために、中間計算が浮動小数点形式の中に保たれている。また、ＬＵＴの結果が出力ＤＮ値の許容範囲を上回ることは許されない。これは１を下回る値か、または最大ＤＮ出力を上回る値についてのＤＮ値を調べ、それに応じて値を１か、または最大値に再設定することによって達成される。
【００４９】
ＴＯＡ光路放射輝度訂正スペクトル放射輝度にデータが一旦変換されると、像の視覚的解釈を促進するために、視覚的コントラストを改良する。図６は、本発明の一実施形態のための、コントラストを改良するための動作を示す。この実施形態のコントラスト改良技術は、色の色相と彩度とを保つコントラスト・ストレッチであるという点で、多くのＣＯＴＳコントラスト・ストレッチと異なっている。このストレッチの色を保存する特性は、先に説明されたスペクトル修正動作が色相と彩度に関して像を修正するように設計されていることから、有益なものである。したがって、コントラストを改良する場合の希望は単に、その輝度（明度）を高める一方で、色の色相または色の彩度には影響を与えないようにすることである。
【００５０】
図６を参照すると、はじめにブロック２６０に示されているように、各帯域の画像ヒストグラムのパーセンタイルの上限および下限について判定が下される。一実施形態で、パーセンタイルの下限は画像ヒストグラムの累積分布の１％に設定され、パーセンタイルの上限は画像ヒストグラムの累積分布の９９％に設定される。例えば累積ヒストグラムの中の９８％のポイントに対応する２％などの、任意のパーセンタイルのカットオフがこの判定のために使用される。しかしながら、２％のカットオフはＤＮヒストグラムの上端のあまりに高すぎるカットオフである場合があり、結果として明るい物体に対しての著しい細部のロスにつながる。そのような状況では、画像ヒストグラム中の０．５％と９９．５％のポイントに対応する０．５パーセンタイルのカットオフが使用される。理解されるように、パーセンタイルのカットオフの任意の値が使用されてもよく、一実施形態では、ユーザによって設定される設定可能な値として、これらのパラメータを用いてコントラスト改良アルゴリズムが実施される。
【００５１】
ブロック２６４で、各帯域のためにパーセンタイルの上限およびパーセンタイルの下限に対応するＤＮが識別される。ブロック２６８で、上方ＤＮ（ｈｉ＿ｄｎ）および下方ＤＮ（ｌｏ＿ｄｎＡＤＪ）のカットオフ値が選択される。選択は、はじめに画像中の各帯域のために高いパーセンタイル・カットオフに対応する最高ＤＮを識別することによって行われ、これらの値のうちの最も大きいものがブロック２６８で選択される。同様に、ｌｏ＿ｄｎの選択は、画像中のすべての帯域のために下方のパーセンタイル・カットオフに対応する最低ＤＮを識別することによって行われる。この実施形態で、ｈｉ＿ｄｎおよびｌｏ＿ｄｎの値は、
ｈｉ＿ｄｎ＝ＭＡＸ（ｈｉ＿ｄｎ（帯域））
ｌｏ＿ｄｎ＝ＭＩＮ（ｌｏ＿ｄｎ（帯域））
によって選択される。ｈｉ＿ｄｎおよびｌｏ＿ｄｎの値は一旦識別されると、その後、
ｈｉ＿ｄｎＡＤＪ＝ｈｉ＿ｄｎ×カッパ（帯域）カッパＡＶＥ
ｌｏ＿ｄｎＡＤＪ＝ｌｏ＿ｄｎ×カッパ（帯域）カッパＡＶＥ
を使用して調整ＤＮに変換される。上の式で使用される帯域の値は、それぞれｈｉ＿ｄｎを含む帯域とｌｏ＿ｄｎを含む帯域である。
【００５２】
ブロック２７２で、画像のための平均目標輝度値が識別される。平均目標輝度の値は、画像の視覚的な外観に対する多大な影響を有し、しばしば主観的な解釈を受け入れる。したがって、ある実施形態では、平均目標輝度の値はユーザによって設定可能である。別の実施形態では、平均目標輝度の値は、視覚的に許容可能な画像を作成すると思われる値に予め設定される。ブロック２７６で、画像中の各帯域のために変更されたＤＮ値のメジアンが計算される。このメジアンは、各帯域のための累積画像ヒストグラムのメジアンを判定することによって計算される。ブロック２８０で、各帯域からのメジアンの平均が計算される。一実施形態で、各帯域からのメジアンの平均は、
ａｖｇ＿メジアン＿ｄｎ＝Σ１≦帯域≦ｎメジアン（帯域）／ｎ帯域
によって計算される。
この式でメジアン（帯域）は、所与の帯域のためのオリジナル画像のメジアンを示す。各帯域についてのメジアンの平均の計算に続いて、ブロック２８４によってガンマ因子（Ｇ）が計算される。Ｇの値は、画像のための平均目標輝度値を使用すること、画像の全体のメジアンの輝度を目標輝度値にまで高めるために必要とされるＧの値を計算することによって判定される。一実施形態で、Ｇは、
Ｇ＝ｌｏｇ［（ａｖｇ＿メジアン＿ｄｎ−ｌｏ＿ｄｎ）／ｈｉ＿ｄｎ］／ｌｏｇ（ｔｒｇｔ＿ｄｎ／ｍａｘ＿ｄｎ）
により、所望の目標輝度および平均輝度に基づいて計算される。この式でａｖｇ＿メジアン＿ｄｎは画像中の各帯域のための変更ＤＮのメジアンの平均であり、ｍａｘ＿ｄｎは画像出力の最大ＤＮ値（すなわち８ビット生成物のための２５５、または１１ビット生成物のための２０４７）であり、ｔｒｇｔ＿ｄｎは画像中の目標輝度のＤＮ値である。
【００５３】
図６の実施形態で、過大なストレッチが画像に適用されないことを確実にするために、ガンマの値が限定される。ブロック２８８で、ガンマの値がこれらの限界外にあるのかどうかが判定される。ガンマの値が限界外にある場合、ブロック２９２で示されているように、ガンマの値は適切な高い限界または低い限界に設定される。一実施形態で、ガンマ値は０．５より大きく２．０より小さい限界を有するように設定される。別の実施形態では、これらの限界は、実行時に設定可能な値として実施される。ガンマ値の判定に続いて、ブロック２９６に示されているようにストレッチが適用される。ある実施形態で、ストレッチの式は、
ＤＮｓｔｒｅｔｃｈ（帯域，ピクセル）＝［（ＤＮＰＲＣ（帯域，ピクセル）−ｌｏ＿ｄｎＡＤＪ）／（ｈｉ＿ｄｎＡＤＪ−ｌｏ＿ｄｎＡＤＪ）］１／Ｇ×ｈｉ＿値
である。この式でＤＮＰＲＣはＴＯＡ光路放射輝度修正されたＤＮであり、ｌｏ＿ｄｎＡＤＪはすべての帯域からの最低カットオフであり、ｈｉ＿ｄｎＡＤＪはすべての帯域からの最高カットオフであり、Ｇはガンマ因子であり、ｈｉ＿値は出力画像の中で望まれる最大ＤＮである。ストレッチ式は、ピクセル毎にストレッチされたＤＮ値を生成するために、各帯域の中の各ピクセルに適用される。この技術は、画像の色相および彩度を著しく変えることなく、各チャネルの明度を高める。結果として生じる画像生成物は、画像の適切なスペクトル・バランスを維持しながら、許容可能なレベルのコントラストの改良を提供する。その結果は、正確な表示のための操作を必要としない、視覚に訴える画像である。アルゴリズムの結果は一般にシーン・コンテントに依存することはなく、生成物の解釈は、遠隔検知の分析者による実験作業または「推測」を少しだけ必要とするか、または全く必要としない。
【００５４】
一実施形態で、上述のように、帯域中の各ピクセルの光路放射輝度修正ＤＮを判定するために、ルックアップ表が使用される。この実施形態で、（各帯域の）オリジナルのピクセル値は、オリジナル画像から読み込まれる。これらのＤＮは、ストレッチ式のＤＮＰＲＣの値を取り出すために、ＤＮＰＲＣルックアップ表へのインデックスとして使用される。次いでストレッチが適用され、ピクセル値が画像に書き出される。一実施形態で、各ピクセルのＤＮの値は、ＤＮ値がストレッチ式の適用に従う特定の限界の外側にないことを確認するために、評価される。例えば、ＤＮｐｒｃ＿ｌｏ＿ｄｎが０よりも小さい場合、そのときＤＮストレッチは１に設定される。この実施形態で、０のＤＮ値はブラックフィルのために予約される。同様に、ＤＮｐｒｃがｈｉ＿値よりも大きい場合、そのときＤＮストレッチはｈｉ＿値に設定される。
【００５５】
本発明の別の実施形態で、公知の画像センサの非線形性に対してスペクトル補正が生成される。公知のように、像の各帯域は、対象物の特定の帯域から放射輝度を受信する関連した撮像センサを有する。一部の場合では、センサは非線形の応答を有し、センサで受信される放射輝度の量が閾値限界を上回る場合に、最高限界に達するＤＮ値を提供する。図７を参照すると、３つのスペクトル帯域の出力が、それぞれのスペクトル帯域に関連したセンサで受信される放射輝度の関数として示されている。この例の中で、ライン３１０によって示されているように、第１帯域はＤＮの全範囲を通じて線形応答を有している。同様に、ライン３１４によって示されているように、第２帯域もまたＤＮの全範囲を通じて線形応答を有している。しかしながら、ライン３１８によって示されているように、第３帯域は非線形性を有している。この例の中で、第３帯域は受信される放射輝度の特定の量までは線形応答を有しており、このポイントを越えたところではセンサの出力は非線形である。本明細書で、このポイントはロールオフ・ポイントと呼ばれ、図７のポイント３２２で示されている。図７の例の中で、第３センサはポイント３２６で最大出力に達し、その後センサの出力は、さらなる放射輝度がセンサでどれだけ受信されても、同じＤＮである。一実施形態では、非線形センサの出力は、「スペクトル・フェザリング」と呼ばれる技術を使用して修正される。
【００５６】
ある実施形態で、スペクトル・フェザリングは、図８の流れ図の例によって実行される。はじめにブロック３３０で、センサの帯域の公知の非線形性が存在するかどうかが判定される。公知の非線形性が存在しない場合、補正は必要とされず、ブロック３３４に示されているように、動作は完了する。公知の非線形性が存在する場合、ブロック３３８に示されているように、帯域内のピクセルがロールオフ・ポイントに関連したＤＮ値よりも大きいＤＮ値を有するかどうかが判定される。ピクセル値がロールオフ値よりも小さい場合、補正は必要とされず、ブロック３３４に示されているように、動作は完了する。ピクセルＤＮ値がロールオフ値よりも大きい場合、ブロック３４２に示されているように、ピクセルのＤＮ値は他の帯域のピクセルＤＮ値に基づいて補正される。一実施形態で、補正されたピクセル値は残りの帯域のＤＮ値の平均に基づいて計算される。補正に続いて、補正されたピクセルＤＮ値は、ブロック３４６に示されているように、非線形帯域に出力される。
【００５７】
一実施形態で、スペクトル帯域（「帯域」と表される）は公知の非線形性を有している。この実施形態で、特定のピクセル（「ピクセル」と表される）のために、帯域のピクセルのＤＮ値が、帯域のためのロールオフ値（「帯域＿ロールオフ」と表される）よりも大きいかどうかが判定される。もし大きければ、ピクセルはスペクトル補正を必要とする。この場合、はじめにピクセルを調整するために必要とされる補正の量が
比率＝帯域＿ｌｍｔ−入力＿ｄｎ（ピクセル，帯域）／帯域＿ｌｍｔ−帯域＿ロールオフ
のようにして判定される。この式で帯域＿ｌｍｔは、そこを越えるとセンサが非線形になるＤＮ値であり、帯域＿ロールオフは非線形動作の開始に対応するＤＮであり、入力＿ｄｎ（ピクセル，帯域）は、補正を必要とする帯域中の所与のピクセルに関連したＤＮ値を示す。比率の値は、数値的に一貫した結果を提供するために、
（比率＜０）である場合、割合＝１
（比率＞１）である場合、割合＝１
のように制限される。
物理的に、比率の値は、ピクセルにどれだけ補正が適用されるべきなのかを表す。０の値は補正がないことを示し、一方で１の値は最大限の補正を示す。ディテクタの応答の任意の公知の非線形性についてピクセルを補正するために、隣接したスペクトル帯域からのピクセル値が使用される。隣接したスペクトル帯域の平均出力値は、
ａｖｅ＿ｄｎ＿ｏｕｔ＝［出力＿ｄｎ（ピクセル，帯域＋１）＋出力＿ｄｎ（ピクセル，帯域−１）］／２．０
によって計算される。この式で出力＿ｄｎ（ピクセル，帯域＋１）は、補正されるべき帯域よりも長い波長のスペクトル的に隣接した帯域の出力ＤＮ値を示し、出力＿ｄｎ（ピクセル，帯域−１）は、補正されるべき帯域よりも短い波長のスペクトル的に隣接した帯域の出力ＤＮ値を示す。補正されるべき帯域が、スペクトル的に任意のセンサの帯域間に存在しないという状況では、補正されるべき帯域よりも長いか、または短い波長の２つの帯域が使用される。最終的に補正されたピクセル値は、
ｃｏｍｐ＿値（ピクセル，帯域）＝出力＿値（ピクセル，帯域）×（１−割合）＋ａｖｅ＿ｄｎ＿ｏｕｔ割合
のようにして判定される。この式で出力＿値（ピクセル，帯域）は補正を必要とする帯域中のピクセルに対応する補正されていないＤＮであり、比率は上で計算され、ａｖｅ＿ｄｎ＿ｏｕｔは上で計算される。この方法でピクセル値は、隣接したスペクトル帯域からのスペクトル情報を使用するスムーズに変化する方法で、スペクトルが補正される。この技術は「スペクトル・フェザリング」と呼ばれる。
【００５８】
本発明は、本発明の好適な実施形態を参照して、詳細に示され説明されてきたが、本発明の技術思想および範囲から逸脱することなく、形態および細部における様々な別の変更がなされてもよいことが、当業者には理解されよう。
【００５９】
尚、外国語細書中にＪＩＳコードで表記できない箇所があったため、この翻訳文では代替表記を使用した、具体的には、
Σバンド及びΣi≦帯域≦ｎは、
【００６０】
【数１】
2008527766.tif 000005
のように、外国語明細書では総和を表す記号があったが、便宜上、翻訳文ではΣ記号と下付き文字及び上付き文字で表現した。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】地球の画像を取得する、地球軌道にある衛星を示す概略図。
【図２】本発明の実施形態のシステムを表すブロック図。
【図３】地球の大気を介する光散乱を示す概略図。
【図４】本発明の実施形態の、デジタル画像を収集、処理および送付する動作を示す流れ図。
【図５】本発明の実施形態の、デジタル画像の色修正の動作を示す流れ図。
【図６】本発明の実施形態の、デジタル画像のコントラスト改良の動作を示す流れ図。
【図７】異なる撮像センサの線形および非線形センサの応答を示す概略図。
【図８】本発明の実施形態の、公知の非線形センサの補正の動作ステップを示す流れ図。
【図１】
2008527766.tif 000006
【図２】
2008527766.tif 000007
【図３】
2008527766.tif 000008
【図４】
2008527766.tif 000009
【図５】
2008527766.tif 000010
【図６】
2008527766.tif 000011
【図７】
2008527766.tif 000012
【図８】
2008527766.tif 000013
【国際調査報告】
2008527766.tif 000014