CN107505046B - 多光谱颜色测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多光谱颜色测量方法，包含颜色测量过程中参数的计算方法以及利用参数实施颜色测量的方法；首先计算出颜色测量中使用到的参数，主要包括三个部分：色差仪参数的计算，图像的预处理过程，颜色测量模型的建立；其次，应用计算得到参数，实施颜色测量。本发明解决了现有技术中数字相机无法对光谱值进行测量；而光谱仪虽然能够对光谱值进行测量，但是其测量幅面有限的问题；通过数字相机检测光谱反射率，相对于传统的方法，同时兼顾了两个优点，能够对光谱放射率进行测量，同时能过实现全幅面的检测。
Description
技术领域
本发明涉及印刷品表面颜色测量领域，尤其是一种通过4镜头的数字相机采集的待检测品的RGB图像，测量相应的光谱反射率和Lab颜色值的多光谱颜色测量方法。
背景技术
传统印刷产品表面的颜色质量测量方法有目视法、光电积分法和分光光度法。
目视法是利用人眼观察标准印刷品的颜色和样品印刷品的颜色差别，通常需要在国际色彩联盟规定的标准光源下进行。但是目视法主要借助检验工的颜色观察经验进行评判，受主观因素的影响过大，测量效率低下，不能形成统一的颜色质量评价标准。
光电积分法就是一种颜色测量仪器，通过探测器接收印刷品表面的光谱能量，和其自身的光谱响应进行积分测量。虽然光电积分法测量精度高、测量速度快，在印刷行业和纺织印染行业的颜色控制中得到广泛的应用，但是光电积分法无法获得印刷品表面的光谱组成，对于同色异谱的产品无法识别。
分光光度法是对印刷品表面的光谱反射特性进行测量，根据得到的光谱数据计算在CIE标准光源下对应的三刺激值。其测量方法是根据分光色散系统对印刷品表面的光谱进行机械扫描，测量各个波段对应的光谱能量，由此测量整个光谱功率分布，虽然这种方法测量精度高，但是测量速度慢、测量效率低。为了解决测量速度的问题提出用多通道技术平行探测全波段光谱能量分布的方法，利用快速存取和分组处理的方法实现了时间分辨和光谱分辨之间的兼顾。但是分光光度法只能实现印刷品的局部区域的颜色检测，通过在印刷品表面逐行扫描对印刷品进行检测，对于全幅面的检测无法达到。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种多光谱颜色测量方法，通过数字相机的RGB值，建立RGB图像和光谱反射率之间的关系，并利用这个关系通过RGB图像计算出光谱值。
本发明所采用的技术方案为：一种多光谱颜色测量方法，包括以下步骤，
1)计算出颜色测量中使用到的参数；包括色差仪参数的计算、图像的预处理过程以及颜色测量模型的建立；
2)应用计算得到参数，实施颜色测量；
所述的步骤1)中，色差仪参数的计算包括光谱到XYZ的转换参数计算以及XYZ值到Lab的转换参数；图像的预处理过程包括白平衡参数的计算以及图像配准参数的计算；颜色测量模型的建立包括RGB到光谱的转换参数计算。
进一步的说，本发明所述的光谱到XYZ的转换参数计算的方式为：选取色卡图，对色卡图的不同颜色区进行测量，得到光谱数据的矩阵和XYZ数据的矩阵；采用线性回归法和最小二乘法求得光谱值与XYZ值之间的关系公式为：Q＝(SPT*SP)-1*SPT*C；其中，SP为光谱数据的矩阵，C为XYZ数据的矩阵。
再进一步的说，本发明所述的白平衡参数的计算方式为：从采集到的图像中提取白平衡纸区域作为白平衡图像，再分别计算白平衡图像中每一列的三个通道平均值。
再进一步的说，本发明所述的RGB到光谱的转换参数计算方式为：提取每个色块中心区域的RGB平均值，记为矩阵D；通过最小二乘法求解得到RGB到光谱的转换参数矩阵为：
其中，SP为光谱数据的矩阵，
为矩阵D进行扩展后得到的另一个矩阵。
再进一步的说，本发明所述的步骤2)中，应用计算得到参数，计算出检测区域的光谱反射率和Lab值的方法是：
A、利用相机采集待检测品的图像，对采集到的图像进行预处理；
B、在预处理后的图像上选定检测区域，提取检测区域内的平均值，将所有通道的数据记为矩阵d；
C、对提取的通道数据进行扩展，记为另一个的矩阵dm；
D、通过已计算得到RGB到光谱的转换参数P以及光谱到XYZ的转换参数Q，计算检测区域的光谱Spm以及XYZ值Cm如下式：
Spm＝dm*P
Cm＝Spm*Q
E、根据标准公式计算从XYZ计算得到Lab值。
本发明的有益效果是：解决了现有技术中数字相机无法对光谱值进行测量；而光谱仪虽然能够对光谱值进行测量，但是其测量幅面有限的问题；通过数字相机检测光谱反射率，相对于传统的方法，同时兼顾了两个优点，能够对光谱放射率进行测量，同时能过实现全幅面的检测。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明颜色测量参数计算流程图；
图2是本发明颜色测量流程图；
图3是本发明相机成像示意图；
图4是本发明包含4个镜头的图像；
图5是本发明白平衡纸区域图像；
图6是本发明提取红色矩形框内的RGB平均值图像。
具体实施方式
现在结合附图和优选实施例对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
一种多光谱颜色测量方法，包含颜色测量过程中参数的计算方法以及利用参数实施颜色测量的方法。
首先计算出颜色测量中使用到的参数，主要包括三个部分：色差仪参数的计算(包括：光谱到XYZ的转换参数计算，XYZ值到Lab的转换参数)，图像的预处理过程(包括：白平衡参数的计算，图像配准参数的计算)，颜色测量模型的建立(RGB到光谱的转换参数计算)。参数的计算流程如图1所示。
其次，应用计算得到参数，实施颜色测量，颜色测量流程如图2所示。
1、色差仪参数的计算
以X-rite SP62色差仪为例，该色差仪在400nm-700nm光谱范围内以10nm等间隔采样，对物体进行光谱反射率测量。因此印刷品表面的光谱反射率由31个光谱参数构成，即[S1 S2 … S31]；同时可以得到XYZ值和L*a*b*值。
1)光谱到XYZ的转换参数计算
采用线性回归法求解光谱值与XYZ值之间的关系，设Q为31*3的参数矩阵。例如采用chromasens公司的色卡图，该色卡图包含345个不同颜色的色块区域(如图4)，对色卡图的345个不同颜色区进行测量，得到光谱数据的矩阵如下：
其中，i表示第i个测量区域，j表示第j个光谱值。
同时，得到XYZ数据的矩阵如下：
其中，i表示第i个测量区域
由线性回归法，有如下关系公式：
SP*Q＝C
用最小二乘法求解，如式：
Q＝(SPT*SP)-1*SPT*C
2)XYZ值到Lab的转换参数
XYZ值到Lab值的转换采用标准公式，如下：
L＝116*(f(Y/Yn))-16
a＝500[f(X/Xn)-f(Y/Yn)]
b＝200[f(Y/Yn)-f(Z/Zn)]
其中，
分别带入XYZ值到Lab值，求出转换参数Xn，Yn，Zn。
2、图像的预处理过程
本实施例基于多光谱成像系统，由多通道数字相机，镜头，滤光片和光源构成，如图3所示。12通道的线扫描CCD相机是Chromasens的TruePixa相机，包含四个镜头，每个镜头前面安装不同的滤光片(分别为：蓝色、普通透明、浅黄、绿色)，每个镜头成像后都能得到一幅三通道的RGB图像，因此每种颜色会产生12个不同的刺激响应。包含四个镜头的图像图4所示。
1)白平衡参数的计算
本实施例采用的线扫描CCD相机，对其采集的图像(如图5)的每一列的每一个通道计算一个白平衡参数。
以纯正白色(白平衡纸)为基准，以光源的色温为尺度，通过自动或手动调整白平衡，对偏离真实的景物色彩进行补偿和改正，消除偏色，以贴近人的视觉标准。
在检品的顶端放置一条白平衡纸，相机采集到的图像如图4所示。从采集到的图像中提取白平衡纸区域作为白平衡图像，再分别计算白平衡图像中每一列的三个通道(R通道、G通道或B通道)平均值。设定白平衡的目标值(取值在180至220之间)，则对应每一列的一个通道(R通道、G通道或B通道)白平衡参数为目标值除以对应列的平均值。
2)几何校正参数的计算
十二通道的CCD相机因为安装精度，视场的变化等因素的影响，所以四个镜头得到的四幅图像的位置会有一些差异。在处理多光谱图像时需要对四幅图像配准，即寻找四幅图像之间的对应关系，对四幅图像进行平移几何校正。
本实施例采用互相关度量法计算两个图像之间的互相关函数，根据互相关函数的峰值位置确定平移变换关系。
3)利用计算得到的白平衡参数和几何校正参数对原采集图像进行白平衡和图像
3、颜色测量模型的建立
颜色测量模型的建立，实际上建立RGB图像(4个镜头，共十二通道)和光谱反射率之间的关系。
1)RGB数据提取以及光谱数据采集
通过TruePixa相机采集色卡图像，得到4个镜头的RGB图像，对图像进行预处理后，提取图像每一个色块的中心区域的平均值，图6显示其中两个镜头的色块中心区域(红色矩形块所示)。提取每个色块中心区域的RGB平均值，共四个镜头，记为一个1*12的矩阵：
[R1 G1 B1 R2 G2 B2 R3 G3 B3 R4 G4 B4]
提取345个色块的中心区域的12通道RGB平均值，记为：
其中，i代表第几个色块
例如用X-rite SP62色差仪对345个色块进行测量，得到光谱数据记为：
其中，i表示第i个色块，j表示第j个光谱值。
2)RGB到光谱的转换参数计算
本实施例采用了一种二次多项式回归法建立RGB与光谱之间的关系，12通道的数据可以看作一个1*12的矩阵，对这个1*12的矩阵进行扩展，增加一个常数项1，同时增加每一个通道的数据值的平方项，得到一个维度为1*25的矩阵。按照这种方式对12*345矩阵D进行扩展得到一个25*345的矩阵，如下：
记P为25*31的RGB到光谱的转换参数矩阵，有式:
用最小二乘法求解，如式:
4、颜色测量的实现
颜色测量的实现方法如图2所示，通过truePIXA相机采集待检测品的图像，利用本方法计算出检测区域的光谱反射率和Lab值。
1)利用truePIXA相机采集待检测品的图像，对采集到的图像进行预处理
2)在预处理后的图像上选定检测区域，提取检测区域内的平均值，将12个通道的数据记为一个1*12的矩阵。
3)采用上文提到的方式对提取12通道数据进行扩展，记为一个1*25的矩阵dm
4)已计算得到RGB到光谱的转换参数P以及光谱到XYZ的转换参数Q，可计算检测区域的光谱Spm以及XYZ值Cm如下式：
Spm＝dm*P
Cm＝Spm*Q
根据标准公式计算从XYZ计算得到Lab值。
以上说明书中描述的只是本发明的具体实施方式，各种举例说明不对本发明的实质内容构成限制，所属技术领域的普通技术人员在阅读了说明书后可以对以前所述的具体实施方式做修改或变形，而不背离本发明的实质和范围。
Claims (2)
1.一种多光谱颜色测量方法，其特征在于：包括以下步骤，
1)计算出颜色测量中使用到的参数；包括色差仪参数的计算、图像的预处理过程以及颜色测量模型的建立；
2)应用计算得到参数，实施颜色测量；
所述的步骤1)中，色差仪参数的计算包括光谱到XYZ的转换参数计算以及XYZ值到Lab的转换参数；图像的预处理过程包括白平衡参数的计算以及图像配准参数的计算；颜色测量模型的建立包括RGB到光谱的转换参数计算；
所述的RGB到光谱的转换参数计算方式为：提取每个色块中心区域的RGB平均值，记为矩阵D；通过最小二乘法求解得到RGB到光谱的转换参数矩阵为：
其中，SP为光谱数据的矩阵，
为矩阵D进行扩展后得到的另一个矩阵；
所述的步骤2)中，应用计算得到参数，计算出检测区域的光谱反射率和Lab值的方法是：
A、利用相机采集待检测品的图像，对采集到的图像进行预处理；
B、在预处理后的图像上选定检测区域，提取检测区域内的平均值，将所有通道的数据记为矩阵d；
C、对提取的通道数据进行扩展，记为另一个的矩阵dm；
D、通过已计算得到RGB到光谱的转换参数P以及光谱到XYZ的转换参数Q，计算检测区域的光谱Spm以及XYZ值Cm如下式：
Spm＝dm*P
Cm＝Spm*Q
根据标准公式计算从XYZ计算得到Lab值；
所述的光谱到XYZ的转换参数计算的方式为：选取色卡图，对色卡图的不同颜色区进行测量，得到光谱数据的矩阵和XYZ数据的矩阵；采用线性回归法和最小二乘法求得光谱值与XYZ值之间的关系公式为：Q＝(SPT*SP)-1*SPT*C；其中，SP为光谱数据的矩阵，C为XYZ数据的矩阵。
2.如权利要求1所述的一种多光谱颜色测量方法，其特征在于：所述的白平衡参数的计算方式为：从采集到的图像中提取白平衡纸区域作为白平衡图像，再分别计算白平衡图像中每一列的三个通道平均值。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 213161 No. 258-6 Jinhua Road, West Taihu Lake, Wujin District, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant after: Zhengtu Xinshi (Jiangsu) Science and Technology Co., Ltd. Address before: 213161 No. 258-6 Jinhua Road, West Taihu Lake, Wujin District, Changzhou City, Jiangsu Province Applicant before: Sign new map (Jiangsu) Technology Co. Ltd. |
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| CB03 | Change of inventor or designer information | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Wang Yansong Inventor after: Du Weidong Inventor after: Wang Zheng Inventor after: Zhang Chune Inventor before: Wang Yansong Inventor before: Du Weidong Inventor before: Wang Zheng |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |