CN107192456B - 一种基于led照明的颜色测量多光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统，包括主控计算机和封闭式灯箱；灯箱顶部设有数码相机，底部设有LED灯组控制装置、抽屉式承物台和LED灯组。被测物体放置抽屉式承物台上，主控计算机控制LED灯组的光谱功率分布与数码相机的光谱灵敏度曲线成倒数关系，驱动LED灯组控制装置开启相应的LED灯及其点亮程度，同时控制数码相机拍摄LED灯开启时被测物体图像并提取相机响应进行计算，得到被测物体每一个像素的光谱反射率。实施本发明，能够突破传统局限，用于传统测色仪器无法使用的领域。
Description
技术领域
本发明涉及颜色测量技术领域，尤其涉及一种基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统。
背景技术
物体的光谱反射率是物体表面的重要光学特性，也是物体表面颜色的“指纹”或“基因”。因此，颜色测量是色彩再现相关行业控制颜色再现质量的一种必不可少的主要手段。
传统的物体表面颜色测量方法有目视法、光电积分法和分光光度法三种，具体如下：
(1)目视法是由标准色度观察者在特定的照明条件下对产品进行目测鉴别，并与国际照明委员会(CIE)标准色度图或其他标准色卡进行比较，得出颜色参数；
(2)光电积分法的典型仪器是色度计，由光源、探测器、数据处理器和输出单元四部分组成；其中，探测器一般是三个带有修正滤光片组的光电管或大面积硅光电二极管等颜色传感器。该方法不能精确测量出物体的三刺激值或色品坐标，不能给出物体的光谱反射率，但能准确测出两个物体之间的色差，因而又被称为色差计，不能用于颜色的精确复制；
(3)分光光度法多采用积分球式，使被测物体获得均匀的照明；采用光栅分光来获取单色光，通过测量不透明物体反射(散射)光的光谱反射率或透明物体的光谱透射率，进一步计算颜色三刺激值，从而获取各种颜色参数。由于该方法通过探测样品的光谱成分确定其颜色参数，具有精度非常高的特点，因此适用于大多数颜色测量中测量物体表面的反射率或透明物质的透射率。
发明人发现，上述三种传统的颜色测量方法均存在不足之处，其不足之处在于：目视法与观察者个体的心理和生理相关性较大，测量的结果主观性强、精度低、操作麻烦，不同的观察者差异性较大；而光电积分法和分光光度法都是接触式测量方法，即仪器的测量孔径必须紧贴被测物体表面以免外界光线进入测量仪器，因此极易损毁脆弱物体表面的原有特性，不能测量易碎、高温高湿、贵重物品，也不能测量可能污染或损坏仪器的物品如食物、油漆、油墨等。传统的颜色测量方法最为人诟病的限制是只能测量一定大小的目标物体，无法测量细小的物体，如小到类似于图像中的单个像素的物体色，无法满足精细颜色如文物古迹、生物医学、3D打印的复制再现，这些都是目前颜色检测方法中需要解决的关键技术问题。
因此，亟需一种颜色测量方法，能够突破现有测色仪器的限制，非接触地测量物体表面上小到一个像素的颜色，用于传统测色仪器无法使用的领域，如食品饮料、液体、化妆品、表面凸凹不平和形状不规则的物体等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的缺点与不足，提供一种基于LED照明的用于颜色测量的多光谱成像系统，能够采用非接触式颜色测量方式，突破传统颜色测量方法的局限，用于传统测色仪器无法使用的领域。
为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统，包括主控计算机和用于搁置被测物体的封闭式灯箱；其中，
所述灯箱的顶部设有数码相机，底部中央封闭空间内设有LED灯组控制装置，其上部设有用于搁置被测物体且经外部驱动进出所述灯箱的抽屉式承物台，底部两侧分别设有至少一个LED灯组；其中，所述数码相机对准所述被测物体并与所述主控计算机相连，用于对所述被测物体进行图像拍摄；每一个LED灯组均包括多个不同峰值波长的单色LED灯；所述LED灯组控制装置与每一个LED灯组及所述主控计算机均相连，用于接收所述主控计算机发送的控制指令，并根据所述接收到的控制指令，控制每一个LED灯组之其一或其多LED灯打开或关闭及其点亮程度；
所述主控计算机，用于根据所述数码相机的光谱灵敏度曲线，控制所述每一个LED灯组的光谱功率分布与所述数码相机的光谱灵敏度曲线成倒数关系，并输出控制指令驱动所述LED灯组控制装置开启所述每一个LED灯组中相应的LED灯，以及接收所述每一个LED灯组中相应的LED灯开启时所述数码相机拍摄到的被测物体的图像并提取相机响应进行计算，得到所述被测物体上每一个像素的光谱反射率。
其中，任一个LED灯组上所含有的全部单色LED灯均交叉排列在具有LED灯珠阵列的LED电路板上，所述LED电路板固定在散热片上，且离开所述LED电路板发光面一侧一定距离设有散光片。
其中，任一个LED灯组均固定于所述灯箱底部两侧，并均与所述灯箱底部平面形成一定锐角角度，发光面倾斜朝向灯箱两侧内壁之一。
其中，所述LED灯组至少有两个且结构完全相同，且所述LED灯组相对设置于所述被测物体的两侧。
其中，所述数码相机为高速黑白相机或高速彩色相机。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明通过主控计算机控制多个不同峰值波长的单色LED组成的LED灯组，模拟与数码相机的光谱灵敏度曲线成倒数关系的主动照明光源来照射被测物体，并依次获取数码相机所采集被测物体的多光谱图像，从多光谱图像中提取被测物体表面的颜色信息，重建出被测物体表面光谱反射率，达到测量被测物体颜色的目的，该方法具有算法简单，引入的系统误差小，测量精度高等优点，并且能够突破传统颜色测量方法的局限，采用非接触式颜色测量可用于传统测色仪器无法使用的领域；
2、本发明采用LED灯作为主动照明光源构建多光谱成像系统，可以免除分光系统，降低系统成本，提高多光谱图像的采集速度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中提供的基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统的系统结构示意图；
图2为本发明实施例中提供的基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统的实现方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，为本发明实施例中，提出的一种基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统，包括主控计算机1和用于搁置被测物体M的封闭式灯箱2；其中，
灯箱1的顶部设有数码相机3，底部中央封闭空间内设有LED灯组控制装置4，其上部设有用于搁置被测物体M且经外部驱动进出灯箱1的抽屉式承物台5，底部两侧分别设有至少一个LED灯组6；所有的灯组6均具有完全相同的结构；其中，数码相机3对准被测物体M并与主控计算机1相连，用于对被测物体M进行图像拍摄；每一个LED灯组6均包括多个不同峰值波长的单色LED灯；LED灯组控制装置4与每一个LED灯组6及主控计算机1均相连，用于接收主控计算机1发送的控制指令，并根据接收到的控制指令，控制每一个LED灯组6之其一或其多LED灯打开或关闭及其点亮程度；
主控计算机1，用于根据数码相机3的光谱灵敏度曲线，控制每一个LED灯组6的发光光谱功率分布与数码相机3的光谱灵敏度曲线成倒数关系，并输出控制指令驱动LED灯组控制装置4开启每一个LED灯组6中相应的LED灯并调节其亮度，以及接收每一个LED灯组6中相应的LED灯开启时数码相机3拍摄到的被测物体的图像并提取相机响应进行计算，得到被测物体M上每一个像素的光谱反射率。
应当说明的是，灯箱1上设有一开口，使得抽屉式承物台5能够经外部驱动进出灯箱1，并待抽屉式承物台5完全进入灯箱1后，该灯箱1整体还是封闭式结构。同时，为了节省安装空间以及避免对光源的干扰，LED灯组控制装置4可以位于抽屉式承物台5下方的封闭空间内，通过有线或者无线方式与主控计算机1相连。数码相机3可以为高速黑白相机或高速彩色相机，且其对应的光谱灵敏度曲线可以通过在自然光条件下所拍摄的标准色卡图像得出并预存于主控计算机1中。
应当说明的是，为了给予被测物体M充分的、均匀的光照，可以适当增加LED灯组6的数量，对称地放置于箱体1底部两侧，且所有LED灯组6的发光面均倾斜朝向灯箱1箱体两侧内壁之一，通过内壁反射和散射光线照明被测物体M。
在本发明实施例中基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统的工作原理为，通过主控计算机1控制多个不同峰值波长的单色LED组成的LED灯组6，模拟与数码相机3的光谱灵敏度曲线成倒数关系的主动照明光源来照射被测物体M，并依次获取数码相机3在LED灯照明时所采集被测物体M的多光谱图像，从多光谱图像中提取被测物体M表面的颜色信息，重建出被测物体M表面光谱反射率，达到测量被测物体M颜色的目的。因此，发明实施例中基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统具有算法简单，引入的系统误差小，测量精度高等优点，并且能够突破传统颜色测量方法的局限，采用非接触式颜色测量方法用于传统测色仪器无法使用的领域。
更进一步的，所有的LED灯组6具有完全相同的结构，LED灯组6上所含有的全部单色LED灯均交叉排列在具有LED灯珠阵列61的LED电路板62上，且LED电路板62发光面一侧上设有散光片63。同时，所有LED灯组6均固定于灯箱1底部两侧，发光面均与灯箱1底部平面形成一定锐角角度，发光面分别倾斜朝向灯箱1箱体两侧内壁之一，有利于照明被测物体M。
如图2所示，本发明实施例中的基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统的具体实现方法，具体如下：
第一步、测量数码相机的光谱灵敏度曲线：数码相机的光谱灵敏度曲线s(λ)的测量可以采用两种快速且精确测量光谱灵敏度曲线的方法，具体如下：第一种方法为单色仪测量法，拍摄不同采样波长λ处标准白板的图像及测量不同采样波长λ处单色光的光谱功率分布，通过计算获取光谱灵敏度，该方法实验过程较长但计算量较小，不需要复杂的计算；第二种方法为相机成像方法，用所述数码相机拍摄一张自然光照条件下标准色卡的图像，测量自然光源的相对光谱功率分布和标准色卡中每个色块的光谱反射率，通过优化方法获取光谱灵敏度，适用于实时光谱灵敏度测量。
第二步、提取颜色基函数：从现有颜色数据库中，如Munsell色卡光谱反射率，提取m(通常为5～8)个颜色基函数，用m个基函数线性组合表示物体反射率r(λ)，即：
其中，bi(λ)是统计决定的物体反射率的正交基函数，σi是一组权重因子，λ为光波长。在已知基函数的情况下，对不同的物体表面，只要确定各个基函数的权重因子就可以重建其光谱反射率；
第三步、筛选LED灯源并获得LED灯光源配方：将第i个光源的相对光谱功率分布设定为li(λ)＝bi(λ)/s(λ)，即第i个基函数bi(λ)与相机传感器灵敏度s(λ)之比，则ti时刻相应的相机输出O(ti)即为对应基函数的权重因子σi＝O(ti)，代入式(1)，就可以从m个相机输出信号中重建出光谱反射率：
其中，ki表示第i个光源对应的相机响应缩放系数，它与光源的发光强度及相机曝光量有关。在固定相机曝光量的情况下，可以通过已知光谱反射率的标准色卡的多光谱图像优化获取ki。
选用合适的具有不同峰值波长的单色LED灯来精确拟合出所需光源光谱。由于现有可用的LED灯有限，需根据所需光源光谱功率分布优选LED灯珠，以曲线拟合方法获得LED光源配方，计算出不同要求的光源下每一个LED灯的驱动电流。
第四步、点亮LED灯组：采用PWM(脉宽调制)技术设计LED灯组控制装置的控制方式，使得每一个LED灯的亮度调节位深不少于1024，以便于精确模拟所需光源的光谱功率分布。
第五步、拍摄被测物体图像：在控制相应的LED灯开启时，控制数码相机的曝光参数依次拍摄被测物体在m个光源下的图像并传送到主控计算机中。
第六步、提取多光谱图像同位像素的相机响应值并计算出光谱反射率：提取m个多光谱图像中同位像素的相机响应值O(ti)，i＝1…m，将相机响应值O(ti)、对应的基函数bi(λ)及ki值代入式(2)，获取被测物体每一个像素的光谱反射率。
与现有技术相比，本发明具有如下优点与有益效果：
1、本发明通过主控计算机控制多个不同峰值波长的单色LED组成的LED灯组，模拟与数码相机的光谱灵敏度曲线成倒数关系的主动照明光源来照射被测物体，并依次获取数码相机所采集被测物体的多光谱图像，从多光谱图像中提取被测物体表面的颜色信息，重建出被测物体表面光谱反射率，达到测量被测物体颜色的目的，该方法具有算法简单，引入的系统误差小，测量精度高等优点，并且能够突破传统颜色测量方法的局限，采用非接触式颜色测量方式，可用于传统测色仪器无法使用的领域；
2、本发明采用LED灯作为主动照明光源构建多光谱成像系统，可以免除分光系统，降低系统成本，提高多光谱图像的采集速度。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，所述的存储介质，如ROM/RAM、磁盘、光盘等。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统，其特征在于，包括主控计算机和用于搁置被测物体的封闭式灯箱；其中，
所述灯箱的顶部设有数码相机，底部中央封闭空间内设有LED灯组控制装置，其上部设有用于搁置被测物体且经外部驱动进出所述灯箱的抽屉式承物台，底部两侧分别设有至少一个LED灯组；其中，所述数码相机对准所述被测物体并与所述主控计算机相连，用于对所述被测物体进行图像拍摄；所有的所述LED灯组具有相同的结构；每一个所述LED灯组均包括多个不同峰值波长的单色LED灯；所述LED灯组控制装置与每一个所述LED灯组及所述主控计算机均相连，用于接收所述主控计算机发送的控制指令，并根据所述接收到的控制指令，控制每一个LED灯组之其一或其多LED灯打开或关闭及其点亮程度；
所述主控计算机，用于根据所述数码相机的光谱灵敏度曲线，控制所述每一个LED灯组的光谱功率分布与所述数码相机的光谱灵敏度曲线成倒数关系，并输出控制指令驱动所述LED灯组控制装置开启所述每一个LED灯组中相应的LED灯，以及接收所述每一个LED灯组中相应的LED灯开启时所述数码相机拍摄到的被测物体的图像并提取相机响应进行计算，得到所述被测物体上每一个像素的光谱反射率；
该颜色测量多光谱成像系统具体实现方法如下：
第一步、测量数码相机的光谱灵敏度曲线：数码相机的光谱灵敏度曲线s(λ)的测量采用两种方法，具体如下：第一种方法为单色仪测量法，拍摄不同采样波长λ处标准白板的图像及测量不同采样波长λ处单色光的光谱功率分布，通过计算获取光谱灵敏度；第二种方法为相机成像方法，用所述数码相机拍摄一张自然光照条件下标准色卡的图像，测量自然光源的相对光谱功率分布和标准色卡中每个色块的光谱反射率，通过优化方法获取光谱灵敏度，适用于实时光谱灵敏度测量；
第二步、提取颜色基函数：从现有颜色数据库中，如Munsell色卡光谱反射率，提取m个颜色基函数，m为5～8，用m个基函数线性组合表示物体反射率r(λ)，即：
其中，bi(λ)是统计决定的物体反射率的正交基函数，σi是一组权重因子，λ为光波长；在已知基函数的情况下，对不同的物体表面，只要确定各个基函数的权重因子就可以重建其光谱反射率；
第三步、筛选LED灯源并获得LED灯光源配方：将第i个光源的相对光谱功率分布设定为li(λ)＝bi(λ)/s(λ)，即第i个基函数bi(λ)与相机传感器灵敏度s(λ)之比，则ti时刻相应的相机输出O(ti)即为对应基函数的权重因子σi＝O(ti)，代入式(1)，就可以从m个相机输出信号中重建出光谱反射率：
其中，ki表示第i个光源对应的相机响应缩放系数，它与光源的发光强度及相机曝光量有关，在固定相机曝光量的情况下，通过已知光谱反射率的标准色卡的多光谱图像优化获取ki；
第四步、点亮LED灯组：采用PWM技术设计LED灯组控制装置的控制方式，使得每一个LED灯的亮度调节位深不少于1024，以便于精确模拟所需光源的光谱功率分布；
第五步、拍摄被测物体图像：在控制相应的LED灯开启时，控制数码相机的曝光参数依次拍摄被测物体在m个光源下的图像并传送到主控计算机中；
第六步、提取多光谱图像同位像素的相机响应值并计算出光谱反射率：提取m个多光谱图像中同位像素的相机响应值O(ti)，i＝1…m，将相机响应值O(ti)、对应的基函数bi(λ)及ki值代入式(2)，获取被测物体每一个像素的光谱反射率。
2.如权利要求1所述的基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统，其特征在于，任一个LED灯组上所含有的全部单色LED灯均交叉排列在具有LED灯珠阵列的LED电路板上，所述LED电路板固定在散热片上，且离开所述LED电路板发光面一侧一定距离设有散光片。
3.如权利要求2所述的基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统，其特征在于，任一个LED灯组均固定于所述灯箱底部两侧，并均与所述灯箱底部平面形成一定锐角角度，发光面倾斜朝向所述灯箱两侧内壁之一。
4.如权利要求3所述的基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统，其特征在于，所述LED灯组至少有两个且结构完全相同，所述LED灯组相对设置于所述被测物体的两侧。
5.如权利要求1至4之一所述的基于LED照明的颜色测量多光谱成像系统，其特征在于，所述数码相机为高速黑白相机或高速彩色相机。
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