CN103630240B - 物体表面颜色测量装置与方法 - Google Patents

Abstract

一种物体表面颜色测量装置与方法，该装置由光投影模块、数码相机、控制处理模块、控制线与传输线构成。所述光投影模块通过控制线与控制处理模块相连，所述数码相机通过传输线与控制处理模块相连，由所述控制处理模块指令光投影模块对待测物体进行时序红绿蓝照明，由所述控制处理模块指令数码相机采集待测物体在红绿蓝三种照明状态下的图像，数码相机采集到的图像经由传输线返回控制处理模块进行储存分析。利用色品坐标已知的标准色卡对测量装置进行标定，通过对比标准色卡与待测物体对红绿蓝三色光照明的反射情况确定待测物体的表面颜色。本发明测量效率高、使用方便、成本低，可实现高精度的颜色测量。

Description

物体表面颜色测量装置与方法

技术领域

本发明涉及颜色测量领域，具体地说是涉及一种分析和测量物体表面颜色的装置与方法。

背景技术

在许多情况下，人们往往需要对物体表面的颜色进行快速而客观的测量。在进行汽车喷漆或者产品制造质量管控时，人们又需要在不同的物体之间进行颜色比对。随着社会的进一步发展，颜色产品已经渗透到工业生产和日常生活的各个方面，故对颜色测量和评价的需求日益增长。传统的颜色测量的方法分为目视测色和仪器测色两大类，其中仪器测色包括分光光度法和光电积分法。目视测色法通过人眼对样品颜色与标准颜色进行直接的视觉比较，要求操作人员具有丰富的颜色观察经验和敏锐的判断力，但是观测过程中仍受主观因素影响，效率不高。分光光度法主要测量物体的反射光谱或自身光度特性，然后由这些光谱测试数据计算求得物体的三刺激值。光电积分法是通过把光电探测器的光谱响应匹配成所要求的CIE标准颜色观察者光谱三刺激值曲线或者某一特定的光谱响应函数，从而对探测器接收到的光谱能量进行积分测量。上述两种仪器价格昂贵操作复杂，限制了其进一步的推广应用。

对于二维物体表面的光谱测量，可以采用点扫描的方式。逐点获取待测物体表面的光谱信息，组合拼接后得到待测物体的二维光谱信息。这种方式可以高精度地得到物体表面的光谱信息，但缺点是速度慢效率较低。当然，也可以采用线扫描的方式，即一次获取一条扫描线上的光谱信息再组合得到待测物体的二维光谱信息。这种方式的测量速度比点扫描方式提高了很多倍，但是仍然需要用扫描的方式得等到二维物体的光谱信息。无论是点扫描或线扫描方式，都无法实时一次性获取物体表面的二维成像信息。另一方面，以往的面阵探测器又无法获得物体表面的光谱信息。这就是俗称的“光谱不成像，成像不光谱”的困境。传统的彩色面阵探测器可以得到物体表面的彩色信息，但这个方法得到的仅仅是通过红绿蓝三个滤光片波段的光强值，不是严格意义上科学分辨的精细光谱信息。

National Research Council of Canada在专利US005708498A中提出了一种基于光学三角测距原理的彩色三维成像仪。采用一束含有多组分波长的复色光束扫描待测物体表面，反射光束随后被分裂为两束。一束照射到传感器阵列上确定它们的相对位置，另一束经棱镜分光后入射至颜色敏感光探测器上获得代表着反射光束的近似颜色组合物的数据。目标表面的颜色和轮廓从位于传感器上的子光束的相对位置确定。这种技术是真实的彩色扫描，它在获得物体表面指定点的三维坐标的同时获取了该点的颜色信息，但是它采取的多波长逐点扫描的方式导致此法数据采集效率偏低。

专利200780049991.0提出了一种用于材料的颜色测量或其他光谱测量的系统与方法，其包括照明器、检测器、控制器与分析器。照明器由一个或多个LED组成，产生用于照明材料样本的光。检测器（光谱仪）检测已与样本发生相互作用的光并且测量之。控制器调控LED的占空比以控制对样本的照明。分析器利用测量数据确定该样本的光谱特征。

发明内容

本公开文本提出一种用于物体表面颜色测量装置与方法，该装置和方法具有测量效率高、使用方便、成本低的特点，可实现高精度的颜色测量。

本发明的技术解决方案如下：

一种物体表面颜色测量装置，包括：光投影模块、数码相机与控制处理模块。光投影模块包含红绿蓝三色光源、光束整形装置、光束散斑抑制装置、反射镜、合色棱镜、分光棱镜、中继透镜、空间光调制器与投影镜头等器件，可对待测物体进行红绿蓝三色均匀照明。数码相机用于采集各种照明状态下待测物体的图像。控制处理模块控制红绿蓝三色光源的开关与功率以及数码相机的开启与关闭，还进一步对数码相机采集的图像与标定数据等进行储存分析并输出结果。控制处理模块可以包括用于确定待测物体表面颜色的任何硬件、软件、固件或其组合。

一种物体表面颜色测量装置方法，具体步骤如下：光投影模块对待测物体进行红色均匀照明，与此同时数码相机采集待测物体图像，关闭红光光源；保持光投影模块、待测物体与数码相机相对位置不变，进行绿色均匀照明采集待测物体图像，关闭绿光光源；保持光投影模块、待测物体与数码相机相对位置不变，进行蓝色均匀照明采集待测物体图像，关闭蓝光光源。控制处理模块储存上述三幅图像，将红绿蓝三幅图像中需要测量区域内各像素的红绿蓝亮度值I_R(x,y):I_G(x,y):I_B(x,y)与预先针对色品坐标已知的标准色卡的标定结果进行分析比对，最终得出需要测量区域各像素的色品坐标。

本发明发技术效果如下：

以往获得光谱信息的方法均需要采用光谱分光元件，如棱镜、光栅或滤光片等，本发明是一种无需光谱分光元件就能获取物体表面光谱信息的方法。本方法采用红绿蓝三色光源在不同时刻照射同一物体表面。这样就可以得到同一物体表面在不同颜色光源照明下的二维反射光强分布图。由于三色光源的功率P_R，P_G，P_B可以设定，通过和标准色卡的比对定标就可以确定物体表面颜色。由于目前激光器的频率可以做得很高，这样就可以快速地得到物体的精确颜色信息。每一次不同的光源照射后得到的二维图像均可用于计算得到最终的二维光谱图像。因此，本方法二维光谱图像采集效率很高。

附图说明

图1是本发明用于物体表面颜色测量装置的结构示意图。

图2是基于激光光源的光投影模块内部构造示意图。

图3是基于LED光源的光投影模块内部构造示意图。

图4是实测与标定过程流程图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

如图1所示，该物体表面颜色测量装置包括一个光投影模块1，用于产生具有合适波长或光谱的光束以照明待测物体6。光源包括激光、LED或适合本应用的其他光源。所述光投影模块1通过控制线4与控制处理模块3相连，光源可以按控制处理模块3给出的功率以连续或者脉冲的方式点亮和关闭，发出或者不发出具有一定光谱特征的光。数码相机2用于采集在各种照明状态下其视场范围内的待测物体6的二维反射光强分布，所述数码相机2通过传输线5与控制处理模块3相连。所述的控制处理模块3对数码相机2采集的图像与标定数据等进行储存分析并输出结果。控制处理模块3包括用于确定待测物体表面颜色的任何硬件、软件、固件或其组合。待测物体6包括需要测量颜色的各种物体，诸如色卡、涂料、纺织品、纸张，工艺品与大部分塑料等。

如图2所示，光投影模块1选用激光光源。红绿蓝三色激光器分别以11、12、13标识，14、15、16分别为对应红绿蓝三色激光的光束整形装置，17、18、19分别为对应红绿蓝三色激光的光束散斑抑制装置。光束整形装置14、15、16实现对激光束的扩束准直，使光束形状与空间光调制器24相匹配。光束散斑抑制装置17、18、19减轻由于激光的高相干性而产生的散斑对投影画质的影响。抑制散斑的方法包括通过运动的漫射体减弱相干性，减弱时间域空间相干性，用时间相干性破坏空间相干性以及满足本应用要求的其他散斑抑制方法。经过整形与消散斑后的光束经反射镜20、22与合色棱镜21最终合成为一束光，该光束经中继透镜23照射至空间光调制器24上被其调制，最终经投影镜头25出射。

如图3所示，光投影模块1选用LED光源。红绿蓝三色LED器31、32、33，分别为对应红绿蓝三色LED的光束整形装置34、35、36。光束整形装置34、35、36实现对LED出射束的扩束准直，使光束形状与空间光调制器40相匹配。光束整形装置包括复眼透镜、微透镜阵列、光棒、自由曲面以及满足本应用要求的其他光束整形方法。经过整形后的光束经二向色镜37、38后最终合成为一束光，该光束经分光棱镜39照射至空间光调制器40上被其调制，最终经投影镜头25出射。空间光调制器包括硅基液晶、数字微镜元件以及满足本应用要求的其他空间光调制器。

颜色匹配实验证明，任何一个颜色可以用线性无关的三个原色以适当的比例相加混合与之匹配。用方程表示为 是匹配颜色C所需要的三个原色刺激量。若设方程可改写为 $\frac{\stackrel{\‾}{c}}{\stackrel{\‾}{r}+\stackrel{\‾}{g}+\stackrel{\‾}{b}}\left(C\right)=r\left(R\right)+g\left(G\right)+b\left(B\right),$ 其中 $r=\frac{\stackrel{\‾}{r}}{\stackrel{\‾}{r}+\stackrel{\‾}{g}+\stackrel{\‾}{b}},$ $g=\frac{\stackrel{\‾}{g}}{\stackrel{\‾}{r}+\stackrel{\‾}{g}+\stackrel{\‾}{b}},$ $b=\frac{\stackrel{\‾}{b}}{\stackrel{\‾}{r}+\stackrel{\‾}{g}+\stackrel{\‾}{b}}$ 称为颜色C的色品坐标。国际照明委员会（CIE）综合实验结果选定700nm（红）、546.1nm（绿）、435.8nm（蓝）作为三原色。物体的颜色是其对不同的波长的光波具有不同的吸收特性的结果。采用不同光源照明同一物体时，针对光源光谱能量分布的不同物体将呈现出不同的颜色。

如图4所示，实测前先利用已知CIE XYZ系统色品坐标的标准色卡对系统进行标定工作，建立色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与标准色卡红绿蓝图像亮度值I_R(λ):I(λ)_G:I(λ)_B之间的关系。具体步骤如下：

①开启所述的光投影模块1的红色光源照明所述的已知色品坐标为(x(λ),y(λ),z(λ))的标准色卡，所述的数码相机2采集红光照明下标准色卡的数字图像I_R(λ)并储存在控制处理模块3，关闭红光光源；

②保持所述的光投影模块1、标准色卡与数码相机2相对位置不变，开启光投影模块1的绿色光源照明标准色卡，所述的数码相机2采集绿光照明下标准色卡的数字图像I_G(λ)并储存在控制处理模块3，关闭绿光光源；

③保持所述的光投影模块1、标准色卡与数码相机2相对位置不变，开启光投影模块1的蓝色光源照明标准色卡，所述的数码相机2采集蓝光照明下标准色卡的数字图像I_B(λ)并储存在控制处理模块3，关闭蓝光光源；

④所述的控制处理模块3储存数码相机采集的标准色卡在红绿蓝三色照明下亮度图像I_R(λ)，I(λ)_G，I(λ)_B，标准色卡色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与标准色卡红绿蓝图像亮度值I_R(λ)，I(λ)_G，I(λ)_B之间存在对应关系；

⑤更换若干个色品坐标已知的其他颜色的标准色卡，重复①～④步，建立若干个颜色色品坐标与红绿蓝图像亮度值之间的对应关系，利用该数据建立起颜色色品坐标与红绿蓝图像亮度值之间的函数关系。

如图4所示，实测时测试步骤如下：

①开启所述的光投影模块1的红色光源照明待测物体6，所述的数码相机2采集红光照明下待测物体6的数字图像并储存在控制处理模块3，关闭红光光源；

②保持所述的光投影模块1、待测物体6与数码相机2相对位置不变，开启光投影模块1的绿色光源照明待测物体6，所述的数码相机2采集绿光照明下待测物体6的数字图像并储存在控制处理模块3，关闭绿光光源；

③保持所述的光投影模块1、待测物体6与数码相机2相对位置不变，开启光投影模块1的蓝色光源照明待测物体6，所述的数码相机2采集蓝光照明下待测物体6的数字图像并储存在控制处理模块3，关闭蓝光光源；

④待测物体6红绿蓝三色图像中需测量区域内某像素红绿蓝亮度值分别为通过色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与红绿蓝图像亮度值I_R(λ)，I(λ)_G，I(λ)_B之间的函数关系，检索出该像素色品坐标；

⑤重复第④步直至获取需要测量区域内各像素的色品坐标。

Claims (6)

1.一种物体表面颜色测量装置，其特征在于该装置由光投影模块(1)，数码相机(2)、控制处理模块(3)、控制线(4)、传输线(5)组成，各部件的连接关系是：所述光投影模块(1)通过控制线(4)与控制处理模块(3)相连，所述数码相机(2)通过传输线(5)与控制处理模块(3)相连，由所述控制处理模块(3)指令光投影模块(1)对待测物体(6)进行时序红绿蓝照明，由所述控制处理模块(3)指令数码相机(2)采集待测物体(6)在红绿蓝三种照明状态下的图像，数码相机(2)采集到的图像经由传输线(5)返回控制处理模块(3)进行储存分析，所述控制处理模块(3)具有图像采集接口、光源控制接口与图像处理软件。

2.根据权利要求1所述的物体表面颜色测量装置，其特征在于所述的光投影模块(1)包括红光激光光源(11)、绿光激光光源(12)、蓝光激光光源(13)，所述的红光激光光源(11)出射的光束分别经红光光束整形装置(14)、红光光束消散斑装置(17)和第一反射镜(20)射入合色棱镜(21)，所述的绿光激光光源(12)出射的光束分别经绿光光束整形装置(15)、绿光光束消散斑装置(18)射入合色棱镜(21)，所述的蓝光激光光源(13)出射的蓝光光束经蓝光光束整形装置(16)、蓝光光束消散斑装置(19)和第二反射镜(22)射入合色棱镜(21)，经所述的合色棱镜(21)整合为同路光束出射，该光束经中继透镜(23)、空间光调制器(24)、投影镜头(25)投射至待测物体(6)表面，所述的光投影模块(1)中还包括电路板、机械结构和散热装置。

3.根据权利要求1所述的物体表面颜色测量装置，其特征在于所述的光投影模块(1)包括红光LED光源(31)、绿光LED光源(32)、蓝光LED光源(33)，所述的红光LED光源(31)出射的光经红光光束整形装置(34)整形后透过第一二向色镜(37)第二二向色镜(38)进入分光棱镜(39)，所述的绿光LED光源(32)出射的绿光经绿光光束整形装置(35)、第一二向色镜(37)反射、透过第二二向色镜(38)进入分光棱镜(39)，所述的蓝光LED光源(33)出射的蓝光经蓝光光束整形装置(36)、第二二向色镜(38)反射进入所述的分光棱镜(39)，三者合成为同路光束经分光棱镜(39)、空间光调制器(40)、投影镜头(25)投射至待测物体(6)表面，所述的光投影模块(1)中还包括电路板、机械结构和散热装置。

4.利用权利要求1所述的物体表面颜色测量装置进行物体表面颜色测量方法，其特征在于该方法包括利用色品坐标已知的标准色卡对测量装置进行标定，实测待测物体(6)对红绿蓝三色光照明的反射情况，对比标准色卡与待测物体(6)对红绿蓝三色光照明的反射情况确定待测物体(6)的表面颜色。

5.根据权利要求4所述的物体表面颜色测量方法，其特征在于所述的利用色品坐标已知的标准色卡对系统进行标定，步骤如下：

①开启所述的光投影模块(1)的红色光源照明所述的已知色品坐标为(x(λ),y(λ),z(λ))的标准色卡，所述的数码相机(2)采集红光照明下标准色卡的数字图像I_R(λ)并储存在控制处理模块(3)，关闭红光光源；

②保持所述的光投影模块(1)、标准色卡与数码相机(2)相对位置不变，开启光投影模块(1)的绿色光源照明标准色卡，所述的数码相机(2)采集绿光照明下标准色卡的数字图像I_G(λ)并储存在控制处理模块(3)，关闭绿光光源；

③保持所述的光投影模块(1)、标准色卡与数码相机(2)相对位置不变，开启光投影模块(1)的蓝色光源照明标准色卡，所述的数码相机(2)采集蓝光照明下标准色卡的数字图像I_B(λ)并储存在控制处理模块(3)，关闭蓝光光源；

④所述的控制处理模块(3)储存数码相机采集的标准色卡在红、绿、蓝三色照明下亮度图像I_R(λ)，I(λ)_G，I(λ)_B，标准色卡色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与标准色卡红绿蓝图像亮度值I_R(λ)，I(λ)_G，I(λ)_B之间存在对应关系；

⑤更换若干个色品坐标已知的其他颜色的标准色卡，重复①～④步，建立若干个颜色色品坐标与红绿蓝图像亮度值之间的对应关系，利用数据建立起颜色色品坐标与红绿蓝图像亮度值之间的函数关系。

6.根据权利要求4所述的物体表面颜色测量方法，其特征在于所述的实测待测物体(6)对红、绿、蓝三色光照明的反射情况的步骤如下：

①开启所述的光投影模块(1)的红色光源照明待测物体(6)，所述的数码相机(2)采集红光照明下待测物体(6)的数字图像I_R′并储存在控制处理模块(3)，关闭红光光源；

②保持所述的光投影模块(1)、待测物体(6)与数码相机(2)相对位置不变，开启光投影模块(1)的绿色光源照明待测物体(6)，所述的数码相机(2)采集绿光照明下待测物体(6)的数字图像I_G′并储存在控制处理模块(3)，关闭绿光光源；

③保持所述的光投影模块(1)、待测物体(6)与数码相机(2)相对位置不变，开启光投影模块(1)的蓝色光源照明待测物体(6)，所述的数码相机(2)采集蓝光照明下待测物体(6)的数字图像I_B′并储存在控制处理模块(3)，关闭蓝光光源；

④待测物体(6)红绿蓝三色图像中需测量区域内某像素红、绿、蓝亮度值分别为I_R′(x,y)，I_G′(x,y)，I_B′(x,y)，通过色品坐标(x(λ),y(λ),z(λ))与红绿蓝图像亮度值I_R(λ)，I(λ)_G，I(λ)_B之间的函数关系，检索出该像素色品坐标；

⑤重复第④步直至获取需要测量区域内各像素的色品坐标。