CN102829872A

CN102829872A - 一种用接触式图像传感器测量颜色的方法及装置

Info

Publication number: CN102829872A
Application number: CN2012102893721A
Authority: CN
Inventors: 刘浩学; 黄敏; 杨文杰; 秦练; 武兵; 徐艳芳; 刘瑜; 李修
Original assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Current assignee: Beijing Institute of Graphic Communication
Priority date: 2012-08-14
Filing date: 2012-08-14
Publication date: 2012-12-19

Abstract

本发明涉及一种用接触式图像传感器（CIS）测量颜色的方法及装置，属于颜色测量技术领域。该装置包括接触式图像传感器、接口电路和计算机，接触式图像传感器通过接口电路连接到计算机上，接触式图像传感器采集反射样品的颜色信息，将颜色信息转换为相应的数字信息，通过接口电路传输到计算机，计算机将数字信息进行数学变换，得到颜色测量所需CIE颜色值。本发明利用集成度非常高的接触式图像传感器的光电转换特性进行颜色测量，避开了分光光度计的技术，利用光电色度计的原理和CIS光电转换单元阵列的特点实现大量颜色样品的快速扫描测量，满足快速颜色测量的需要。

Description

一种用接触式图像传感器测量颜色的方法及装置

技术领域

本发明涉及一种用接触式图像传感器（contact Image Sensor，简称CIS）测量颜色的方法及装置，属于颜色测量技术领域。

背景技术

随着颜色科学理论和计算机技术的发展，颜色信息已经从模糊的感觉概念变为精确的定量描述，成为数字图像的信息构成，颜色测量仪器得到了越来越广泛的应用。在影像处理与复制领域，通常需要用色彩管理技术进行图像质量的控制，必须对大量的颜色样品进行测量，如ISO IT8/7.3标准色标有近1000个色块，ECI2002色标有近1500个色块。为了提高颜色测量的速度，目前工业中使用的色彩管理测量仪器都是进口的昂贵设备，如美国X-Rite公司的EyeOne IO和i1iSis等扫描分光光度计，通过对颜色样品的扫描测量记录每个色块的颜色测量数据。在进行印刷过程质量控制时，由于印刷机的速度很快，需要使用测量速度更快的仪器以适应实时检测的需要。目前使用的颜色测量仪器是价格更加昂贵的进口仪器，而且体积很大，如X-Rite Intelitrax或Easytrax等。

颜色测量仪器主要分为两类：分光光度计和光电色度计。二者的测量原理不同。分光光度计通过对测量样品反射光的光谱分析计算颜色值，而光电色度计通过光电转换器件的光电特性模拟人眼的颜色感知过程进行颜色的测量。通常分光光度计的测量精准度要高于光电色度计，但仪器制造的成本也远高于光电色度计。而光电色度计的优点是结构简单，价格低，测量速度快。国内尚未生产出适用于上述工业需要的商品化颜色测量仪器，其主要原因是分光光度计属于精密光学仪器，精度和集成度要求都很高，制造技术复杂，国内不掌握其核心技术。

发明内容

本发明根据光电色度计的原理，利用接触式图像传感器感光单元列阵的光电特性提供一种能够快速测量大量颜色样品的装置和方法。通过接触式图像传感器CIS对色标图或印刷测控条进行扫描，采集得到色标中每个色块的RGB响应值，再对RGB响应值进行数学变换得到相应的CIEXYZ三刺激值，进而计算得到其它颜色值，如色品坐标xy和CIELAB颜色值L*a*b*。如果已知各色块的标准颜色数值则可以计算得到色标中各色块与标准值之间的色差。

接触式图像传感器（CIS）是一种集成度非常高的光电转换器件，其内部集成了LED光源、光学透镜、光电转换单元阵列以及相关的电路，可以对反射样品，如照片、印刷品等进行光电转换，采集为数字图像，其内部结构示意如图1所示。反射样品经LED光源照明后，反射光被柱透镜收集并由各光电转换单元将光信号转换为模拟电信号，经过内部电路和A/D转换得到与光信号成比例的数字信号。由于光电转换单元排列成一行，因此同时可以采集反射样品上一行的信息。如果同步移动接触式图像传感器CIS或反射样品，就可以将整幅样品的信息采集下来。接触式图像传感器CIS分为单色和彩色等几种类型，其中彩色CIS可以将彩色样品的颜色转换为相应的红、绿、蓝（RGB）电信号。目前CIS多用于图像信息的采集及识别。

本发明利用CIS器件的光电转换功能和光电转换单元阵列的特点设计了一种快速测量颜色的光电色度计，每一个光电转换单元构成一个独立的光电色度计，因此单元阵列可以同时采集多个颜色样品，实现对大量反射样品颜色的批量测量功能。要实现光电色度计的功能，首先用CIS器件对反射样品颜色信息进行采集，将采集的RGB信号进行数学转换，得到符合CIE（国际照明委员会International Commissionon Illumination的简称）颜色系统的标准颜色值，实现颜色测量的功能。

一种用接触式图像传感器测量颜色的装置，包括接触式图像传感器、相应接口电路和计算机。接触式图像传感器通过接口电路连接到计算机上，用接触式图像传感器采集反射样品的颜色信息，将颜色信息转换为电信号，通过接口电路转换为数字信号并传输到计算机，计算机将数字信息进行数学变换，得到颜色测量所需的CIE颜色值。

接触式图像传感器CIS对反射样品的颜色进行横向逐行采集，通过纵向移动进行颜色信息的扫描采集，可以同时测量多个颜色样品。

所述接口电路对CIS逐行采集的电信号进行A/D变换并得到RGB数字颜色值，通过接口等将RGB数字颜色值传送给计算机，接口电路采用的输出接口可以为USB、Camera Link或IEEE 1394接口等。

一种用接触式图像传感器测量颜色的方法，包括如下步骤：

（1）采用接触式图像传感器CIS对反射样品的颜色信息进行采集，得到数字化的RGB数值；

（2）将接触式图像传感器CIS采集的RGB数值进行数学变换，得到CIEXYZ三刺激值，进而计算得到颜色测量所需的其它CIE颜色值。

通过接触式图像传感器CIS可以对反射样品逐行扫描进行颜色信息的采集，通过传感器或样品的移动可以进行扫描采集，实现大面积、多色块的快速颜色测量，反射样品可包含单个或多个色块。接口电路对CIS逐行采集的电信号进行A/D变换并得到RGB数字颜色值，通过USB、Camera Link或IEEE 1394接口将RGB数字颜色值传送给计算机。

RGB数值经接口传送至计算机，首先将采集的RGB数值进行归一化处理，然后对归一化的RGB值进行非线性变换f，经过非线性变换后得到的RGB颜色刺激值与CIEXYZ三刺激值呈线性关系，通过线性变换矩阵计算得到CIEXYZ三刺激值；由计算得到的CIEXYZ三刺激值计算其它颜色数据，如CIE色品坐标xy、CIE1976L*a*b*等。其它颜色计算功能可根据需要由软件实现，由此实现了全部的颜色测量和计算。

本发明的优点：

本发明根据光电色度计的原理，利用集成度非常高的接触式图像传感器（CIS）的光电转换特性进行颜色测量，避开了分光光度计的技术，可降低仪器成本；利用CIS光电转换单元阵列排布的特点，一次可测量样品上一条直线的颜色，而不是只测量一个点，可实现大量颜色样品的快速扫描测量，满足快速颜色测量的需要；使用接触式图像传感器可以几乎与反射样品接触到一起进行测量（测量距离1-3mm），因此可以有效避免环境光的干扰，提高测量的稳定性；利用色彩管理技术进行颜色的转换计算，可使计算结果与CIE标准颜色值一致。

本发明将CIS图像传感器（不是为了采集图像，而是为了采集颜色信息）和对采集信息的计算处理两项技术组合起来，利用CIS制作了一个快速测量颜色样品的光电色度计，将RGB信号进行计算最终得到符合CIE标准的颜色值。

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

附图说明

图1为接触式图像传感器的内部结构示意图。

图2为用接触式图像传感器进行颜色信息采集示意图。

具体实施方式

本发明用接触式图像传感器测量颜色的装置，包括接触式图像传感器2、相应接口电路和计算机3。接触式图像传感器2的内部光源照明反射样品1并采集反射样品1的颜色信息，采集信号通过接口电路传输到计算机3，计算机3通过相应软件将反射样品1的颜色信息转换为数字化的标准颜色值。该装置扫描测量颜色的示意图如图2所示。

用接触式图像传感器测量颜色的方法，具体步骤包括：

（1）单个或包含多个色块构成的反射样品1由接触式图像传感器2构成的采集装置按箭头方向扫描（或样品向箭头反方向移动），通过接触式图像传感器2中的光电转换单元将样品的各色块颜色信息转换为RGB数值，经USB接口或其它接口（如Camera Link或IEEE 1394）传送给计算机3；

（2）在计算机3中首先将采集的RGB数值进行归一化处理：

r=R_d/R₀,g=G_d/G₀ b=B_d/B₀

其中，R_d，G_d和B_d为采集得到的RGB数字值，R₀，G₀和B₀为装置对白色样品采集得到的RGB值。

对归一化的RGB值进行非线性变换f：

R=f(r),G=f(g)B=f(b)

其中R，G和B为经过非线性变换后得到的红、绿、蓝颜色刺激，非线性变换函数f可以通过色彩管理技术对已知颜色样品采集信号的计算确定，也可参照标准RGB颜色空间sRGB的计算方法进行。sRGB的非线性转换关系f如下：

一般来说，RGB三个通道的变换函数相同，也可根据实际测量结果采用不同的函数关系。

（3）由RGB数值变换到CIEXYZ三刺激值。经过非线性变换后得到的RGB颜色刺激值与CIEXYZ三刺激值呈线性关系，可以通过线性变换矩阵计算得到：

[\begin{matrix} X \\ Y \\ Z \end{matrix}] = [\begin{matrix} Xr & Xg & X_{b} \\ Yr & Yg & Z_{b} \\ Zr & Zg & Z_{b} \end{matrix}] [\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}]

其中变换矩阵的9个系数可以根据CIS的颜色特性和仪器的定标计算得到。

在标准照明体D65条件下sRGB的变换矩阵如下：

{[\begin{matrix} X \\ Y \\ Z \end{matrix}]}_{D 65} = [\begin{matrix} 0.4124 & 0.3576 & 0.1805 \\ 0.2126 & 0.7152 & 0.0722 \\ 0.0193 & 0.1192 & 0.9505 \end{matrix}] [\begin{matrix} R \\ G \\ B \end{matrix}]

（4）由计算得到的CIEXYZ三刺激值计算其它颜色数据：

CIE色品坐标

\{\begin{matrix} x = X / (X + Y + Z) \\ y = Y / (X + Y + Z) \end{matrix}

CIE1976L*a*b*

\{\begin{matrix} L^{*} = 116 {(Y / Y_{n})}^{1 / 3} - 16 \\ a^{*} = 500 [{(X / X_{n})}^{1 / 3} - {(Y / Y_{n})}^{1 / 3}] \\ b^{*} = 200 [{(Y / Y_{n})}^{1 / 3} - {(Z / Z_{n})}^{1 / 3}] \end{matrix}

式中Xn，Yn，Zn为CIE标准照明体照射到完全漫反射体表面的三刺激值，代表照明光源的颜色，可根据需要选择。

其它颜色计算功能可根据需要由软件实现，由此实现了全部的颜色测量和计算。

Claims

1.一种用接触式图像传感器测量颜色的装置，其特征在于：该装置包括接触式图像传感器、接口电路和计算机，接触式图像传感器通过接口电路连接到计算机上，接触式图像传感器采集反射样品的颜色信息，将颜色信息转换为数字信息，通过接口电路传输到计算机，计算机将数字信息进行数学变换，得到颜色测量所需CIE颜色值。

2.根据权利要求1所述的用接触式图像传感器测量颜色的装置，其特征在于：所述的接触式图像传感器对反射样品的颜色进行横向逐行采集，通过纵向移动进行颜色信息的扫描采集，可同时测量多个颜色样品。

3.根据权利要求1所述的用接触式图像传感器测量颜色的装置，其特征在于：所述接口电路对接触式图像传感器逐行采集的电信号进行A/D变换并得到RGB数字颜色值，通过USB、Camera Link或IEEE 1394接口将RGB数字颜色值传送给计算机。

4.一种用接触式图像传感器测量颜色的方法，包括如下步骤：

（1）采用接触式图像传感器对反射样品的颜色信息进行采集，得到数字化的RGB数值；

（2）利用色彩管理技术将接触式图像传感器采集的RGB数值进行数学变换，得到CIEXYZ三刺激值，进而计算得到颜色测量所需其它CIE颜色值。

5.根据权利要求4所述的用接触式图像传感器测量颜色的方法，其特征在于：采用接触式图像传感器对反射样品逐行扫描进行颜色信息的采集，所述的反射样品可以包含单个或多个色块。

6.根据权利要求4所述的用接触式图像传感器测量颜色的方法，其特征在于：RGB数值经接口传送至计算机，首先将采集的RGB数值进行归一化处理，然后对归一化的RGB值进行非线性变换f，经过非线性变换后得到的RGB颜色刺激值与CIEXYZ三刺激值呈线性关系，通过线性变换矩阵计算得到CIEXYZ三刺激值；由计算得到的CIEXYZ三刺激值计算其它颜色数据。