CN105628204A - 一种自动调节的高光谱成像系统及成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自动调节的高光谱成像系统，包括：图像采集设备、载物台、光源设备、驱动设备、传动设备、传感器设备和主控单元；主控单元，与图像采集设备、传感器设备和驱动设备连接，获取被测对象的图像数据和光谱信息，分析图像数据中各像素的平均光谱反射系数的均方根值和标准差，计算出最佳位置系数值，并通过传感器设备获取最佳位置系数值对应的光源设备和载物台的空间位置信息；主控单元控制驱动设备驱动传动设备动作，调整光源设备的光源照射角度、光源设备的高度和载物台的高度位于最佳位置系数值对应的空间位置。
Description
技术领域
本发明涉及高光谱成像技术领域，尤其涉及一种自动调节的高光谱成像系统及成像方法。
背景技术
高光谱成像技术是近二十年来发展起来的基于非常多窄波段的影像数据技术，它集中了光学、光电子学、电子学、信息处理、计算机科学等领域的先进技术，是传统的二维成像技术和光谱技术有机的结合在一起的一门新兴技术。高光谱成像技术的定义是在多光谱成像的基础上，在从紫外到近红外的光谱范围内，利用成像光谱仪，在光谱覆盖范围内的数十或数百条光谱波段对被测对象连续成像。在获得被测对象空间特征成像的同时，也获得了被测对象的光谱信息。高光谱成像技术具有超多波段、高的光谱分辨率、波段窄、光谱范围广和图谱合一等特点。优势在于采集到的图像信息量丰富，识别度较高和数据描述模型多。由于物体的反射光谱具有“指纹”效应，不同物不同谱、同物一定同谱的远离来分辨不同的物质信息。
由于高光谱测试中各种条件控制的不一样，如光源的入射角度、光源的高度以及被测对象与镜头的高度等条件的差异，可能导致不同研究之间的高光谱数据无共享性，同时也可能导致同一研究中不同时间测试的高光谱数据无可比性，使得利用高光谱对被测对象的性质进行量化研究受到限制；基于此，本发明通过主控单元自动分析计算出光源入射角度、光源的高度以及载物台的高度的最佳位置，并控制光源设备和载物台自动调节至最佳位置，以确保获取能共享的高光谱数据。
发明内容
基于背景技术存在的技术问题，本发明提出了一种自动调节的高光谱成像系统及成像方法。
本发明提出的自动调节的高光谱成像系统，包括：图像采集设备、载物台、光源设备、驱动设备、传动设备、传感器设备和主控单元；
图像采集设备，采集载物台上被测对象的图像数据和光谱信息；
光源设备，为图像采集设备采集图像数据提供光源；
驱动设备，其与主控单元和传动设备连接，根据主控单元指令驱动传动设备运动；
传动设备，与光源设备和载物台连接，根据驱动设备的驱动动作调节光源设备的光源照射角度、光源设备的高度和载物台的高度；
传感器设备，检测所述光源设备和载物台的空间位置；
主控单元，与图像采集设备、传感器设备和驱动设备连接，通过获取被测对象的图像数据和光谱信息，分析被测对象不同图像数据中各像素的平均光谱反射系数的均方根值和标准差，计算出最佳位置系数值，并通过传感器设备获取最佳位置系数值对应的光源设备和载物台的空间位置信息；主控单元根据预设指令，通过传感器设备获取实时光源设备和载物台的空间位置信息，控制驱动设备驱动传动设备动作，调整光源设备的光源照射角度、光源设备的高度和载物台的高度，直至光源设备和载物台位于最佳位置系数值对应的空间位置。
优选地，所述的图像采集设备为高光谱相机。
优选地，所述的光源设备采用卤钨灯。
优选地，所述的传感器设备包括：
角度传感器，用于检测光源设备的光源照射角度；
第一高度传感器，用于检测光源设备的高度；
第二高度传感器，用于检测载物台的高度。
本发明还提出了采用上述自动调节的高光谱成像系统的高光谱成像方法，包括以下步骤：
S1、采集载物台上被测对象的图像数据和光谱信息；
S2、调整光源设备的光源照射角度、光源设备的高度和载物台的高度，记录被测对象的图像数据和光谱信息，并记录传感器设备的检测值；
S3、获取记录的被测对象的图像数据和光谱信息，分析图像数据中各像素的平均光谱反射系数的均方根值和标准差，并计算出最佳位置系数值Q；
S4、记录取得最佳位置系数值Q时对应的传感器设备的检测值，包括角度传感器的检测值M1、第一高度传感器的检测值M2和第二高度传感器的检测值M3；
S5、调整光源设备的光源照射角度、光源设备的高度和载物台的高度，使角度传感器的检测值与检测值M1相同、第一高度传感器的检测值与检测值M2相同、第二高度传感器的检测值与检测值M3相同。
优选地，在步骤S3中，计算最佳位置系数值Q包括以下步骤：
S31、将各像素在各波段的光谱反射系数进行滤波平滑，去除噪声；
S32、将各像素在各波段的光谱反射系数取平均值，作为该像素的反射系数；
S33、将各像素的反射系数进行归一化处理；
S34、计算各像素归一化处理后的均方根值RMS和标准差σ；
S35、根据公式Q＝RMS-σ，计算出最大值Q作为最佳位置系数值；
本发明中，主控单元与图像采集设备、传感器设备和驱动设备连接，通过获取图像采集设备采集的图像数据和光谱信息，计算出图像数据中各像素平均光谱反射系数的均方根值和标准差，并分析传感器设备的检测结果，控制驱动设备工作。本发明采用主控单元指令控制驱动设备工作，驱动设备驱动传动设备动作，传动设备调整光源设备和载物台的空间位置，以达到最佳工作状态；本发明实现了系统内各设备的自动调节，避免了人工操作带来的误差，提高了采集到的图像数据的精准度，确保图像数据的可共享性。
附图说明
图1为一种自动调节的高光谱成像系统的结构示意图；
图2为一种自动调节的高光谱成像方法的步骤示意图。
具体实施方式
如图1所示，图1为本发明提出的一种自动调节的高光谱成像系统。
参照图1，本发明提出的一种自动调节的高光谱成像系统，包括：图像采集设备1、载物台2、光源设备3、驱动设备、传动设备、传感器设备和主控单元；
图像采集设备1用于采集载物台2上被测对象的图像数据和光谱信息，本实施方式中，图像采集设备1为高光谱相机，在获取被测对象的空间特征成像的同时可获得被测对象的光谱信息；
光源设备3为图像采集设备1采集图像数据和光谱信息提供稳定的光源，本实施方式中采用卤钨灯，以保证采集过程中的色温和光源波长范围要求；
驱动设备与主控单元和传动设备连接，根据主控单元指令驱动传动设备运动；
传动设备与光源设备3和载物台2连接，根据驱动设备的驱动动作调节光源设备3的光源照射角度、光源设备3的高度和载物台2的高度；
传感器设备用于检测所述光源设备3和载物台2的空间位置，包括：
角度传感器4，用于检测光源设备3的光源照射角度；
第一高度传感器5，用于检测光源设备3的高度；
第二高度传感器6，用于检测载物台2的高度。
主控单元，与图像采集设备1、传感器设备和驱动设备连接，通过获取图像采集设备1采集的图像数据和光谱信息，分析被测对象图像数据中各像素的平均光谱反射系数的均方根值和标准差，计算出最佳位置系数值，并通过传感器设备获取最佳位置系数值对应的光源设备3和载物台2的空间位置信息；主控单元根据预设指令，通过传感器设备获取实时光源设备3和载物台2的空间位置信息，控制驱动设备驱动传动设备动作，调整光源设备3的光源照射角度、光源设备3的高度和载物台2的高度，直至光源设备3和载物台2位于最佳位置系数值对应的空间位置。
本实施方式中，主控单元内预设时间值为10分钟，在预设时间段内，主控单元指令控制驱动设备驱动传动设备动作，调整光源设备3和载物台2的空间位置，同时控制图像采集设备1动态地对被测对象进行图像数据和光谱信息的采集，到达预设时间值时，图像采集设备1停止采集动作，主控单元根据预设时间段内采集的图像数据和光谱信息，分析被测对象的图像数据中各像素的平均光谱反射系数的均方根值和标准差，计算出最佳位置系数值，并通过传感器设备获取最佳位置系数值对应的光源设备3和载物台2的空间位置信息；主控单元通过传感器设备获取实时光源设备3和载物台2的空间位置信息，控制驱动设备驱动传动设备动作，调整光源设备3的光源照射角度、光源设备3的高度和载物台2的高度，直至光源设备3和载物台2位于最佳位置系数值对应的空间位置。
本实施方式中，光源设备3可转动的连接于第一横杆7上，以满足采集过程中对光源照射角度的不同要求，第一横杆7上安装有角度传感器4，用于检测光源照射角度；第一伸缩杆8与第二伸缩杆9分别连接于第一横杆7的两端，且第一伸缩杆8与第二伸缩杆9均垂直于第一横杆7，第一伸缩杆8上安装有第一高度传感器5，用于检测光源设备3的高度；第一竖杆11的一端与高光谱相机连接，另一端固定连接于整体支架上；载物台2与第三伸缩杆10连接，并通过第三伸缩杆10固定于整体支架上，第三伸缩杆10与第一竖杆11平行设置，第三伸缩杆10上安装有第二高度传感器6，用于检测载物台2的高度；传动设备分别与光源设备3、第一伸缩杆8、第二伸缩杆9和第三伸缩杆10连接，驱动设备根据主控单元指令驱动传动设备动作，以调整光源设备3的光源照射角度、光源设备3的高度和载物台2的高度，从而实现光源设备3和载物台2不同位置的自动调节，以达到最佳的工作状态。
如图2所示，图2为本发明提出的一种自动调节的高光谱成像方法。
参照图2，本发明提出的一种自动调节的高光谱成像方法，具体操作如下：为避免大自然的光线对采集图像数据的影响，本操作过程在暗室内进行；
S1、打开灯源设备，将被测对象置于载物台2上，使高光谱相机的镜头垂直拍射被测对象；
S2、主控单元指令控制驱动部件工作以驱动传动设备，传动设备带动光源设备3和载物台2运动以调整光源设备3的光源照射角度、光源设备3的高度和载物台2的高度；同时，主控单元记录被测对象的图像数据和光谱信息，并记录光源设备3、第一伸缩杆8、第二伸缩杆9和第三伸缩杆10在不同位置时，角度传感器4、第一高度传感器5、第二高度传感器6的检测值；
S3、主控单元根据记录的图像数据中各像素和各波段的光谱反射系数，计算出最佳位置系数值Q；
S4、记录取得最佳位置系数值Q时对应的传感器设备的检测值，包括角度传感器4的检测值M1、第一高度传感器5的检测值M2和第二高度传感器6的检测值M3；
S5、主控单元指令控制驱动设备运动，以驱动传动设备，从而调整光源设备3的光源照射角度与检测值M1相同、指令控制光源设备3的高度与检测值M2相同、指令控制载物台2的高度与检测值M3相同。
本实施方式中，在步骤S3中，计算最佳位置系数值Q包括以下步骤：
S31、将各像素在各波段的光谱反射系数进行滤波平滑，去除噪声；
S32、将各像素在各波段的光谱反射系数取平均值，作为该像素的反射系数；
S33、将各像素的反射系数进行归一化处理；
S34、计算各像素归一化处理后的均方根值RMS和标准差σ；
S35、根据公式Q＝RMS-σ，计算出最大值Q作为最佳位置系数值；
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种自动调节的高光谱成像系统，其特征在于，包括：图像采集设备(1)、载物台(2)、光源设备(3)、驱动设备、传动设备、传感器设备和主控单元；
图像采集设备(1)，采集载物台(2)上被测对象的图像数据和光谱信息；
光源设备(3)，为图像采集设备(1)工作提供光源；
驱动设备，其与主控单元和传动设备连接，根据主控单元指令驱动传动设备运动；
传动设备，与光源设备(3)、载物台(2)连接，根据驱动设备的驱动动作调节光源设备(3)的光源照射角度、光源设备(3)的高度和载物台(2)的高度；
传感器设备，检测所述光源设备(3)和载物台(2)的空间位置；
主控单元，与图像采集设备(1)、传感器设备和驱动设备连接，通过获取被测对象的图像数据和光谱信息，分析图像数据中各像素的平均光谱反射系数的均方根值和标准差，计算出最佳位置系数值，并通过传感器设备获取最佳位置系数值对应的光源设备(3)和载物台(2)的空间位置信息；控制驱动设备驱动传动设备动作，调整光源设备(3)的光源照射角度、光源设备(3)的高度和载物台(2)的高度位于最佳位置系数值对应的空间位置。
2.如权利要求1所述的自动调节的高光谱成像系统，其特征在于，所述的图像采集设备(1)为高光谱相机。
3.如权利要求1所述的自动调节的高光谱成像系统，其特征在于，所述的光源设备(3)采用卤钨灯。
4.如权利要求1所述的自动调节的高光谱成像系统，其特征在于，所述的传感器设备包括：
角度传感器，用于检测光源设备(3)的光源照射角度；
第一高度传感器，用于检测光源设备(3)的高度；
第二高度传感器，用于检测载物台(2)的高度。
5.一种如权利要求1-5任一项所述的高光谱成像系统进行高光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采集载物台(2)上被测对象的图像数据和光谱信息；
S2、调整光源设备(3)的光源照射角度、光源设备(3)的高度和载物台(2)的高度，记录被测对象的图像数据和光谱信息，并记录传感器设备的检测值；
S3、获取记录的被测对象的图像数据和光谱信息，分析图像数据中各像素的平均光谱反射系数的均方根值和标准差，并计算出最佳位置系数值Q；
S4、记录取得最佳位置系数值Q时对应的传感器设备的检测值，包括角度传感器的检测值M1、第一高度传感器的检测值M2和第二高度传感器的检测值M3；
S5、调整光源设备(3)的光源照射角度、光源设备(3)的高度和载物台(2)的高度，使角度传感器的检测值与检测值M1相同、第一高度传感器的检测值与检测值M2相同、第二高度传感器的检测值与检测值M3相同。
6.如权利要求5所述的高光谱成像方法，其特征在于，在步骤S3中，计算最佳位置系数值Q包括以下步骤：
S31、将各像素在各波段的光谱反射系数进行滤波平滑，去除噪声；
S32、将各像素在各波段的光谱反射系数取平均值，作为该像素的反射系数；
S33、将各像素的反射系数进行归一化处理；
S34、计算各像素归一化处理后的均方根值RMS和标准差σ；
S35、根据公式Q＝RMS-σ，计算出最大值Q作为最佳位置系数值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20170915 Termination date: 20210302 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |