CN107367885A - 一种基于线性滤光片的超光谱摄像机 - Google Patents
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Abstract
本发明属于图像处理领域，具体为一种基于线性滤光片的超光谱摄像机。本发明由摄像机镜头、线性滤光片、CCD图像传感器和图像处理***组成。被摄物体的反射光线经过镜头和线性滤光片分光后，由CCD图像传感器产生物体在特定光谱下的各像素点信号，传递给图像处理***；通过调节线性滤光片的位置，使图像处理***获得被摄物体所有像素点的全光谱信息，最后利用图像处理***合成，从而实现对被摄物体的超光谱成像。本发明操作简易，可实现快速便携式测量，且能实现任何物体的全光谱成像，避免由同色异谱带来的成像误差。
Description
技术领域
本发明属于图像处理领域，具体为一种基于线性滤光片的超光谱摄像机。
背景技术
全光谱摄像技术如今被广泛运用于医疗，农业，军事，旅游等方向。线性滤光片作为一种小型的，便携式，中心波长呈线性可变化的分光装置在光谱分析中具有十分广泛的前景。在图像处理领域上利用光谱分析技术用于实现被摄物体的全光谱成像，是一种切实可行的技术方案。超光谱成像技术是指利用这种线性滤光片和摄像机镜头不仅可以后的对象信息的三维空间信息，同时也能获得每个像素点在全光谱范围内每1~10nm的光谱能量分布信息。这种摄像技术的创新点在于能够实现对被摄物体在不同波长下反射光谱的快速分析。传统的超光谱摄像机基于光栅设备的分光***会使整个仪器十分庞大，而且难以实现在连续光谱下的快速分析。
因此在技术上可以考虑用一种线性可变光滤波器来代替光栅设备。这种线性可变滤波器是一种沿着一个方向呈楔形厚度分布而另一个方向厚度均匀的薄膜滤光器。因此，如果它被设计成一个带通滤波器并且优化好它的厚度分布，那么它的通带的中心波长会在一个方向上成线性变化。基于这种线性可变光滤波器制作的超光谱摄像机能够利用CCD图像传感器快速得到被摄物体所有像素点的全光谱信息。和光栅相比，这种仪器的优势在于十分紧凑，低成本，光传输性高，稳定性高，光谱范围更加广泛，并且能解决同色异谱带来的成像误差。
更重要的是，可以采用手机的摄像镜头，通过设计专用的软件，只要附加CCD图像传感器、线性滤光片等极少量的部件，即可实现对被摄物体的全光谱成像，同时也可以将该摄像机放置在无人机上，利用有线或无线网络对超光谱摄像机实现远程操控。
因此，这种基于线性滤光片的超光谱摄像机具有广泛的应用前景。
发明内容
本发明属于图像处理领域，其目的在于提出一种可实现快速摄像，且测量误差小的一种基于线性滤光片的超光谱摄像机。
本发明提出的一种基于线性滤光片的超光谱摄像机，由摄像机镜头、滑动杆、线性滤光片、CCD图像传感器和图像处理***组成；
所述的摄像机镜头竖立固定在所述的超光谱摄像机的中轴线上；
所述的滑动杆位于所述的摄像机镜头与所述的CCD图像传感器之间，且垂直于所述的超光谱摄像机中轴线；
所述的线性滤光片安放在所述的滑动杆上，且能在滑动杆上沿着垂直于所述的超光谱摄像机中轴线的方向任意移动；通过控制滑动杆调节线性滤光片的轴向位置，可以分别在CCD图像传感器的不同位置上呈现出不同颜色的像；
所述的CCD图像传感器固定于所述的线性滤光片之后，竖立垂直于所述的超光谱摄像机的中轴线，可以接收到经摄像机镜头折射后的从被摄物体各点发出的光线；
所述的图像处理***置于所述的超光谱摄像机内部的末端，或者置于超光谱摄像机外部；
被摄物体的出光口对准摄像机镜头的进光口，摄像机镜头的出光口对准线性滤光片的进光口，线性滤光片的出光口对准CCD图像传感器，CCD图像传感器连接图像处理***。
本发明中，所述摄像机镜头为数码摄像机镜头或手机摄像机镜头。主要用于将被摄物体通过线性滤光片所产生的全光谱的单色像呈现在CCD图像传感器的不同位置上。
本发明中，通过调节滑动杆在所述的超光谱摄像机中轴线上的位置，控制所述的线性滤光片在滑动杆上的轴向位置，从而改变线性滤光片与摄像机镜头的相对位置，获得被摄物体所有像素点的全光谱信息，实现对被摄物体的超光谱成像。
本发明中，图像处理***采用计算机图像处理模块、手机图像处理软件或数码相机的图像处理芯片中任一种，并通过有线网络或无线网络与所述CCD图像传感器连接。只需要附加CCD图像传感器、线性滤光片等极少量的部件，即可在常用的摄像设备条件下，实现对样品的光谱测试与分析，因而可以实现便携化的操作。
本发明中，超光谱摄像机放置地包括无人机，星球表面探测器在内的各种无人驾驶的机械上，自动或通过遥控进行超光谱拍摄。
本发明中，所述线性滤光片是一种通过优化厚度分布后，在一个方向的通带中心波长等间距的呈线性分布，且相邻的中心波长分布密集，间隔只有1~10nm的一种线性滤光片。
本发明中提出的超光谱成像技术是指利用这种线性滤光片和摄像机镜头不仅可以后的对象信息的三维空间信息，同时也能获得每个像素点在全光谱范围内每1~10nm的光谱能量分布信息。
本发明所述的线性滤光片包含对应全光谱各种波长的光线透过的区域，各区域沿垂直于所述的超光谱摄像机的中轴线的方向一维排布。
本发明中所述的安放在滑动杆上的线性滤光片，通过改变线性滤光片与摄像镜头的相对位置，依次获得被摄物体所有像素点的全光谱信息；被摄物体的反射光线经过镜头和线性滤光片分光后，由CCD图像传感器产生物体在特定光谱下的各像素点信号，传递给图像处理***，再通过调节线性滤光片的位置，使图像处理***获得被摄物体所有像素点的全光谱信息，最后利用图像处理***合成，从而实现对被摄物体的超光谱成像。
本发明的前益效果在于：本发明通过有线和无线网络的通讯手段，可以将所述的超光谱摄像机放置在包括无人机，星球表面探测器在内的各种无人驾驶的机械上，自动或通过遥控手段，在一些人类无法抵达的地方进行超光谱拍摄；通过线性滤光片相对于传统光栅的小型化优势，大大缩小摄像机体积，降低航天运输成本，在极小的体积的条件下提供高清晰度的彩色摄像。
附图说明
图1是本发明中基于线性滤光片的超光谱摄像机***示意图。
图2是本发明线性滤光片的结构示意图。
图中标号：1是被摄物体，2是摄像机镜头，3是线性滤光片，4是滑动杆，5是CCD图像传感器，6是图像处理***，7是上反射膜层，8是间隔层，9是下反射膜层，10是基底。
具体实施方式
下面通过实施例结合附图进一步说明本发明。
实施例1：
如图1所示，所述装置由摄像机镜头2、滑动杆4、线性滤光片3、CCD图像传感器5和图像处理***6组成；所述的摄像机镜头2竖立固定在所述的超光谱摄像机的中轴线上；所述的滑动杆4放在所述的摄像机镜头2与所述的CCD图像传感器5之间，垂直于所述的超光谱摄像机的中轴线；所述的线性滤光片3安放在所述的滑动杆4上，可以在滑动杆4上沿着垂直于所述的超光谱摄像机中轴线的方向任意移动；所述的CCD图像传感器5固定于所述的线性滤光片3之后，竖立垂直于所述的超光谱摄像机的中轴线，可以接收到经摄像机镜头2折射后的从被摄物体各点发出的光线；所述的图像处理***6可以置于所述的超光谱摄像机内部的末端，或者置于超光谱摄像机外部。本发明中所述的图像处理***6是由进行搜集信息的图像采集卡（如Pro Capture Dual DVI采集卡、RS-644(LVDS)数字式图像采集卡、Levin-M205高精度图像采集卡等）和用于立体成像的图像处理硬件以及图像处理软件所组成的图像处理***。其作用包括但不限于医学上的三维CT（计算机层析摄影），军事模拟上的三维地理、地貌图。
实施例2：
如图２所示是一种线性滤光片的结构示意图，线性滤光片在x方向上呈楔形分布，可以通过调节上反射膜层7和下反射膜层9之间的厚度变化使得通带的中心波长呈线性变化因此当入射光从y方向垂直入射时，可以使透射光的中心波长在x方向呈线性变化，从而获得每个像素点的全光谱分布。
所述的基于线性滤光片的超光谱摄像机可以用于实现全光谱摄像功能。其具体工作步骤为：
（1）被摄物体1受日光照射或任何外来光源照射所产生的反射光线通过摄像机镜头2的折射抵达线性滤光片3；
（2）光线抵达线性滤光片3后，所对应区域的特定波长光线透过线性滤光片，并在CCD图像传感器5上呈现该特定颜色的像；
（3）通过控制滑动杆4调节线性滤光片3的轴向位置，可以分别在CCD图像传感器5的不同位置上呈现出不同特定颜色的像；
（4）在CCD图像传感器5上所成像的集合，通过图像处理***6的处理运算后，即可以得到被摄物体1的超光谱图像。
本发明的优势在于：
1）可以通过具体限定线性滤光片对应波长的区域，在不同价格区间内获得不同色彩分辨能力的摄像机，并在极致细化线性滤光片所对应波长区域的条件下，整合所有像素点在所有波长下的反射光信息，从而实现被摄物体的超光谱成像，避免因为同色异谱现象带来的成像误差；
2）通过简单的控制滑动杆横向位移的手段实现全光谱扫描，简化了摄像机的控制方法，以便于通过有线和无线网络的通讯方式应用在包括无人机，星球表面探测器在内的各种无人驾驶的机械上，以自动或遥控的手段在一些人类无法抵达的地方进行超光谱拍摄；通过使用线性滤光片替代传统光栅，大大缩小了产品体积，降低航天运输成本，在极小的体积的条件下提供高清晰度的彩色摄像。
Claims (7)
1.一种基于线性滤光片的超光谱摄像机，其特征在于由摄像机镜头、滑动杆、线性滤光片、CCD图像传感器和图像处理***组成；
所述的摄像机镜头竖立固定在所述的超光谱摄像机的中轴线上；
所述的滑动杆位于所述的摄像机镜头与所述的CCD图像传感器之间，且垂直于所述的超光谱摄像机中轴线；
所述的线性滤光片安放在所述的滑动杆上，且能在滑动杆上沿着垂直于所述的超光谱摄像机中轴线的方向任意移动；通过控制滑动杆调节线性滤光片的轴向位置，可以分别在CCD图像传感器的不同位置上呈现出不同颜色的像；
所述的CCD图像传感器固定于所述的线性滤光片之后，竖立垂直于所述的超光谱摄像机的中轴线，可以接收到经摄像机镜头折射后的从被摄物体各点发出的光线；
所述的图像处理***置于所述的超光谱摄像机内部的末端，或者置于超光谱摄像机外部；
被摄物体的出光口对准摄像机镜头的进光口，摄像机镜头的出光口对准线性滤光片的进光口，线性滤光片的出光口对准CCD图像传感器，CCD图像传感器连接图像处理***。
2.根据权利要求1所述的一种基于线性滤光片的超光谱摄像机，其特征在于其摄像机镜头为数码摄像机镜头或手机摄像机镜头。
3.根据权利要求1所述的一种基于线性滤光片的超光谱摄像机，其特征在于通过调节滑动杆在所述的超光谱摄像机中轴线上的位置，控制所述的线性滤光片在滑动杆上的轴向位置，从而改变线性滤光片与摄像机镜头的相对位置，获得被摄物体所有像素点的全光谱信息，实现对被摄物体的超光谱成像。
4.根据权利要求1所述的一种基于线性滤光片的超光谱摄像机，其特征在于图像处理***采用计算机图像处理模块、手机图像处理软件或数码相机的图像处理芯片中任一种，并通过有线网络或无线网络与所述CCD图像传感器连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于线性滤光片的超光谱摄像机，其特征在于超光谱摄像机放置地包括无人机，星球表面探测器在内的各种无人驾驶的机械上，自动或通过遥控进行超光谱拍摄。
6.根据权利要求1所述的一种基于线性滤光片的超光谱摄像机，其特征在于所述线性滤光片是一种通过优化厚度分布后，在一个方向上的通带中心波长等间距的呈线性分布，且相邻的中心波长分布密集，间隔只有1~10nm的一种线性滤光片。
7.根据权利要求1所述的一种基于线性滤光片的超光谱摄像机，其特征在于所述线性滤光片对应全光谱各种波长的光线透过的区域，各区域沿垂直于所述的超光谱摄像机中轴线的方向一维排布。
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