CN103940511A - 高光谱采集系统的光谱谱线定标方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种高光谱采集系统的光谱谱线定标方法及装置，高光谱采集系统包括灰度相机、分光器件和空间采样装置，其中光谱谱线定标方法包括以下步骤：利用单色仪提供多种单色光，并用高光谱采集系统采集多种单色光分别对应的多幅灰度图像；选定多幅灰度图像中相同位置的同一周期的图像区域进行分析，记录多幅灰度图像中各自的亮度最大的峰值点坐标，并绘制单色光波长-峰值点坐标的原始曲线；将单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。本发明的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法及装置可以利用少量波段即可完成高精度的光谱谱线定标，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。

Description

高光谱采集系统的光谱谱线定标方法及装置

技术领域

本发明涉及高光谱视频采集领域，尤其涉及一种高光谱采集系统的光谱谱线定标方法及装置。

背景技术

计算摄像学中一个重要研究方向是在光谱域上对于传统的成像技术进行扩展，即高光谱技术。当前大多数成像摄影技术都是基于红、绿、蓝三色信息对于场景影像进行记录的，虽然三色传感成像技术符合人类视觉系统的成像需求，然而从物理原理的角度出发，现实场景并非只有三色信息这么简单。从光源发出或经物体反射的光线具有丰富的波长，其中可见光覆盖从390nm直至780nm的广泛区域，包含了大量的信息。场景光线光谱正是指在这段波长范围内光线光强的分布，这种光谱信息能够反应出光源、物体以及场景的自然属性，因此光谱采集技术已成为了进行科学研究与工程应用的有效工具。

根据技术要求和采集条件的不同，现有的多光谱采集系统可以分为两类：扫描式光谱成像仪和瞬时拍摄型拍摄光谱成像仪。各种技术解决方案都是通过牺牲空间或时间分辨率的方式对于光谱分辨率进行补偿，以采集多光谱信息。2011年初，一种基于混合相机系统进行多光谱采集系统被提出，其在牺牲空间分辨率获得附加光谱分辨率的同时，使用双路采集的技术对空间分辨率进行补偿，从得到的多路数据中重构出高时空分辨率的多光谱视频，实现了空间、时间、光谱三个维度的采集。图1是混合相机系统的原理图，该系统采用两路相机，一路RGB相机采集高空间分辨率低光谱分辨率图像，另一路灰度相机采集通过掩膜下采样和棱镜分光后的高光谱分辨率低空间分辨率的图像。将两路不同特点的图像数据进行对齐以获取灰度相机上的空间采样点在RGB相机采集到的图像上的空间位置关系，再利用光谱传播算法将灰度相机上空间采样稀疏的光谱信息传播到RGB相机上的空间分辨率高的图像上。如图2所示，在高光谱采集的一路中，由于在感光平面上展开的光谱并非随着波长进行线性分布，所以我们并不能直接获得每个波长对应的坐标值，需要对获得的光谱进行光谱谱线定标。

发明内容

本发明的旨在于提出一种简单且准确度高的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法及装置。

根据本发明第一方面实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法，所述高光谱采集系统包括灰度相机、分光器件和空间采样装置，所述光谱谱线定标方法包括以下步骤：利用单色仪提供多种单色光，并用所述高光谱采集系统采集所述多种单色光分别对应的多幅灰度图像；选定所述多幅灰度图像中相同位置的同一周期的图像区域进行分析，记录所述多幅灰度图像中各自的亮度最大的峰值点坐标，并绘制单色光波长-峰值点坐标的原始曲线；将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

根据本发明实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法可以利用少量波段即可完成高精度的光谱谱线定标，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。

另外，根据本发明上述实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，通过最小二乘法将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

在本发明的一个实施例中，还包括：将所述单色光波长-峰值点坐标的原始曲线与所述高次多项式拟合曲线比较，挑选出误差较小点；根据所述误差较小点重新进行拟合成高次多项式精确拟合曲线。

在本发明的一个实施例中，所述单色仪提供390nm-930nm可见光波长范围内步长为10nm的55种单色光。

在本发明的一个实施例中，所述分光器件为棱镜或光栅，所述空间采样装置为具有周期性特征的多孔掩膜或多缝狭缝装置。

根据本发明第一方面实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置，所述高光谱采集系统包括灰度相机、分光器件和空间采样装置，所述光谱谱线定标装置包括以下部分：单色仪，所述单色仪用于提供多种单色光，以便于所述高光谱采集系统采集所述多种单色光分别对应的多幅灰度图像；曲线绘制模块，所述曲线绘制模块用于选定所述多幅灰度图像中相同位置的同一周期的图像区域进行分析，记录所述多幅灰度图像中各自的亮度最大的峰值点坐标，并标绘制单色光波长-峰值点坐标的原始曲线；曲线拟合模块，所述曲线拟合模块用于将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

根据本发明实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置可以利用少量波段即可完成高精度的光谱谱线定标，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。

另外，根据本发明上述实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置还可以具有如下附加的技术特征：

在本发明的一个实施例中，曲线拟合模块通过最小二乘法将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

在本发明的一个实施例中，还包括：曲线比较模块，所述曲线比较模块用于将所述单色光波长-峰值点坐标的原始曲线与所述高次多项式拟合曲线比较，挑选出误差较小点；所述曲线再拟合模块，所述曲线再拟合模块用于根据所述误差较小点重新进行拟合成高次多项式精确拟合曲线。

在本发明的一个实施例中，所述单色仪提供390nm-930nm可见光波长范围内步长为10nm的55种单色光。

在本发明的一个实施例中，所述分光器件为棱镜或光栅，所述空间采样装置为具有周期性特征的多孔掩膜或多缝狭缝装置。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是混合相机系统的原理图。

图2是高光谱采集系统的原理图。

图3是本发明实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法的流程图。

图4是具有周期性特征的多孔掩膜的示意图。

图5是520nm单色光在高光谱采集系统下成像的灰度图像。

图6是单色光波长-峰值点坐标原始曲线。

图7是光谱谱线定标的高次多项式拟合曲线。

图8是本发明实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置的结构框图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

本发明旨在提出一种高光谱采集系统的光谱谱线定标方法及装置。其中该高光谱采集系统如图2所示，可以包括：灰度相机、分光器件和空间采样装置。分光器件可以为棱镜或光栅等等。空间采样装置可以为具有周期性特征的多孔掩膜或多缝狭缝装置等等。

如图3所示，本发明实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法可以包括以下步骤：

S1.利用单色仪提供多种单色光，并用所述高光谱采集系统采集所述多种单色光分别对应的多幅灰度图像。

在本发明的一个实施例中，单色仪提供390nm-930nm可见光波长范围内步长为10nm的55种单色光。相对应地，高光谱采集系统也采集到了55幅灰度图像。需要说明的是，为减少自然光照对实验的影响，尽量选在晚上进行实验。以及需要说明的是，由于单色仪发出的不同波长的单色光亮度可能存在差异，可以通过调整高光谱采集系统的曝光时间，以使多幅灰度图像的平均亮度均在合适范围，避免图像过亮或图像过暗而带来误差。

在本发明的一个实施例中，由于高光谱采集系统中的空间采样装置选用图4所示的周期排列的多个孔的掩膜，故其得到的灰度图像如图5所示，也呈现出周期性特征，后续进行图像分析的时候仅对某一个周期的图像区域进行分析即可。

S2.选定所述多幅灰度图像中相同位置的同一周期的图像区域进行分析，记录所述多幅灰度图像中各自的亮度最大的峰值点坐标，并绘制单色光波长-峰值点坐标的原始曲线。

具体地，对于波长为λ单色光的灰度图像，读取出该周期中的亮度最大的峰值点坐标记为x_λ，当作波长λ所对应的光谱位置。将测试到的（λ,x_λ）原始数据绘制成对应的绘制单色光波长-峰值点坐标的原始曲线。例如：在一次实验中测得数据如表1所示，绘制的原始曲线如图6所示。

表1不同波长的单色光的峰值点坐标数据表

λ	xλ	λ	xλ	λ	xλ	λ	xλ	λ	xλ
										390nm	44	500nm	61	610nm	71	720nm	79	830nm	84
400nm	46	510nm	62	620nm	72	730nm	79	840nm	84
										410nm	48	520nm	63	630nm	73	740nm	80	850nm	85
420nm	49	530nm	64	640nm	74	750nm	80	860nm	85
										430nm	51	540nm	65	650nm	74	760nm	81	870nm	86
440nm	53	550nm	66	660nm	75	770nm	81	880nm	86
										450nm	54	560nm	67	670nm	76	780nm	82	890nm	87
460nm	55	570nm	68	680nm	76	790nm	82	900nm	87
										470nm	57	580nm	69	690nm	77	800nm	83	910nm	88
480nm	58	590nm	70	700nm	78	810nm	83	920nm	88
										490nm	59	600nm	70	710nm	78	820nm	84	930nm	88

S3.将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线,以完成光谱谱线定标。高次多项式一般是指三次及以上次幂次数的多项式。次数越高，拟合得越精确，但相应地计算量也较大。通常选择拟合成三次多项式拟合曲线。

最小二乘法的统计学原理如下：设物理量y与l个变量x₁,x₂,…,x_l间的依赖关系式为y=f(x₁,x₂,…,x_l,a₀,a₁,…,a_n),其中a₀,a₁,…,a_n是方程中需要确定的n+1个参数.最小二乘法就是通过m(m>n+1)个实验点(x_i1,x_i2,…,x_il,y_i)(i=1,2,…,m)确定出一组参数值(a₀,a₁,…,a_n),使由这组参数得出的函数值y=f(x_i1,x_i2,…,x_il,a₀,a₁,…,a_n)与实验值y_i间的偏差平方和取得极小值.由微分学的求极值方法可知a₀,a₁,…,a_n应满足下列方程组:利用最小二乘法原理，对表1中的数据用三次多项式拟合曲线，求得结果x_λ’=2.0708×10^-7λ³-5.2901×10^-4λ²+0.4943λ-80.2643，并在坐标轴中作出曲线如图7所示。

至此得到了采集图像中坐标轴中像素位置关系与光谱波长的关系，即完成了光谱谱线定标的过程。高光谱采集系统经过这一次标定后无需再进行反复的操作，可以对任意场景和光照进行拍摄，非常方便。

在本发明的另一些优选实施例中，还可以对拟合曲线进行进一步修正以便于得到更精确的光谱谱线标定。该实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法，还包括：将单色光波长-峰值点坐标的原始曲线与高次多项式拟合曲线比较，挑选出误差较小点；根据误差较小点重新进行拟合成高次多项式精确拟合曲线。

例如：将单色光波长-峰值点坐标的原始曲线与三次多项式拟合曲线作差，挑选出误差小于误差阈值（取值0.5个像素）的点。最终挑选出误差较小的六个点，分别对应480nm，550nm，630nm，690nm，830nm，920nm的单色光。用这六个点再次进行三次多项式曲线拟合，得到三次多项式精确拟合曲线为x_λ”=2.0589×10^-7λ³-5.2736×10^-4λ²+0.4939λ-80.3368。

综上所述，本发明实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法可以利用少量波段即可完成高精度的光谱谱线定标，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。

根据本发明实施例的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置，如图8所示，光谱谱线定标装置包括单色仪100、曲线绘制模块200和曲线拟合模块300。单色仪100用于提供多种单色光，以便于高光谱采集系统采集多种单色光分别对应的多幅灰度图像。曲线绘制模块200用于选定多幅灰度图像中相同位置的同一周期的图像区域进行分析，记录多幅灰度图像中各自的亮度最大的峰值点坐标，并标绘制单色光波长-峰值点坐标的原始曲线。曲线拟合模块300用于将单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

在本发明的一个实施例中，曲线拟合模块300通过最小二乘法将单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

在本发明的一个实施例中，高光谱采集系统的光谱谱线定标装置还包括曲线比较模块和曲线再拟合模块。曲线比较模块用于将所述单色光波长-峰值点坐标的原始曲线与所述高次多项式拟合曲线比较，挑选出误差较小点。曲线再拟合模块用于根据误差较小点重新进行拟合成高次多项式精确拟合曲线。需要说明的是，曲线拟合模块300和曲线再拟合模块功能相仿，可以通过同一硬件实现。

在本发明的一个实施例中，单色仪100提供390nm-930nm可见光波长范围内步长为10nm的55种单色光。

在本发明的一个实施例中，分光器件为棱镜或光栅，空间采样装置为具有周期性特征的多孔掩膜或多缝狭缝装置。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行结合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种高光谱采集系统的光谱谱线定标方法，其特征在于，所述高光谱采集系统包括灰度相机、分光器件和空间采样装置，所述光谱谱线定标方法包括以下步骤：

利用单色仪提供多种单色光，并用所述高光谱采集系统采集所述多种单色光分别对应的多幅灰度图像；

选定所述多幅灰度图像中相同位置的同一周期的图像区域进行分析，记录所述多幅灰度图像中各自的亮度最大的峰值点坐标，并绘制单色光波长-峰值点坐标的原始曲线；

将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

2.根据权利要求1所述的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法，其特征在于，通过最小二乘法将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

3.根据权利要求1所述的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法，其特征在于，还包括：

将所述单色光波长-峰值点坐标的原始曲线与所述高次多项式拟合曲线比较，挑选出误差较小点；

根据所述误差较小点重新进行拟合成高次多项式精确拟合曲线。

4.根据权利要求1所述的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法，其特征在于，所述单色仪提供390nm-930nm可见光波长范围内步长为10nm的55种单色光。

5.根据权利要求1所述的高光谱采集系统的光谱谱线定标方法，其特征在于，所述分光器件为棱镜或光栅，所述空间采样装置为具有周期性特征的多孔掩膜或多缝狭缝装置。

6.一种高光谱采集系统的光谱谱线定标装置，其特征在于，所述高光谱采集系统包括灰度相机、分光器件和空间采样装置，所述光谱谱线定标装置包括以下部分：

单色仪，所述单色仪用于提供多种单色光，以便于所述高光谱采集系统采集所述多种单色光分别对应的多幅灰度图像；

曲线绘制模块，所述曲线绘制模块用于选定所述多幅灰度图像中相同位置的同一周期的图像区域进行分析，记录所述多幅灰度图像中各自的亮度最大的峰值点坐标，并标绘制单色光波长-峰值点坐标的原始曲线；

曲线拟合模块，所述曲线拟合模块用于将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

7.根据权利要求6所述的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置，其特征在于，曲线拟合模块通过最小二乘法将所述单色光波长-峰值点坐标原始曲线拟合成高次多项式拟合曲线。

8.根据权利要求6所述的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置，其特征在于，还包括：

曲线比较模块，所述曲线比较模块用于将所述单色光波长-峰值点坐标的原始曲线与所述高次多项式拟合曲线比较，挑选出误差较小点；

所述曲线再拟合模块，所述曲线再拟合模块用于根据所述误差较小点重新进行拟合成高次多项式精确拟合曲线。

9.根据权利要求6所述的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置，其特征在于，所述单色仪提供390nm-930nm可见光波长范围内步长为10nm的55种单色光。

10.根据权利要求6所述的高光谱采集系统的光谱谱线定标装置，其特征在于，所述分光器件为棱镜或光栅，所述空间采样装置为具有周期性特征的多孔掩膜或多缝狭缝装置。