CN102466520A - 多光谱成像颜色测量***及其成像信号处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光谱成像颜色测量***及其成像信号处理方法。多光谱成像颜色测量***包括黑室、载样台和用于拍摄被测物体的成像***，还包括用于为所述成像***提供具有高度空间均匀性的照明环境的可控照明***、用于过滤所述可控照明***发出的经所述被测样品反射的反射光并为所述成像***提供合适波长的光带以便成像的滤光片轮***、用于对所述成像***拍摄的图像进行校准和反射重构成像信号处理***以及用于控制多光谱成像颜色测量***中各部分运行的电子控制***。本发明多光谱成像颜色测量***及其成像信号处理方法可以克服传统色度成像***和分光光度计***精确度不够的缺点，为纺织工业用户提供高精度颜色测量和评定的基本功能。

Description

多光谱成像颜色测量***及其成像信号处理方法

技术领域

本发明涉及成像领域，尤其涉及一种多光谱成像颜色测量***。

背景技术

目前，用分光光度计可以对大型单色样品进行颜色测量，并具有较高颜色精确度。但是，由于分光光度计的空间分辨率极低，它不能用于测量各种纺织及成衣样品，例如色织面料、蕾丝、饰品和印花面料。

传统成像设备包括数码相机和彩色扫描仪，它们记录颜色信息的方法是物体表面反射光通过具有不同光谱透过率的多个颜色滤光片，然后利用电子传感器将所述反射光形成图像。它们在同时测量很多颜色方面具有很多优点，在测量小型、多色物体和捕捉具有复杂纹理表面的物体的颜色信息时尤其常用。然而，一方面，传统三原色和色度法成像***由于违背了Luther规则而很难产生高颜色精确度的图像，Luther规则是指多数相机的光谱敏感度并不与人眼相似或并是不是人眼的线性组合。另一方面，这种色度法成像***仅能输出三刺激值，这种方式会导致由不同观察者和不同照明***引起的同色异谱错误。因此，这些色度法测量***，例如由Verivide有限公司生产的DigiEye，对于颜色质量要求较高的纺织及成衣工业，其精确度不够。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于，针对现技术中的多光谱成像颜色测量***在应用于纺织及成衣工业中精确度不够的缺陷，提供一种高精确度的多光谱成像颜色测量***及其成像信号处理方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种多光谱成像颜色测量***，包括用于为多光谱成像形成包围密闭空间的黑室、位于黑室内用来安放和固定被测样品的载样台以及位于室内用来拍摄被测样品图像成像***，还包括：

可控照明***，位于所述黑室内，包括至少一个在被测样品上侧对称排布并照向所述被测样品的灯源，为所述成像***提供具有高度空间均匀性的照明环境，并由电子控制***控制运行；

滤光片轮***，位于所述成像***与所述被测样品之间，用于过滤经所述被测样品反射的所述可控照明***发出的光，为所述成像***提供合适波长的光谱以便成像，并由所述电子控制***控制运行；

成像信号处理***，位于所述成像***内，用于对所述成像***拍摄的图像进行校准和反射率重构；以及

电子控制***，所述可控照明***、所述滤光片轮***以及所述成像***通信相连，用于控制上述各个***的运行状态。

本发明多光谱成像颜色测量***中，所述灯源包括依次连接的灯泡、用于收集更多均匀光的光学积分柱、用于进一步改善照明均匀性和放大倍数的透镜系以及用于减少漫射光的光阻板，所述灯管的内部还覆有用于减少内部反射光的黑色涂层；

所述光源是具有平滑曲线光谱能量分布的卤钨灯，由两个高精度直流稳压电源供电；

所述光学积分柱是由玻璃墙包围的中空喇叭结构；

所述透镜系包括限制光束边缘的光栅和若干个不同折射率的凸透镜和凹透镜；

所述光阻板置于所述透镜系的前边缘。

本发明多光谱成像颜色测量***中，所述滤光片轮***包括电机、滤光片轮以及连接所述电机和所述滤光片轮的皮带装置；

所述电机是一个给所述滤光片轮提供用于滤光片位置选择的元件，由电子控制***控制；

所述滤光片轮进一步包括一个底盘，所述底盘上有若干个插槽和若干个用于减小旋转负重的洞，滤光片通过顶扣环固定在所述插槽中，所述滤光片轮还包括一个内置的用于位置探测的红外光学开关；

所述皮带装置进一步包括装在所述电机旋转轴上的第一同步轮、装在所述底盘轴上的第二同步轮以及与所述第一同步轮和第二同步轮外边缘齿合的皮带。

本发明多光谱成像颜色测量***中，所述成像***进一步包括CCD传感器或CMOS传感器，所述传感器内置有A/D转换器，用于将投射到所述传感器焦平面上的经过所述滤光片轮***选定波长的光信号转换为数字电信号，产生多通道光谱图像。

本发明多光谱成像颜色测量***中，所述电子控制***包括：

用于调整所述照明***电源的电压和电流设置值以符合光源稳定工作状态的照明***控制单元；

用于控制所述电机的加速、稳态驱动和减速这三种工作状态的微处理器单元；

用于所述成像***、照明***控制单元和滤光片轮***间通讯的接口电路板。

一种成像信号处理方法，包括对光学透镜和滤光片引起的位置偏差进行几何校正以及在同一时间对每个光通道进行图像亮度校正，还包括：

S1，估算传感器线性工作范围的曝光时间，使所述传感器工作在所述曝光时间内以便将入射光信号线性地转化为数字成像信号；

S2，对所述传感器中固有噪声源引起的图像噪声进行校正；

S3，对于不同滤光片引起的不同光通道的图像进行多通道图像校准以消除滤光片轮中滤光片折射率或相对位置失调造成的不同通道之间图像内容的位置偏移；

S4，对每个通道上的叠影效应引起的叠影图像分别进行校正；

S5，利用经过上述处理后的成像信号重构反射率，生成所述被测样品的反射率光谱图像。

本发明成像信号处理方法中，在步骤S2中，所述固有噪声源主要是暗电流，用I_Corr代表校正后的图像，I_rep代表最初或原始的没有校正过的图像，I_Dark代表“暗电流”图像，I_white代表均匀白色目标图像，系数k是一个保证CCD传感器工作在线性范围状态的校准常数，则校准过程用下式表示：

$I_{\mathrm{Corr}}(i,j)=k\frac{I_{\mathrm{rep}}(i,j)-I_{\mathrm{Dark}}(i,j)}{I_{\mathrm{white}}(i,j)-I_{\mathrm{dark}}(i,j)}.$

本发明成像信号处理方法中，步骤S3进一步包括：

S41，选择一个通道的图像作为参考通道图像，根据选定的参考通道图像分别对其它目标通道图像进行校准；

S42，将所述参考通道图像和目标通道图像分成一系列分区间；

S43，选择空间位移的误差代价函数，取其最小值，用下坡型算法求所述每个分区间内失真向量的最大相关系数；

S44，将目标图像中除边缘部分外的其它部分的双线性插值生成剩余像素的向量，将所述剩余像素的向量与所述失真向量一起生成所述选定分区间内与原始图像相同大小的向量的向量组，产生映射函数f(x)；

S45，根据所述生成的映射函数f(x)对所述目标通道图像进行校准。

本发明成像信号处理方法中，步骤S4进一步包括：

S51，利用图像阈值方法提取白色物体，即模板图像；

S52，以扫描方式对整个图像的每个像素进行模板匹配处理，确定叠影效应造成的叠影图像的位置；

S53，对于每个成像通道的叠影图像分别根据其相关参数消除叠影效应。

本发明成像信号处理方法中，在步骤S5中，使用维纳估计或伪逆校准来进行光谱重构。

本发明多光谱成像颜色测量***及其成像信号处理方法的有益效果是：多光谱成像颜色测量***可以克服传统数码成像***和分光光度计***的缺点。在均匀照明***设计、多光谱成像信号处理***和多光谱成像信号处理方法的帮助下，所述完整的多光谱成像颜色测量(ICMM)***可以为纺织工业应用用户提供颜色测量和评定的基本功能。本发明设计了均匀照明***来提供均匀的成像环境，并设计了成像信号处理***以便同步捕捉高空间分辨率的光谱颜色图像。因此，任意多种颜色，无论该颜色多小，本发明都可以轻易测量。这种技术在提供物体的结构信息方面优于分光光度计，且在获取真实光谱反射和消除不同光源下的同色异谱方面优于现在的数码相机***。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是根据本发明一个实施例的成像颜色测量***的示意图；

图2是根据本发明一个实施例的灯管的示意图；

图3是根据本发明一个实施例的光学积分柱的示意图；

图4是根据本发明一个实施例的透镜系的示意图；

图5是根据本发明的一个实施例的含两个灯管的对称照明***的示意图；

图6是根据本发明的另一个实施例的由八个成450均匀分布的光源组成的环状照明***的示意图；

图7A是根据本发明的另一个实施例的多层结构照明***的示意图；

图7B是根据本发明的另一个实施例的多层结构照明***的夹角的示意图；

图8是根据本发明的一个实施例的滤光片轮***的示意图；

图9是根据本发明的成像信号处理方法的流程图；

图10是每个通道中拍摄图像的平均响应值与各自曝光时间区间的关系曲线图；

图11A是多通道图像校准过程中的参考通道图像；

图11B是多通道图像校准过程中的目标通道图像；

图11C是多通道图像校准前的参考通道图像与目标通道图像的位置偏差示意图；

图11D是多通道图像校准后的参考通道图像与目标通道图像的位置偏差示意图；

图12是根据本发明一个实施例的成像颜色测量***中滤光片的非平行表面示意图；

图13是根据本发明一个实施例的叠影效应示意图；

图14是根据本发明一个实施例的模板匹配过程示意图。

具体实施方式

图1是根据本发明一个实施例的成像颜色测量***的示意图。如图1所示，为了避免外部环境光线对颜色测量的干扰，所有的成像部件都装在黑室6中，将白板5和样品放在两个对称的分别以45±5°的几何角度倾斜的灯管4下。为了达到所要求的均匀的光强分布，对可控照明***进行了特殊设计。成像***1、分光片轮3和透镜2置于顶盒中，用于实现物体的多光谱成像。本发明多光谱成像颜色测量***中使用的是窄带干涉滤光片。

图2是根据本发明的一个实施例的灯管的示意图。在每个灯管中，包括3个单元，例如光源、光学积分柱和透镜系。卤钨灯用作光源，可以发出持续的、光谱功率集中分布在可视光长范围内的、在一定时间内光强稳定的光。光学积分柱用于聚集尽可能多的光线，它可以在光学积分柱出口产生均匀扩散的反射光，所述反射光再通过透镜组以进一步改善均匀照明有效范围内的均匀性和放大倍数。最后，可以提供达到多光谱成像颜色测量***要求的均匀照明区域。

高压氙灯也能发射持续光谱，它的色温一般在5000k。如果将某种转换滤光片与氙灯结合，可以更好的模拟D65标准的照明体。但是就像所有其它气体放电光源一样，氙灯的发射光谱有特定的谱线，它的波长大概在475nm左右。为了减小特征谱线的影响，通常使用特殊的分光片来抑制发射线谱。对比来说，卤钨灯的相应光谱能量分布是没有尖峰或小抖动的平滑曲线。在本发明中，用卤钨灯作为光源，为多光谱成像颜色测量***提供持续光谱分布的光。

作为多光谱成像颜色测量***的光源，平面光源的稳定性是获取高质量图像的第一步。两个高精度直流稳压电源为卤钨灯提供能稳定电压和电流，以保证光源光强的稳定性。有线或无线接口用于连接直流稳压电源和主机。主机发出指令，根据规定的一些有线或无线协议，调整所需的电压和电流值以符合光源稳定工作状态的设置值。

另外，为了进一步减小光路和灯管中漫射光的影响，一每个灯管中进一步包括光阻板。光阻板置于每个透镜组的前边缘，用来减少所照明物体表面的漫射光。为了进一步减少漫射光，整个灯管内部还可以涂抹吸光材料。

图3是根据本发明一个实施例的光学积分柱的示意图。如图3所示，将卤钨灯中经过多重反射的发射光看作一个具有一定规模和高亮度的点光源。这个点光源的亮度分布类似于高斯分布，它是不均匀的。为了达到多光谱成像颜色测量***中要求的20cm*20cm区域内的均匀照明条件，要对所述发射光作进一步处理。在本发明中，设计了一个重要的光学器件来导光，即光学积分柱。它的主要作用就是收集更多的均匀光。

在本发明中，积分柱是由光学玻璃片包围的中空结构，用来均匀化发射光。这种喇叭结构用来收集尽可能多的光，例如可以获取光学积分柱左侧的平面漫反射光。当导入积分柱的光束的扩散角小于光导的孔径角时，经玻璃内壁多次反射的光将从积分柱的出***出。当光束的扩散角大于光导的孔径角时，所述光束将发生折射。通过这种光导机制，从积分柱另一端出来的光将形成强度更均匀的光束，而这时光的传播方向是杂乱的。光折射管孔径角由它的折射系数决定。

图4是根据本发明一个实施例的透镜系的示意图。尽管从光学积分柱中经多次镜面反射出来的光可以看作是均匀的，但这种光的均匀照明区域的有效范围相对较小，不能满足多光谱成像颜色测量***中测量平面上大规模均匀照明区域的要求。因此，在本发明中，使用一系列透镜来扩大从光学积分柱中出来的光的均匀照明区域。为了保证透镜系的放大系数，减少光学畸变、透镜像差和色差，本发明采用的透镜系包括多片透镜，具体光路图如图4所示。

本发明的一个实施例所采用的透镜系包括两个透镜组。第一组包括五片透镜，其中有两片凹透镜和三片凸透镜。第二组包括一片凹透镜和一片凸透镜。将凹透镜和凸透镜组合使用是为了消除透镜组的几何畸变。透镜系中选择不同折射率的透镜是为了消除色散误差。如图4所示，透镜系中的光栅的主要作用是限制光束边缘以免投射到外部。在一般情况下，光束边缘的畸变甚至比改变透镜位置造成的畸变还要严重。所述光栅可以有效地增加屏幕亮度均匀性和对比度，但同时也限制了光源的利用率。

图5是根据本发明的一个实施例的含两个灯管的对称照明***的示意图。如图5所示，两个灯管对称的分别以45±5°的几何角度倾斜放置。尽管图1和图5中给出的照明***采用了两个对称的灯管，但并不限制于两个对称灯管，在本发明的另一个实施例中，本发明的环状照明***可以包括任意数量或组合的卤钨灯光源。另外，本发明的照明***还可以包括任意层数的光源，以产生均匀光照区域。

例如，图6示出了根据本发明的另一个实施例的环状对称照明***的示意图。如图6所示，八个光源相互间隔45°均匀分布在圆环上。

图7A和图7B进一步示出了多层环状照明***的示意图。图7中每层的每个光源都以圆圈形式简单表示。这种多层环状照明***的每一层都能独立工作。多层环状照明***可以从不同角度照射所测量的物体，以获得对定向纹理图案样品和其它颜色依赖于光源不同入射角效果的物体的更精确的光谱分析。

图8是根据本发明的一个实施例的滤光片轮***的示意图。如图8所示，滤光片轮包括许多安装在轮齿上的窄带滤光片，窄带滤光片在轮上连续紧密排布。这些波长可选的窄带滤光片允许不同波长范围的光通过相应的滤光片。例如，这些波长可选窄带滤光片的不同区域可以将光过滤为10或20纳米宽的不同光谱。例如，所述波长可选窄带通滤光片的不同区域可以将光过滤为分别以400nm、420nm、440nm 、460nm、480nm、500nm、520nm、540nm、560nm、580nm、600nm、620nm、640nm、660nm、680nm和700nm为中心的不同的20nm带宽的光谱。在本发明中，窄带滤光片的数量不限于16或31，滤光片的带宽也不限于20nm或10nm。

图8示出了本发明的一个实施例，该实施例中的滤光片轮包括16个窄带滤光片。在这个实施例中，安装有波长可选窄带滤光片的自定义滤光片轮可以用在成像***和被测物体之间来采集每个光谱通道的信息，使成像***用作彩色分析仪/传感器。所述窄带滤光片为光谱分析和颜色测定提供合适波长范围的光谱。例如，波长可选窄带滤光片可以提供16个不同波长范围的光谱以供探测和分析，当然，也可以是其它适当数目的滤光片或光谱。

本实施例所采用的滤光片轮包括一个底盘，底盘上有16个用于安置滤光片的插槽。每个插槽中，用一个顶扣环来固定滤光片的边缘，减小滤光片轮旋转时滤光片的倾斜。在滤光片轮中，用一个皮带装置来取代直接耦合到步进电机驱动器轴上的方式，以便携带较重的负载，并保证更高的转动精度。第一同步轮装在步进马达的旋转轴上，第二同步轮装在轮底盘轴的***，在轮底盘的中心轴和***之间装有许多等距环状排布的窄带滤光片。轮底盘上各种各样的洞用于减小其旋转时的负重。与第一同步轮和第二同步轮各自外边缘齿合的皮带的作用是，以第一同步轮为中心，带动滤光片轮底盘旋转。

图8所示的滤光片轮是一个一端接有步进电机的紧凑圆盘设计。所述滤光片轮有一个内置的用于位置探测的红外光学开关，可以在每次旋转开始时对轮子进行初始位置校准。步进电机由微处理器模块控制，通过有线或无线接口端将滤光片轮和主机连接起来。步进电机是一个给电动滤光片轮提供用于滤光片位置选择的电源和通讯的外部元件。在本发明中，设计了两个互补控制来检测滤光片轮机制的旋转速度和位置。使用能给出参考位置的增量编码器就能实现自动控制。步进电机即使停止时通常也是通电的，固定在插槽中时没有明显的反弹或位置漂移。

当轮子旋转时，微处理器将三种工作状态的旋转脉冲发给电机的驱动器，所述三种工作状态包括加速、稳态驱动和减速，同时，将启动频率、驱动频率、加速时间和减速时间设置为相应的预定值。在滤光片轮的每个静止位置，光束以选定的波长通过滤光片和光学透镜传播。然后，投射到电荷耦合器件(CCD)或互补金属氧化物半导体(CMOS)传感器的焦平面上，CCD或CMOS传感器可以通过内置于成像传感器电路的A/D转换器将模拟光信号转换为数字电信号。步进电机带动轮子连续旋转，成像传感器就会产生16个或更多通道的光谱图像。

为了便于成像***与照明***控制单元和滤光片轮间的通讯，安装了一个接口电路板。该接口可以支持任意合适类型的通信媒介，例如有线或无线的网络或连接。该接口可以包括任意适合微处理器与主机间通信的结构。例如，可以是支持相机曝光时间的同步机制的接口电路板，也可以是支持窄带滤光片按照RS232通信协议连接的持续定位的接口电路板。

图9是根据本发明的成像信号处理方法的流程图。如图9所示，将原始图像转换为光度成像信号的成像信号处理方法包括：曝光时间估算、成像噪声校正、、多通道图像校准、叠影校正、图像亮度校正以及反射率重构。移动镜头的几何校正和亮度校正是本领域技术人员常用的技术手段，本文不再进行详细描述。

每个CCD传感器都有最大工作范围，在本文中称为曝光时间。超过某个最大输入值，输出信号将不再增加，传感器进入饱和。此外，所述传感器还有一个最小响应值，低于这个值，传感器不做出响应。为了估算CCD传感器在每个通道的曝光时间的线性范围，在黑室中的样品台上放置一个白色均匀目标板。这样做是为了估算每个滤光片的曝光时间的第一个适当值。

作为曝光时间估算的基本标准，设置拍摄图像的平均值，来得到某个预定值s。这个预定s接近于信号的最大可能值或饱和值(例如14位量化时是16384)，但为了避免出现采集图像出现饱和或过饱和的情形，通常会对预定值s设定一个安全区间。例如，通常将乘法修正系数例如0.75应用于估算每个通道的曝光时间。

图9是每个通道中拍摄图像的平均响应值与各自曝光时间区间关系的曲线图。如图9所示，采用介于35ms到340ms之间的各种不同的最大估算时间区间可以保证CCD传感器工作在线性动态范围。

从技术上来说，CCD必须执行图像生成过程中的四个工作，包括：电荷产生、电荷收集、电荷转移和电荷测量。每个像素的电荷生成与当前入射光水平成比例，因此所有像素的共同作用就生成了一个连续图像的空间样品代表。在电荷收集过程中，CCD传感器在生成电子后对图像进行精确的再现。再现的数码图像包括每个像素的电子电荷模式，所述电子电荷模式是以保存有整合期间产生的电子的数组来表示的。当没有光到达CCD的探测器时，每个像素的电荷在像素间递增转移。最后，在电荷测量阶段，每个像素的电荷量都连接到输出放大器，然后通过模数转换器(ADC)按顺序数字化。

在生成图像的过程中，成像***(例如CCD相机)中固有的噪声源会改变其相应于每个像素的数码水平，还造成真实图像的畸变以及辐***度、图像质量和分辨率的下降。

在本发明中，最重要的噪声源是暗电流。

暗电流噪声的产生是一个热过程，其中，电子吸热阶跃到一个中间状态，即被激发进入导带。由于这个原因，减小暗电流的最有效的方法就是给CCD降温。在本发明中，CCD传感器工作在零下30度以下，在灯盒中还可以设计了一个降温***来降低环境温度，以维持多光谱成像颜色测量***的稳定状态。尽管通过在硬件部分设计中减小光强的波动可以很大程度上改善光源的重复率，一个稳定和均匀的光源是获取用于光度测量的高质量图像的另一个重要因素。不均匀的入射光源将会导致可视范围内图像***像素响应的小变化，从而影响颜色测量的结果。

探测器大小和掺杂浓度稍有不同就会导致每个像素产生的暗电流数量稍有不同，这是另一种主要的暗电流不均匀噪声信号产生的原因。在本发明多光谱成像颜色测量***中，并不是CCD传感器中所有的像素都有相同的光敏感度。即使是硅晶片厚度的小变化也将影响敏感度。另外，尽管提供了一个可控照明环境，但由于发生在光学透镜中的光损失，照到传感器上的光可能并不均匀。由于图像本身里物体亮度的变化造成的这些小变化不能被检测到，这些不需要的像素或照明变化会在一定程度上影响多光谱成像颜色***的测量精度。上述两种类型的空间不均匀共同造成了成像***(例如CCD相机)响应的空间不均匀，如果基于CCD相机的成像***要实现高精度的幅度或光度测量，就必须对所述空间不均匀进行校正。

为了校正所述暗电流，使用黑暗背景或关闭快门或者两种方式一起作用来拍摄黑暗图像，以消除由于黑暗图像匹配白色目标图像引起的曝光时间造成的暗电流不均匀噪声。在这种情况下，图像照明和设备响应的两种空间不均匀都造成了图像不均匀。校准的基本过程用以下等式表示：

$I_{\mathrm{Corr}}(i,j)=k\frac{I_{\mathrm{rep}}(i,j)-I_{\mathrm{Dark}}(i,j)}{I_{\mathrm{white}}(i,j)-I_{\mathrm{dark}}(i,j)}$

其中，I_Corr代表校正后的图像，I_rep代表最初或原始的没有校正过的图像，I_Dark代表“暗电流”图像，I_white代表均匀白色目标图像，系数k是一个保证CCD传感器工作在线性范围状态的校准常数。

用前置有滤光片轮的黑白CCD相机获取多光谱图像，由于滤光片的不同折射系数导致所获取的不同光通道图像存在一定的位移偏移。

为了计算参考通道和其它通道图像间的空间位移，在所设计的黑室中采集一个简单的校正物体(例如白-黑棋盘格型)的图像。在这些多通道图像中，选择某个通道的图像作为参考图像，例如在560nm通道的图像。所有其它通道的图像的匹配校正都是相对选定的参考通道图像的。

多通道图像校准算法用于获得被测样品的多光谱校准图像。所有其它通道的图像是根据选定的参考通道图像校准的。为了准确计算各通道局部区域的空间位移，首先根据图像的灰阶直方图分布，选定一个合适的阈值将它们二值化处理。然后再利用边缘检测方法对多光谱图像进行以局部区域的梯度筛选。由于多光谱图像的所有局部区域都保留了特征边缘，对输入图像的边缘筛选提供了在宽波长范围的稳健性。

在图11中，示出了多通道图像校准方法的捕捉步骤：被测图样是黑白格子图样，图11A中是参考通道(560纳米波长)图像，图11B中是目标通道(700纳米波长)图像。图11C中是校准前参考通道图像和目标通道图像的差别，图11D中是校准后参考通道图像和目标通道图像的差别。可以看出，校准后这种差别明显减小。

如图11C所示，在x方向和y方向的几何失真既不是某一个通道上的空间常量，也不是不同物体同一通道上图像的空间常量。实际上，它取决于物体距离、相机变焦和光图，因此，每次多光谱曝光时，软件要重新进行校准。为了达到这个目的，将参考图像和目标图像分成一系列分区间，以便考虑图像失真向量的不均匀性。计算失真向量时单独计算各个区间的。

多光谱图像校准的目的是产生映射函数f：x→x’，将目标图像T的空间坐标x转换为参考图像S的坐标x’。在本发明中，选择映射函数f的方法如下：取空间位移的误差代价函数的最小值，然后求目标图像的边缘部分和参考图像相应部分间的相关系数的最大值。多通道图像校准过程的数学公式如下：

$\underset{f}{\max }I\left(S(f\left(x\right),T\left(x\right),f)\right)$

其中I()代表所选代价函数。用合适算法找到每个区间失真向量的最大相关系数。除了参考图像的560nm光谱外，目标图像和重构图像在水平和竖直方向的边缘最大位移都被用来记录所有其它的通道图像。最后，生成与原始图像相同大小的向量组。所述向量组包括选定区间的失真向量。目标图像中除了边缘以外的其它部分的双线性插值生成了剩余像素的向量。多通道图像校准后，在本发明多光谱成像颜色测量***中，偏差不超过一个像素，能实现优良的空间分辨功能。

由于设计和制作技术的限制，多光谱成像颜色测量***中的具有光反射和透射干扰的滤光片并不是理想的光学元件。尽管给所述滤光片涂了防反射膜，一部分入射光还是会在介质表面发生反射。更进一步的，如图12所示，滤光片的两个介质表面不是共平面的。此外，在滤光片和透镜系之间会有单次或多次反射。这些非理想光学特性导致在获得的图像中出现不希望的双重成像或叠影效应。

某个成像通道的叠影效应通常和其它通道是不同的，因为这种效应主要是非理想设计和滤光片的制作工艺引起的。叠影效应毫无疑问将影响成像***(例如相机)在每个像素位置的响应，降低多光谱成像颜色测量***的颜色测量的精确度。不同通道的叠影亮度与物体亮度的比率也不同，一般低于2％，。这种密度比率将严重降低光度和色度的精确度，尤其对于具有低亮度的样品，因此每个成像通道上的叠影效应都要校正。

亮度比率和位置偏移是造成叠影效应的两个重要参数。为了确定这两个参数，如图13所示，对一个黑暗背景中的白色十字架形状的平面样品进行成像处理。应当理解，白色物体并不限制于十字架形状，其他形状也可以。由于叠影效应，除了真实物体外，所得到的图像还包括一个具有很低亮度的重影十字架。重影十字架的位置由模板匹配方法确定。

计算叠影参数和消除叠影效应的方法描述如下：

1.白色物体的提取

白色物体的提取是通过图像阈值的方法实现的。阈值T由图像的最大亮度I_max和最小亮度I_min决定：

$T=\frac{I_{\max }+I_{\min }}{2}$

还可以使用其它阈值方法。认为亮度大于T的像素在候选物体中，而其它像素在背景或叠影中。由于图像噪声的影响，可能有孤立像素或微小区间被认为是候选物体。确定了最大候选物体的位置后，就能识别包含真实物体的部分图像，即模板图像I_template。

2.确定叠影效应的位置

图14示出了确定叠影位置的模板匹配的过程。匹配过程以扫描方式运行，例如，从左到右或从上到下。下式给出了从位置(s，t)开始的模板和候选分图的相关系数。可以看出，如果像素(s+m，t+n)在物体区域内，该像素将不被计算，因为它是物体像素。

$\mathrm{\η}(s,t)=\frac{\underset{m=1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}(I(i_0+m,j_0+n)-{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{temp}})(I(s+m,t+n)-{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{cand}})}{{\left[\underset{m-1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I(i_0+m,j_0+n)-{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{temp}})}^2\right]}^{1/2}{\left[\underset{m-1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n-1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{(I(s+m,t+n)-{\stackrel{\‾}{I}}_{\mathrm{cand}})}^2\right]}^{1/2}}$

上式中的标记

和

分别表示物体部分和候选叠影部分的平均亮度。对整个图像的每个像素进行模板匹配处理，就可以找到具有最大相关系数的位置(s₀，t₀)。然后根据下式计算叠影的位移：

(i_offset，j_offset)＝(i₀-s₀，j₀-t₀)

相应地，叠影效应的亮度比率由下式计算：

$\mathrm{\β}=\frac{{\stackrel{\‾}{I}}_C-{\stackrel{\‾}{I}}_D}{{\stackrel{\‾}{I}}_B}$

其中，

分别是区域B、C和D的平均亮度。

3.叠影效应的消除

得到叠影效应的参数后，就可以除任意捕捉图像的叠影效应了。像素位置(i，j)的校准密度是：

$\tilde{I}(i,j)=I(i,j)-\mathrm{\β}\·I(i+i_{\mathrm{offset}},j+j_{\mathrm{offset}})$

注意参数β和(i_offset，j_offset)指的是单个滤光片，要根据不同成像通道分别实行叠影效应的消除。

经过以上一系列成像处理，就可以高精度地利用数码图像值来估算反射重构。多光谱重构方法的主要目标是重构来自成像***的相应数字响应的彩色样品的反射率光谱图。反射率重构方法通常用于多光谱成像***，因为所用的线性模型需要采集较多的光谱通道才能估算可靠的光谱反射率。

光谱重构的数学方法可以分为插值方法，例如拉格朗日多项式插值、三次样条插值、三次插值、离散傅里叶变换或修正离散正弦变换，还有估算方法，例如伪逆法、平滑伪逆、维纳估计、非线性方法、主成分分析、独立成分分析或非负矩阵分解。估算方法通常基于以前实现的一系列测量发现的光谱类型的已知知识，即训练集。

在本发明中，使用维纳估计或伪逆校准来进行光谱重构。这属于背景技术范畴，可以在相关出版物中找到详细描述，在此不做介绍。

最后，经过反射率重构，校准后的图像数据就可以用于测量被测物体每个图像点的颜色光谱，且具有高光度精确度。

虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。

Claims (10)

1.一种多光谱成像颜色测量***，包括用于为多光谱成像形成包围密闭空间的黑室、位于黑室内用来安放和固定被测样品的载样台以及位于黑室内用来拍摄被测样品图像的成像***，其特征在于，还包括：

可控照明***，位于所述黑室内，包括至少一个在被测样品上侧对称排布并指向所述被测样品的灯管，为所述成像***提供具有高度空间均匀性的照明环境，并由电子控制***控制运行；

滤光片轮***，位于所述成像***与所述被测样品之间，用于过滤经所述被测样品反射的所述可控照明***发出的光，为所述成像***提供合适波长的光谱以便成像，并由所述电子控制***控制运行；

成像信号处理***，位于所述成像***内，用于对所述成像***拍摄的图像进行校准和反射重构；以及电子控制***，与所述可控照明***、所述滤光片轮***以及所述成像***通信相连，用于控制上述各个***的运行状态。

2.根据权利要求1所述的多光谱成像颜色测量***，其特征在于，所述灯管包括依次连接的光源、用于收集更多均匀光的光学积分柱、用于进一步改善照明均匀性和放大倍数的透镜组以及用于减少漫射光的光阻板，所述灯管的内部还涂覆有用于减少内部漫射光的吸光材料；

所述光源是具有平滑曲线光谱能量分布的卤钨灯，由两个高精度直流稳压电源供电；

所述光学积分柱是由玻璃墙包围的中空喇叭结构；

所述透镜组包括限制光束边缘的光栅和若干个不同折射率的凸透镜和凹透镜；

所述光学玻璃片置于所述透镜组的前边缘。

3.根据权利要求1所述的多光谱成像颜色测量***，其特征在于，所述滤光片轮***包括电机、滤光片轮以及连接所述电机和所述滤光片轮的皮带装置；

所述电机是一个给所述滤光片轮提供用于滤光片位置选择的电源和通讯的外部元件，由电子控制***控制；

所述滤光片轮进一步包括一个底盘，所述底盘上有若干个插槽和若干个用于减小旋转负重的洞，滤光片通过顶扣环固定在所述插槽中，所述滤光片轮还包括一个内置的用于位置探测的红外光学开关；

所述皮带装置进一步包括装在所述电机旋转轴上的第一同步轮、装在所述底盘轴上的第二同步轮以及与所述第一同步轮和第二同步轮外边缘齿合的皮带。

4.根据权利要求1所述的多光谱成像颜色测量***，其特征在于，所述成像***进一步包括CCD传感器或CMOS传感器，所述传感器内置有A/D转化器，用于将投射到所述传感器焦平面上的经过所述滤光片轮***选定波长的光信号转换为数字电信号，产生多通道光谱图像。

5.根据权利要求1所述的多光谱成像颜色测量***，其特征在于，所述电子控制***包括：

用于调整所述照明***电源的电压和电流设置值以符合光源稳定工作状态的照明***控制单元；

用于控制所述电机的加速、稳态驱动和减速这三种工作状态的微处理器单元；

用于所述成像***、照明***控制单元和滤光片轮***间通讯的接口电路板。

6.一种成像信号处理方法，包括对光学透镜或滤光片引起的误差进行几何校正，及对每个光通道图像进行亮度校正，其特征在于，还包括：

S1，估算传感器线性工作范围的曝光时间，使所述传感器工作在所述曝光时间内以便将入射光信号转化为数字成像信号；

S2，对所述传感器中固有噪声源引起的图像噪声进行校正；

S3，对于不同滤光片下获取的不同光通道的图像进行多通道图像配准，以消除由于滤光片轮中滤光片的相对位置差异、滤光片的不同折射率影响、镜头色散或成像***与被测物体间的微小差距造成的不同通道图像间的内容偏移；

S4，对每个通道上的叠影效应引起的叠影图像分别进行校正；

S5，利用经过上述处理后的成像信号重构反射率，生成所述被测样品的光谱反射率图像。

7.根据权利要求6所述的成像信号处理方法，其特征在于，在步骤S2中，所述固有噪声源主要是暗电流，用I_Corr代表校正后的图像，I_rep代表最初或原始的没有校正过的图像，I_Dark代表“暗电流”图像，I_white代表均匀白色目标图像，系数k是一个保证CCD传感器工作在线性范围状态的校准常数，则校准过程用下式表示：

8.根据权利要求6所述的成像信号处理方法，其特征在于，步骤S3进一步包括：

S41，选择一个通道的图像作为参考通道图像，根据选定的参考通道图像分别对其它目标通道图像进行校准；

S42，对采集的各通道图像分别进行二值化预处理，然后利用边缘检测算法提取各通道图像的特征边缘；

S43，将所述参考通道图像和目标通道图像分成一系列局部区域，选择空间位移的误差代价函数，取其最小值，用基于梯度下降算法求所述每个局部区区域内失真向量的最大相关系数；

S44，将目标图像中除边缘部分外的其它部分进行双线性插值生成局部区域内其他像素的偏移向量，将所述剩余像素的偏移向量与所对应的局部区域的边缘部分的偏移向量一起生成所述选定局部区域内与原始图像相同大小的偏移向量的向量组，产生映射函数f(x)；

S45，根据所述生成的映射函数f(x)对所述目标通道图像进行恢复校准。

9.根据权利要求6所述的成像信号处理方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：

S51，利用图像阈值方法提取白色物体，即模板图像；

S52，以扫描方式对整个图像的每个像素进行模板匹配处理，确定叠影效应造成的叠影图像的位置；

S53，对于每个成像通道的叠影图像分别根据其相关参数消除叠影效应。

10.根据权利要求6所述的成像信号处理方法，其特征在于，在步骤S5中，使用维纳估计或伪逆校准来进行光谱重构。

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