CN101551274B - 一种新型棉花色泽仪及棉花色泽测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种新型棉花色泽仪，它的传感器由Y(λ)传感器和5个-10个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器组成，5个-10个波段传感器分别为蓝色光波长范围内的不同波长的传感器，蓝色光波长范围内的不同波长的取值分布分为第一波长区间、第二波长区间、第三波长区间，本发明最少利用5个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器和1个Y(λ)传感器能够达到测量结果ΔRd≤±1(％)，Δb≤±0.5的测量精度，不仅保证了测量精度，同时大幅降低了仪器成本和测量成本。

Description

一种新型棉花色泽仪及棉花色泽测量方法

技术领域

本发明涉及一种棉花色泽仪及棉花色泽测量方法。

背景技术

我国的棉花种植大约有2000年的历史。目前对于棉花质量检验一般是根据棉花的成熟程度、色泽特征、轧工质量等条件把棉花分为不同等级。其中棉花的色泽检验是棉花分级的一个重要依据。早期的棉花色泽检验主要是通过分级员的眼睛来确定的，但是人眼目视的主观测量包含着人为因素，只能初略地评价棉花的色差，而不能对色泽进行绝对测量。从色度学角度来看，对于任何物体的颜色评价都与其照明光源有关，因此作为棉花色泽测量的色度测量仪器必须综合人眼的光谱光视效率特性和其照明光源的光谱特性，同时在采用统一标准的照明和几何测量条件下，才能客观地评价棉花色泽的特性。目前市场上成熟的专用棉花色泽测量仪器是美国Spinlab公司930棉花色泽仪和HVI Spectrum，通过测量棉花的反射比Rd和黄度b，实现对棉花分级的测量。

我国对于棉花色泽测量的研究已有几十年的历史，测量方法和国际上测量棉花色泽的方法一致，都是基于Nickerson-Hunter色度空间，仪器采用5块标准色板对测量仪器进行色度标定，测量棉花的反射比Rd和黄度b来评价棉花的色泽分级。目前，棉花色泽测量仪器一般采用光电积分法，即930棉花色泽仪所采用的方法，其原理是采用光谱响应符合国际照明委员会CIE色刺激值XYZ曲线的色度传感器，测量棉花的颜色信息，并基于Nickerson-Hunter色度计算公式计算棉花的Rd和b值。但是由于积分式色度传感器的匹配是此类色度测量方法的难点，对于CIE标准XYZ曲线的匹配精度将是棉花色泽测量中的一个重要误差因素。因此，虽然对标准色板具有较好的测量精度和重复性，但是对于实际棉花色泽的测量还有偏差，精度不高。

目前流行的另一种棉花色泽测量方法是分光光度法，代表仪器是HVI-Spectrum。该方法采用光谱分析仪作为传感器，测量进入人眼的色刺激函数

得到被测物体在各个波长下的光谱能量值，采用积分运算获得光谱三刺激值，并基于Nickerson-Hunter色度计算公式计算棉花的Rd和b值。该方法把所有光谱信号全部测量下来，因此理论上说没有误差。但在实际测量中，一般是间隔1nm/5nm/10nm等对可见光波段进行采样，如果采用5nm间隔采样，可见光波段从380nm-780nm共400nm，这样，如果全部采用波段传感器就需要81个探测器，即使采用20nm间隔采样也需要21个波段传感器，因此不仅成本巨大，几十个探测器的安装也很成问题。

发明内容

本发明首先所要解决的技术问题是提供一种测量准确但成本相对较低的新型棉花色泽仪。为此，本发明采用以下技术方案：它的传感器由Y(λ)传感器和5个-10个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器组成，所述5个-10个波段传感器分别为蓝色光波长范围内的不同波长的传感器，所述蓝色光波长范围内的不同波长的取值分布分为第一波长区间、第二波长区间、第三波长区间，所述第一波长区间为CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值中的Z刺激值峰值区域所对应的波长区间，第一波长区间为435nm-455nm，所述第二波长区间为小于第一波长区间的波长大于等于380nm，所述第三波长区间为大于第一波长区间的波长小于等于560nm；对应上述3个波长区间，都分别设置不少于1个的用于组合成Z(λ)传感器的波段传感器。第一波长区间优选为440nm-450nm，最优为445nm。

根据色度学原理，为了计算光源(光谱功率分布为Pe(λ))或物体的颜色(光谱反射比为ρ(λ))，首先需要测量进入人眼的光谱组成，进入人眼的光谱能量为

称为色刺激函数，由测试仪器测量获得。根据测量所获得的色刺激函数，可计算出CIE标准色度观察者光谱三刺激值X、Y、Z，X、Y、Z分别代表了颜色(光源色或物体色)的红、绿、蓝组成成分。

$\left\{\begin{array}{c}X=K{\∫}_{380}^{780}{P}_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{x}\left(\mathrm{\λ}\right)d\left(\mathrm{\λ}\right)\\ Y=K{\∫}_{380}^{780}{P}_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)d\left(\mathrm{\λ}\right)\\ Z=K{\∫}_{380}^{780}{P}_e\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{z}\left(\mathrm{\λ}\right)d\left(\mathrm{\λ}\right)\end{array}\right.$ 式(1)

式中P_e(λ)为照明物体的光源的相对光谱功率分布，ρ(λ)为物体的光谱反射比，x(λ)y(λ)z(λ)为CIECIE 1931标准色度观察者光谱三刺激值，K为常数。

$K=\frac{100}{{\∫}_{380}^{780}{P}_e\left(\mathrm{\λ}\right)\stackrel{\‾}{y}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{d\λ}}$ 式(2)

CIE1931-XYZ系统应用于视场为1°-4°的范围之内，而当视场大于4°时，人眼对颜色的感觉会发生变化，为了适应10°大视场的色度测量，CIE于1964年推出CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值如图3，在大视场色度测量及计算中以CIE1964-XYZ系统代替CIE1931-XYZ系统。棉花色泽的测量就属于大视场的色度测量。

此外，由于人眼对颜色亮度和饱和度分级不存在线性关系，国际上在棉花色泽分级中普遍采用了Nickerson-Hunter色度空间，Nickerson-Hunter色度空间的色度计算公式如式(3)

$\left\{\begin{array}{c}\mathrm{Rd}=Y\\ a=175f_y(1.02X-Y)\\ b=70f_y(Y-0.847Z)\\ f_y=0.51[(21+20Y)/(1+20Y)]\end{array}\right.$ 式(3)

根据所获得Y刺激值和Z刺激值采用式(3)计算可以得到棉花的反射比Rd和黄度b。

CIE-XYZ作为对棉花色泽测量的原始颜色信息，其测量的准确度直接关系到棉花色泽的测量精度。长期以来，高匹配精度的色度传感器一直是困扰棉花颜色测量的一个难点。

根据Nickerson-Hunter色度空间，构成棉花Rd和b的主要色度信息来自Y(λ)和Z(λ)传感器。由于Y(λ)传感器不仅仅运用在棉花色泽测量领域，同时在照度、亮度、光通量等其他光度测量领域中也被广泛使用，因此长期以来对于Y(λ)传感器的研究较为成熟。目前高精度的Y(λ)传感器匹配误差f1优于3％。而相对于Y(λ)传感器，Z(λ)传感器精度普遍不高。根据Z(λ)传感器波长分布特性，发明人把Z(λ)传感器分为若干个波段，分别测试计算并组合成Z(λ)传感器。由此构成本发明的采用精度较高的Y(λ)传感器和多个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器组成的技术方案，在经过实验，发明人惊奇地发现，采用该技术方案，最少利用5个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器和1个Y(λ)传感器能够达到测量结果ΔRd≤±1(％)，Δb≤±0.5的测量精度，不仅保证了测量精度，同时大幅降低了仪器成本和测量成本。

在采用本发明的上述技术方案的同时，本发明还可采用以下进一步的技术方案：

根据CIE1964标准曲线中Z刺激值短波方向上升速度较快，而长波方向下降速度较慢的特点，第二波长区间内的波长取值间距不大于第三波长区间内的波长取值间距。

第二波长区间内的最短波长的取值，满足所取波长不小于400nm，第三波长区间内的最长波长的取值，满足所取波长不大于510nm。

从第二波长区间内所选取的波长，它们的波长取值与第二波长区间的最大值和最小值之间间距均匀。

从第三波长区间内所选取的波长，它们的波长取值与第三波长区间的最大值和最小值之间间距均匀。

从第一波长区间内所选取的波长，它们的波长取值与第一波长区间的波长最大值和波长最小值之间间距均匀，或者它们是第一波长区间的波长最大值和波长最小值，或者，它们包含了第一波长区间的波长最大值和波长最小值。

以上的进一步的技术方案，均能够用尽可能少的波段传感器获得更理想的测量准确性。

附图说明

图1为本发明所提供实施例的系统简图。

图2为本发明所提供实施例的探头主体的示意图。

图3为CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值中的Y和Z刺激值图。

具体实施方式

参照附图。本棉花色泽仪实施例中设有1个Y(λ)传感器7和6个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器，Z(λ)传感器的标号分别为1、2、3、4、5、6，它们集成在探头100中，探头100上还集成有用于棉花杂质测量的传感器10，所述棉花色泽仪还设有与用于棉花杂质测量的传感器、Y(λ)传感器和所述6个用于组合成Z(λ)传感器的波段传感器连接的多路放大器20、模拟开关30、模/数转换器40、微处理器50，多路放大器与模拟开关连接，模拟开关与模/数转换器连接，模/数转换器与微处理器连接，微处理器通过RS232接口与计算机连接。其光源采用对称的光源以45°方向照明棉花样品，由棉花表面漫反射的光在0°方向被所述传感器接收。传感器接受信号后，其输出的多路光电信号被放大，由微处理器控制模/数转换器对信号实时采样并通过RS232接口60输出到计算机70，由计算机进行数据分析，并计算出反射比Rd和黄度b。

所述6个波段传感器分别为蓝色光波长范围内的不同波长的传感器，所述蓝色光波长范围内的不同波长的取值分布分为第一波长区间、第二波长区间、第三波长区间，所述第一波长区间为CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值中的Z刺激值峰值区域所对应的波长区间，第一波长区间为435nm-455nm，所述第二波长区间为小于第一波长区间的波长大于等于380nm，所述第三波长区间为大于第一波长区间的波长小于等于560nm。

所述Y(λ)传感器由用于Y(λ)校正的1组滤光片和探测器构成，5个-10个波段传感器分别由不同波段的滤光片和探测器构成

考虑到CIE标准曲线中Z刺激值峰值在445nm，因此波段选取中，第一波长区间优选取其峰值波长445nm。考虑到实际加工中干涉滤光片的波长漂移以及安装工艺，因此第一波长区间也可以是为445nm±5nm或者445nm±10nm。当第一波长区间取值为445nm±5nm或者445nm±10nm时，在该波段区间内设置不少于1只波段传感器。

本实施例中，Z(λ)传感器所对应的波长分别为415nm、430nm、445nm、465nm、485nm、505nm，并由上述多波段组成Z(λ)传感器。

测量仪经过标准色板标定后，根据以上的步骤，对美国USDA进口标准棉样(127#)1套12个样品进行了实际测量。测量中考虑到棉花样品与标准色板比较，其均匀性及在各个方向的一致性较差，因此实际测量时，每个棉样均测量4个方向的Y和Z值并通过Nickerson-Hunter色度计算公式计算获得Rd和b值，即每测量1次转动90°，同样方法旋转2周后，获得8个测量数据，以平均值表示最终棉花样品的Rd和b值。其测量结果如下：

上述测量结果表明：基于多波段传感器技术的棉花色泽仪，在保证了其色传感器对棉样原始色度信号的采样精度后，其测量值Rd和b的误差信号ΔRd≤±1(％)，Δb≤±0.5。上述结果是对棉样的实际测量，相对于色板测量更具有实用价值。

Claims (10)

1.一种棉花色泽仪，其特征在于它的传感器由Y(λ)传感器和5个-10个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器组成，所述5个-10个波段传感器分别为蓝色光波长范围内的不同波长的传感器，所述蓝色光波长范围内的不同波长的取值分布分为第一波长区间、第二波长区间、第三波长区间，所述第一波长区间为CIE1964补充标准色度观察者光谱三刺激值中的Z刺激值峰值区域所对应的波长区间，第一波长区间为435nm-455nm，所述第二波长区间为小于第一波长区间的波长大于等于380nm，所述第三波长区间为大于第一波长区间的波长小于等于560nm；对应上述3个波长区间，都分别设置不少于1个的用于组合成Z(λ)传感器的波段传感器，所述Y(λ)传感器由用于Y(λ)校正的1组滤光片和探测器构成，5个-10个波段传感器分别由不同波段的滤光片和探测器构成。

2.如权利要求1所述的一种棉花色泽仪，其特征在于所述第二波长区间和第三波长区间分别设置不少于2个的用于组合成Z(λ)传感器的波段传感器。

3.如权利要求1或2所述的一种棉花色泽仪，其特征在于所述第一波长区间为440nm-450nm。

4.如权利要求1或2所述的一种棉花色泽仪，其特征在于所述第一波长为445nm。

5.如权利要求1或2所述的一种棉花色泽仪，其特征在于第二波长区间内的最短波长的取值不小于400nm，第三波长区间内的最长波长的取值不大于510nm。

6.如权利要求1或2所述的一种棉花色泽仪，其特征在于第二波长区间内的波长取值间距不超过第三波长范围内的波长取值间距。

7.如权利要求1或2所述的一种棉花色泽仪，其特征在于从第二波长区间内所选取的波长，它们的波长取值与第二波长区间的最大值和最小值之间间距均匀。

8.如权利要求1或2所述的一种棉花色泽仪，其特征在于从第三波长区间内所选取的波长，它们的波长取值与第三波长区间的最大值和最小值之间间距均匀。

9.如权利要求1或2所述的一种棉花色泽仪，其特征在于从第一波长区间内所选取的波长，它们的波长取值与第一波长区间的波长最大值和波长最小值之间间距均匀，或者它们是第一波长区间的波长最大值和波长最小值，或者，它们包含了第一波长区间的波长最大值和波长最小值。

10.如权利要求1或2所述的一种棉花色泽仪，其特征在于它设有与用于棉花色泽测量的Y(λ)传感器和所述5个-10个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器连接的多路放大器、模拟开关、模/数转换器(ADC)、微处理器，其中多路放大器与模拟开关连接，模拟开关与模/数转换器(ADC)连接，模/数转换器与微处理器连接，微处理器通过RS232接口与计算机连接；所述用于棉花色泽测量的Y(λ)传感器和所述5个-10个波段传感器组合而成的Z(λ)传感器集成在探头主体中。

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