ES3018810A1 - Procedimiento y sistema para la calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales - Google Patents

Abstract

Procedimiento y sistema para la calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales de un área objetivo que comprende: - al menos un sensor espectral para la adquisición de imágenes en una banda espectral deseada, - al menos un filtro espectral para dejar pasar o bloquear las longitudes de onda de banda deseadas; - al menos una fuente de luz activa para iluminar el área objetivo con una luz de características conocidas, - un controlador para comunicarse y dar órdenes a las fuentes de luz activa y sensores y procesar los datos de las intensidades con y sin luz activa para dar como resultado la intensidad de la luz ambiente y corregir en consecuencia las imágenes obtenidas.

Description

DESCRIPCIÓN

Procedimiento y sistema para la calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales

SECTOR DE LA TÉCNICA

La presente invención se relaciona con sistemas y métodos para obtener imágenes calibradas de un área. Más en concreto, se refiere a la calibración de la reflectancia de un área objetivo cuyas imágenes están tomadas desde un vehículo aéreo.

ESTADO DE LA TÉCNICA

El uso de cámaras para la detección remota desde bajas altitudes en vehículos no tripulados tiene numerosas aplicaciones agrícolas. Estas aplicaciones suelen requerir la medición de la energía luminosa absoluta reflejada por un objeto de interés. Por ejemplo, la medición de la energía luminosa absoluta reflejada en el suelo y la vegetación puede ser un aspecto importante en el control de plagas, determinación de la humedad del suelo, etc.

Las medidas multiespectrales de la reflectancia dependen del espectro de la luz que ilumine el objetivo. En un ejemplo extremo, si se ilumina una pantalla blanca con luz roja (670 nm) no reflejará nada en el azul (450 nm) y al revés, si se ilumina con luz azul no reflejará nada en el rojo. Es decir, la reflectancia medida depende de la reflectancia del target que se mide y del espectro de la luz con la que se ilumine:

Dónde L(A)medida es la intensidad medida reflejada por el target para la longitud de onda A, R(A) es la reflectancia del target para la longitud de onda A y I(A)incidente es la intensidad de la luz incidente para la longitud de onda A.

En el caso concreto de la agricultura, la reflectancia dependerá de la luz ambiente, que puede variar en función de la hora del día, de efectos climáticos, etc.

Existen en la actualidad dos métodos popularizados para calibrar la reflectancia de las plantas, campos o cultivos en función de la luz ambiente. Un primer método es el descrito en la solicitud de patente US2016069741. Consiste en situar un sensor de luz encima del dron.

La información obtenida con el sensor de luz se utiliza para calibrar la reflectancia medida. Un segundo método (US 15/154,719) consiste en colocar paneles previamente caracterizados con reflectancia lambertiana en el suelo y medir su reflectancia en el momento previo de empezar las medidas multiespectrales. Conociendo previamente la reflectancia del panel o paneles, la intensidad reflejada medida en el sitio y momento donde vamos a hacer las medidas multiespectrales, se puede conocer el espectro de la luz ambiente.

En el artículo Di Gennaro, S.F., Toscano, P., Gatti, M., Poni, S., Berton, A., & Matese, A. (2022). Spectral Comparison of UAV-Based Hyper and Multispectral Cameras for Precision Viticulture. Remote Sensing, 14, 449. https://doi.org/10.3390/rs14030449, se compara la calibración mediante un sensor de luz (método 1) vs paneles calibrados (método 2). Los resultados muestran que los valores multiespectrales obtenidos a partir de la calibración con el sensor de luz dan errores muy grandes.

Por otro lado, el uso de paneles plantea otros inconvenientes. Los paneles se pueden degradar con el tiempo variando su reflectancia, se pueden ensuciar, hay que transportarlos y posicionarlos, etc.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

La presente invención resuelve los inconvenientes citados mediante el uso de iluminación activa para la calibración de la reflectancia. De esta manera se evita tanto el uso de sensores como el de paneles calibrados. El procedimiento de la invención consiste en comparar la intensidad de luz reflejada medida cuando el área objetivo está iluminada con la luz ambiente frente a la intensidad reflejada medida cuando está iluminada con la luz activa (previamente caracterizada y por tanto con un espectro e intensidad conocidos). Una vez conocida la luz ambiente, se utilizan estos datos para corregir las imágenes multiespectrales.

Utilizando una o más fuentes de luz calibradas se puede adquirir una imagen cuya intensidad dependerá de la combinación de la luz ambiente y la(s) fuente(s) de luz activa y la reflectancia del área objetivo.

El procedimiento consiste en tomar una imagen con cada sensor espectral con la(s) luz(luces) activa(s) emitiendo y la misma imagen con la luz activa apagada. Nótese que no es necesario que la luz activa ocupe todo el sensor (toda la imagen), con unos pocos píxeles es suficiente. El al menos un sensor espectral es, ventajosamente, un CMOS o una cámara CCD.

La fuente de luz activa tiene que emitir en las longitudes de onda del espectro visible que se van a estudiar con el sensor multiespectral. Por ejemplo, si el sensor multiespectral adquiere imágenes en cuatro bandas espectrales distintas, se pueden utilizar cuatro fuentes de luz y que cada una cubra una de las bandas espectrales. Alternativamente, se puede utilizar un número menor de fuentes de luz con un ancho de banda suficiente para cubrir más de una de las bandas espectrales a estudiar.

BREVE DESCRIPCIÓN DE LAS FIGURAS

Con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características de la invención y para complementar esta descripción, se acompaña como parte integrante de la misma la siguiente figura, cuyo carácter es ilustrativo y no limitativo:

La figura 1 es un diagrama de flujo del procedimiento de la invención.

DESCRIPCIÓN DETALLADA

Siguiendo el principio de superposición, cuando la fuente de luz activa está emitiendo, la intensidad total reflejada L sería la suma de las intensidades de luz reflejadas debido a cada fuente individualmente, luz activa y luz ambiente.

Por lo tanto:

L - L<1>+ L<2>

L: Intensidad de luz reflejada medida del área objetivo cuando la fuente de luz activa está emitiendo (luz activa luz ambiente).

L<2>: Intensidad de luz reflejada medida del área objetivo cuando la fuente de luz activa no está emitiendo y por lo tanto solo hay luz ambiente

Dado que L<2>ya se conoce (se ha medido), se puede determinar Li, la intensidad de luz reflejada debido a la fuente de luz activa, usando:

Li - L - L<2>

Si asumimos que la relación entre la intensidad de luz incidente y la intensidad de luz reflejada es lineal, entonces:

Li = R x Ii

Donde R es una constante de proporcionalidad que representa la reflectividad del área objetivo. De la misma manera:

L<2>= R x I<2>

Combinando las ecuaciones, obtenemos:

I<2>= L<2>/ R

Dado que R también es igual a L1 / I1, podemos sustituir y resolver para I<2>:

I<2>= L<2>X I i / (L-L<2>)

Esta ecuación proporciona la intensidad de la luz ambiente basada en las mediciones de la intensidad para el área objetivo con y sin presencia de la contribución de la fuente de luz activa.

En referencia a la Figura 1, los pasos del procedimiento incluyen:

- adquirir una imagen del área objetivo para cada banda espectral mediante un sensor para una banda determinada;

- adquirir una imagen de la misma área emitiendo simultáneamente con luz activa; donde, ventajosamente, el tiempo de exposición del sensor debe coincidir con el tiempo que emite la fuente de luz, es decir, ambos están sincronizados;

- extraer información acerca de la intensidad de los píxeles iluminados con la fuente de luz activa.;

- calcular la intensidad de la luz ambiente en cada banda espectral de interés.

En el paso a), se puede emitir luz durante un período de tiempo más largo, pero no es necesario y se desaprovecharía la energía correspondiente. De la misma manera, el tiempo de exposición puede ser más largo, pero esto es menos eficiente.

Si se dispone de una fuente de luz para cada sensor, no es necesario que todas las fuentes de luz emitan a la vez. En una puesta en práctica alternativa, se pueden activar las fuentes secuencialmente y se toman imágenes con los respectivos sensores cuando su fuente de luz está emitiendo.

Para la realización del procedimiento, son necesarios los siguientes elementos:

- sensor(es) espectral(es) para adquirir las imágenes(CCD, CMOS, otros sensores de imagen);

- filtro(s) espectral(es) para dejar pasar/ bloquear las longitudes de onda deseadas, en una puesta en práctica particular los filtros serían por ejemplo los siguientes: A1=560 nm (AA=10-20nm), A2=650 nm (AA=10-20nm), A3=730 nm (AA=10-20nm), A4=840 nm (AA=20-40nm), aunque la invención funciona en todo el espectro visible;

- fuente(s) de luz activa caracterizada (es decir, con parámetros como longitud de onda central, ancho de banda, forma de la curva espectral, intensidad y distribución de la intensidad, tamaño del haz y divergencia), para iluminar el área objetivo con una luz conocida(Láser, LED, SLED);

- un controlador/procesador provisto de un programa de ordenador con las siguientes funciones:

o comunicarse y dar órdenes a las fuentes de luz y sensores;

o opcionalmente, sincronizar la(s) fuente(s) de luz activa(s) y la adquisición de la imagen por medio del sensor o sensores;

o opcionalmente, cambiar los parámetros de cada sensor (tiempo exposición, ganancia...) para optimizar la energía utilizada y la señal capturada;

o procesar los datos de las intensidades de cada píxel en cada punto de la superficie del área objetivo y para cada longitud de onda de interés I(A (x,y)) (con y sin iluminación activa) para dar como resultado la intensidad de la luz ambiente y corregir en consecuencia las imágenes obtenidas.

Opcionalmente se puede optimizar el tratamiento de las imágenes mediante binarización de la imagen con la fuente de luz activa para localizar los píxeles que contienen información de la luz activa o encontrar la media de varias imágenes para reducir el ruido.

Para el tratamiento de imágenes será necesario identificar la parte del área objetivo iluminada con la fuente de luz activa para comparar los pixeles correspondientes en la imagen del mismo área sin luz activa. También se normalizarán los valores del píxel en función del tiempo de exposición y la ganancia. Un vehículo aéreo puede ser utilizado para desplazar el sensor o sensores multiespectrales por encima del área objetivo.

A la vista de esta descripción y figura, el experto en la materia podrá entender que la invención ha sido descrita según algunas realizaciones preferentes de la misma, pero que múltiples variaciones pueden ser introducidas en dichas realizaciones preferentes, sin exceder el objeto de la invención tal y como ha sido reivindicada.

Claims (6)

REIVINDICACIONES

1. Sistema para la calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales de un área objetivo que comprende:

- al menos un sensor espectral para la adquisición de imágenes en una banda espectral deseada,

- al menos un filtro espectral para dejar pasar o bloquear longitudes de onda de banda deseadas;

- al menos una fuente de luz activa para iluminar el área objetivo con una luz de características conocidas,

- un controlador provisto de medios de programa con las siguientes funciones:

- comunicarse y dar órdenes a las fuentes de luz activa y sensores

- procesar los datos de las intensidades con y sin luz activa para dar como resultado la intensidad de la luz ambiente y corregir en consecuencia las imágenes obtenidas.

2. Sistema para la calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales según la reivindicación 1, caracterizado por que el al menos un sensor espectral es un CMOS o una cámara CCD.

3. Sistema para la calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que comprende una pluralidad de sensores y una fuente de luz activa correspondiente a cada sensor.

4. Sistema para la calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado por que el controlador está además adaptado para cambiar los parámetros de cada sensor.

5. Sistema para la calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales según cualquiera de las reivindicaciones anteriores caracterizado por que comprende un vehículo aéreo no tripulado para alojar el sensor o sensores y la fuente o fuentes de luz activa.

6. Procedimiento de calibración de la reflectancia en toma de imágenes multiespectrales de un área objetivo que comprende los siguientes pasos:

- adquirir una imagen del área objetivo para cada banda espectral mediante al menos un sensor para una banda determinada;

- adquirir una imagen de la misma área emitiendo simultáneamente luz activa; - extraer información acerca de la intensidad de los píxeles iluminados con y sin la fuente de luz activa.;

- calcular la intensidad de la luz ambiente en cada banda espectral de interés en función de la intensidad de los pixeles iluminados con y sin luz activa.