CN106153193B - 一种利用多光谱相机双光源响应值获取光谱反射比的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用多光谱相机双光源响应值获取光谱反射比的方法，获得物体光谱反射比可以实现高精度的颜色测量，且能够忠实复现物体在任意光源下的颜色。首先利用训练样本建立多光谱相机每个通道在两种光源下响应值之间的函数关系，然后在一种光源下拍摄目标样本，并利用之前建立的两种光源下的通道响应值函数关系以及该光源下的所有通道响应值，计算出另一种光源下的全部通道响应值，从而利用两种光源下的多通道响应值获取物体表面的光谱反射比，显著增加了可利用的目标样本的响应值信息，提高了光谱反射比的获取精度，同时不需要在另一种光源下实际拍摄目标样本，简化了操作，提高了效率。
Description
技术领域
本发明涉及成像式获取物体表面光谱及色度信息的方法，尤其是利用具有多个可见光波段通道的多光谱相机获取物体的反射光谱信息以进一步获取物体色度信息的方法。
背景技术
由于同色异谱现象的存在，物体的色度参数难以可靠表征物体表面的本源信息，而物体表面的光谱反射比是设备无关和捕获光源无关的物理量，表征了物体表面的本源信息，因此准确获取物体光谱反射比可以忠实复现物体在任意光源下的色貌。
成像式获取物体光谱反射比可以克服分光光度计逐点式测量和接触式测量的缺陷，能够快速获取成像范围内所有物体的光谱反射比。普通商用相机可以用于成像式获取物体光谱反射比，但由于只有R、G、B三个通道而无法高精度获取光谱反射比。而多光谱相机用于成像式获取物体光谱反射比，由于增加了成像的通道数，所以可以大幅度提高光谱反射比的获取精度。
当采用更多的通道响应值获取物体光谱反射比时，获取精度会进一步提高。利用目标样本在两种光源下的通道响应值可以显著增加目标样本通道响应值的数量，但在两种光源下实际拍摄会增加操作复杂度和多光谱图像采集时间，如在另一种光源下需要重新调整每一个通道的曝光时间，对每个通道对焦，多通道图像之间的配准等。
发明内容
为了利用更多的通道响应值获取物体表面的光谱反射比，并减少多光谱相机的操作复杂度和多通道图像采集时间，本发明提出了一种利用多光谱相机双光源响应值获取光谱反射比的方法。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种利用多光谱相机双光源响应值获取光谱反射比的方法，包括以下步骤：
(1)利用训练样本建立两种光源下多光谱相机通道响应值之间的函数关系。具体包括以下子步骤：
(1.1)在第一种光源a下和第二种光源b下分别用多光谱相机拍摄训练样本。采用包含各种颜色块的标准色卡作为训练样本，将标准色卡以45/0照明与测量几何条件放置于光源a下，用多光谱相机的所有通道拍摄标准色卡，提取光源a下标准色卡的全部通道响应值Pa为n行q列的矩阵，其中n为标准色卡上的色块数，q为多光谱相机通道的数量，每一行表示一个色块对应的q个通道的响应值，每一列表示一个通道输出的n个色块的响应值。再将标准色卡以同样的照明与测量几何条件放置于光源b下进行拍摄，提取标准色卡在光源b下全部通道的响应值Pb也为n行q列的矩阵。
(1.2)建立每一个通道在a和b两种光源下响应值之间的函数关系。假设pa1和pb1分别为矩阵Pa的第1列和Pb的第1列，分别对应标准色卡在a和b光源下第1个通道的n个色块的响应值。通过二次多项式拟合光源b下第1个通道的响应值pb1与光源a下第1个通道响应值pa1之间的关系，即
pb1＝k0+k1*pa1+k2*pa1 2
利用pa1和pb1，通过最小二乘法求解上述多项式的系数k＝[k0,k1,k2]，即
k＝(CTC)-1CTpb1
C＝[o,pa1,pa1οpa1]
其中，为含有n个元素都为1的列向量，ο为矩阵或向量的Hadamard积。
用上述同样的方法，类似地可以求出其余q-1个通道在b光源下的响应值与在a光源下的响应值之间的二次多项式函数。
(2)计算光谱反射比与多通道响应值之间的转换矩阵。用分光光度计测量标准色卡的所有色块的光谱反射比R为n行m列的矩阵，其中n为标准色卡上的色块数，m为光谱反射比的维数。根据两种光源下通道响应值之间的二次多项式函数，利用标准色卡在光源a下的响应值Pa计算出其在光源b下的通道响应值则标准色卡在两种光源下的所有通道的响应值为然后，由最小二乘法计算从多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵M，即
(3)在光源a下拍摄目标样本，并计算目标样本的光谱反射比。在光源a下，用多光谱相机拍摄目标样本，得到目标样本在光源a下的通道响应值Pat,然后根据步骤(1)中光源b下通道响应值与光源a下通道响应值之间的二次多项式函数，计算出目标样本在光源b下的通道响应值则目标样本在两种光源下的通道响应值为最后，根据步骤(2)中多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵M,计算出目标样本的光谱反射比
本发明的有益效果是：本发明预先建立多光谱相机在两种光源下通道响应值之间的函数关系，然后仅在一种光源下对目标样本成像，并根据两种光源下通道响应值之间的函数关系，利用目标样本在一种光源下的通道响应值计算出在第二种光源下的通道响应值，从而显著增加了目标样本的通道响应值信息，提高了光谱反射比的获取精度，同时不需要在第二种光源下进行实际拍摄，大大降低了操作的复杂度和多通道图像的采集时间。
附图说明
图1是利用多光谱相机双光源响应值获取光谱反射比的流程图。
图2是实例中多光谱相机结构示意图。
图3是实例中采用双光源响应值前后获得的光谱反射比，(a)、(b)分别为两个色块的示意图。
具体实施方式
以一台滤色片轮式的多光谱相机为例，阐述利用多光谱相机双光源响应值获取物体表面光谱反射比的方法，多光谱相机的结构示意图如图2，由镜头、滤色片轮、滤色片轮控制单元和单色CCD传感器构成。该多光谱相机利用8个干涉滤色片形成8个通道。8个滤色片的峰值透过率波长为从420nm到700nm,FWHM(峰值半高宽,Full Width of Half Maximum)为20nm,因此8个通道对应的峰值透过率波长为420nm，460nm，500nm，540nm，580nm，620nm，660nm，700nm。需要说明的是，本发明不仅限于滤色片轮式的多光谱相机，对于其它形式的多光谱相机，如基于LCTF(液晶可调滤色片，Liquid Crystal Tuneable Filter)的多光谱相机也适用；同时，本发明也不仅限于通道数量为8的多光谱相机，少于或多于该滤色片数量的多光谱相机也适用。
如图1所示，本发明利用多光谱相机双光源响应值获取光谱反射比的方法，具体包括以下步骤：
(1)利用训练样本建立两种光源下多光谱相机通道响应值之间的函数关系。具体包括以下子步骤：
(1.1)采用GretagMacbeth SpectraLightⅢ灯箱中的D65光源和A光源分别作为两个照明光源，选择GretagMacbeth ColorChecker DC色卡(DC色卡)作为训练样本，将DC色卡以45/0照明与测量几何条件放置于D65照明光源下，用多光谱相机拍摄DC色卡，提取在D65光源下DC色卡的所有色块的通道响应值PD65为240行8列的矩阵，其中240为DC色卡上的色块数，8为多光谱相机的通道数量，每一行代表一个色块对应于8个通道的响应值，每一列则代表一个通道下240个色块的响应值。再将DC色卡以同样的照明与测量几何条件放置于A光源下进行拍摄，提取A光源下DC色卡的所有色块的通道响应值PA也为240行8列的矩阵。
(1.2)建立每一个通道在D65和A两种光源下响应值之间的函数关系。假设pD651和pA1分别为矩阵PD65的第1列和PA的第1列，分别对应于DC色卡在D65和A光源下第1个通道(420nm)对240个色块的响应值。通过二次多项式拟合A光源下第1个通道响应值pA1与D65光源下第1个通道响应值pD651之间的关系，即
pA1＝k0+k1*pD651+k2*pD651 2
利用pD651和pA1，通过最小二乘法求解上述多项式的系数k＝[k0,k1,k2]，即
k＝(CTC)-1CTpA1
C＝[o,pD651,pD651οpD651]
其中，为含有240个元素都为1的列向量，ο为矩阵或向量的Hadamard积。
用上述同样的方法，类似地可以求出其余7个通道(460nm，500nm，540nm，580nm，620nm，660nm，700nm)在A光源下响应值与在D65光源下响应值之间的二次多项式函数。
(2)计算光谱反射比与多通道响应值之间的转换矩阵。用分光光度计测量DC色卡的所有色块的光谱反射比R为240行31列的矩阵，其中240为标准色卡上的色块数，31为光谱反射比的维数，即400nm到700nm，10nm为间隔。根据两种光源下的二次多项式函数，利用DC色卡在光源D65下的响应值计算出其在光源A下的通道响应值则DC色卡在两种光源下的通道的响应值为然后，由最小二乘法计算从多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵
(3)在光源D65下拍摄目标样本，并计算目标样本的光谱反射比。采用X-Rite公司的ColorChecker Color Rendition Chart色卡(CRC色卡)作为目标样本。在光源D65下，用多光谱相机拍摄CRC色卡，提取CRC色卡在D65光源下的通道响应值其中24为CRC色卡上的色块数，8为多光谱相机通道数。根据步骤(1)中A光源下通道响应值与D65光源下通道响应值之间的二次多项式函数，计算出CRC色卡在光源A下的通道响应值则CRC色卡在两种光源下的通道响应值为最后，根据步骤(2)中多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵M,计算出目标样本的光谱反射比 即
实验结果：未采用CRC色卡双光源通道响应值即仅用D65光源下的通道响应值时，所获得的CRC色卡24个色块光谱反射比的平均光谱差(RMSE，均方根误差)为0.0135，平均色差(ΔE00，CIEDE2000色差)为1.23。采用双光源通道响应值即包含D65光源下的实测响应值以及A光源下计算得到的响应值后，所获得CRC色卡24个色块光谱反射比的平均光谱差(RMSE)为0.0108，平均色差(ΔE00)为0.80。由此可见，采用双光源下通道响应值所获取的光谱反射比，其光谱差和色差均明显减小。附图3展示了CRC色卡中第一行左起第1个和第3个色块采用双光源响应值前后所获取的光谱反射比与其实际反射光谱曲线的比较，可见其采用双光源响应值所获取的光谱反射比更接近于实际值。
Claims (1)
1.一种利用多光谱相机双光源响应值获取光谱反射比的方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)利用训练样本建立两种光源下多光谱相机通道响应值之间的函数关系；具体包括以下子步骤：
(1.1)在第一种光源a下和第二种光源b下分别用多光谱相机拍摄训练样本；采用包含各种颜色块的标准色卡作为训练样本，将标准色卡以45/0照明与测量几何条件放置于光源a下，用多光谱相机的所有通道拍摄标准色卡，提取光源a下标准色卡的全部通道响应值Pa为n行q列的矩阵，其中n为标准色卡上的色块数，q为多光谱相机通道的数量，每一行表示一个色块对应的q个通道的响应值，每一列表示一个通道输出的n个色块的响应值；再将标准色卡以同样的照明与测量几何条件放置于光源b下进行拍摄，提取标准色卡在光源b下全部通道的响应值Pb也为n行q列的矩阵；
(1.2)建立每一个通道在a和b两种光源下响应值之间的函数关系；假设pa1和pb1分别为矩阵Pa的第1列和Pb的第1列，分别表示标准色卡在a和b光源下第1个通道的n个色块的响应值；通过二次多项式拟合光源b下第1个通道的响应值pb1与光源a下第1个通道响应值pa1之间的关系，即
pb1＝k0+k1*pa1+k2*pa1 2
利用pa1和pb1，通过最小二乘法求解上述多项式的系数k＝[k0,k1,k2]，即
k＝(CTC)-1CTpb1
其中，为含有n个元素都为1的列向量，为矩阵或向量的Hadamard积；
用上述同样的方法，类似地可以求出其余q-1个通道在b光源下的响应值与在a光源下的响应值之间的二次多项式函数；
(2)计算光谱反射比与多通道响应值之间的转换矩阵；用分光光度计测量标准色卡中所有色块的光谱反射比R为n行m列的矩阵，其中n为标准色卡上的色块数，m为光谱反射比的维数；根据两种光源下通道响应值之间的二次多项式函数，利用标准色卡在光源a下的响应值Pa计算出其在光源b下的通道响应值则标准色卡在两种光源下的所有通道的响应值为然后，由最小二乘法计算从多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵M，即
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