CN107515045A - 一种手机便携式多光谱成像方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手机便携式多光谱成像方法及装置,该发明基于手动旋转式多光谱成像装置的光谱分光功能，利用智能手机自备的成像镜头、面阵探测器及配套电路及触摸屏，匹配配套的手动旋转式多光谱成像组件，选择进入智能手机成像相机的波长，从而实现对不同光谱进行成像，辅以手机端软件完成光谱成像数据实时采集及分析应用，可普及应用到人们的日常生活中。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，尤其涉及一种基于手机自带照像功能模块实现多光谱成像的方法及相应装置，装置结构简单、成本低廉，匹配APP处理软件后操作及处理十分方便、快捷，特别适用于日常生活中文物及物证鉴别、化妆品评估、假冒伪劣鉴别、农产品质量鉴别、食品安全检测、环境监测等应用领域。
背景技术
形态测量和光谱测量是研究地物结构和成份的主要方法，其基于不同地物目标的光谱特征，以及各不相同微粒的尺寸和形状实现物质分析、鉴别等应用。光谱成像仪能在获取所观测目标二维空间信息的同时，获取目标像素的特定光谱信息，能更有效地区分和识别目标，在文物及物证鉴别、化妆品评估、假冒伪劣鉴别、农产品质量鉴别、食品安全检测、环境监测等应用领域均有重要应用价值。
在过去三十年里，光谱成像技术获得巨大的发展，在军民多领域发挥了重要的作用，但是，由于绝大多数光谱成像仪器均属于专用精密光学仪器，采用专用的成像、分光、探测器、电路、显示外设及机械等模块，导致仪器体积大、重量重、价格高。这类仪器通常在航空航天等平台以及专用实验室应用，为满足现场及野外检测等方面的应用需求，光谱成像仪也开始出现相应便携式产品，向微小型化的趋势发展，但仍然无法普及应用到人们的日常生活中。近年来，随着移动互联网时代的到来，以手机为代表的移动设备已发展为广泛应用的智能数据终端，各种与手机结合的设备不断推出，可以完成各种数据的采集、分析等。国内外研究人员已经开始对手机光谱仪、光谱成像仪的研发。如专利—手机光谱仪模块及具有该手机光谱仪模块的手机光谱仪(201410248090.6)，将采光狭缝、准直光学、光栅集成小型模块，与手机光学镜头及传感器相结合，完成光谱采集功能，是一种较为新颖的发明。该发明主要涉及的是小型的光谱仪模块，与手机结合后可探测光谱信息，但同时会失去手机的成像功能。专利—一种可采集高光谱图像的光谱的智能手机(201220532859.3)，将背照式摄像头、液晶光阀模组以及白光LED嵌入智能手机，实现光谱成像。该发明主要部件需与手机相集成，形成专业的光谱成像手机。专利—基于手机的显微光谱成像系统(201610458232.0)将手机、光源、光谱仪、样品台集成，手机显微成像的光谱系统。该发明手机的功能仅用作显微成像，其光源、光谱仪、样品台等形成独立的系统，且显微图像及光谱数据没有实现同步获取。
本发明提供的一种手机便携式多光谱成像方法及装置，采用标准定标板现场参比成像及定标方法，利用自带成像镜头、面阵探测器及配套电路及屏幕的手机，设计基于滤光片组件的光机模块，辅以手机端软件，实现光谱成像数据实时采集及分析应用，可普及应用到人们的日常生活中各光谱应用领域中。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用手动旋转轻型滤光片轮，基于手机自带照像功能模块，实现多光谱成像的方法及装置。其主要特点在于采用标准定标板现场参比成像及定标，通过手动旋转滤光片选择成像光谱谱段、利用手机自带的成像镜头、面阵探测器及配套电路、手机端软件完成成像，手机屏幕完成交互控制及显示实现多光谱成像及应用分析。
多光谱成像方法为：首先在需要成像的目标附近放置好定标好的标准板，打开手机及相应APP软件，调节好手机镜头使成像目标成像清晰；然后按方法依次获取手机成像模块的暗背景图像、多光谱成像图像，并将图像处理为灰度的单色图像；再次调用暗背景图像及多光谱成像图像、标准板定标数据，对图像进行预处理，有效减小成像模块成像参数不同、以及光照与场景不同引起的成像误差；最后调用应用模型完成多光谱图像的应用分析处理，实现在日常生活中文物及物证鉴别、化妆品评估、假冒伪劣鉴别、农产品质量鉴别、食品安全检测、环境监测等应用领域的实时应用目的。
本发明提供了一种手机便携式多光谱成像方法及装置，该装置由智能手机1、手动旋转式多光谱成像装置2、定标板3、被测目标4、照明光源5组成，首先将手动旋转式多光谱成像装置2固定于智能手机1上，照明光源5以一定角度同时照明目标4及定标板3，将固定了手动旋转式多光谱成像装置2的智能手机1同时对其进行拍照，通过手动旋转式多光谱成像装置2中一系列滤光区域获取多光谱图像，结合获取的暗电平图像及定标板标定数据对多光谱图像进行预处理，再调用应用模型完成多光谱图像的应用分析。
其中手动旋转式多光谱成像装置2主要包括：手机配套罩2-0、可手动旋转的轮盘2-1、环型滤光片2-2、保护罩及固定结构2-3、固定结构2-4组成。环型透光片2-2的不同区域等效为透过不同的波长的滤光片。环形滤光片分为等间距的n个不同光谱的滤光区域，其滤光中心波长根据应用设计为λ1～λn；每个滤光区域面积相同且与手机镜头通光孔径口径相匹配，略大于手机镜头的通光孔径，不影响手机成像模块的感光成像。可手动旋转的轮盘2-1可手动旋转，根据应用需求选择成像波长，旋转可手动旋转的轮盘2-1驱动固定其上的环型滤光片2-2运动，使选择成像光谱的滤光功能区域对应手机成像镜头感光位置；固定结构2-4将环型滤光片2-2固定于可旋转的滤光片轮盘2-1上，保护罩及固定结构2-3将可手动旋转的轮盘2-1固定于手机配套罩2-0上；保护罩及固定结构2-3还可以实现对环型滤光片2-2的保护。
多光谱成像工作步骤具体如下：
1手动旋转式多光谱成像装置2固定于智能手机1上，选择定标好的标准板3，选择装载好对应的标定数据；
2首先在成像目标处放置好定标板3，采用自然光或照明光源5以一定角度同时照亮成像目标及定标板3，打开手机中的APP光谱成像软件，调节好手机镜头使成像目标成像清晰；
3按应用需求选择成像谱段λ1～λn，依次将手动旋转式多光谱成像装置2旋转至相应滤光装置，获取成像目标及定标板的图像，根据软件提示，分别将对应波长及其图像存储于手机中；即首先将环型滤光片2-2的波长λ1滤光片区域旋转至手机的成像镜头前，自动调好适宜的成像参数成像，记录下图像及相应的成像参数，该图像是波长λ1的光谱图像；旋转可旋转的滤光片轮盘2-1使得环型滤光片2-2波长λ2滤光区域处于手机的成像镜头前，再次进行成像，该图像是波长λ2的光谱图像；……；依次进行图像采集，最终完成波长为λ1～λn的多光谱图像采集；
4将手动旋转式多光谱成像装置2旋转至遮光装置，选择暗背景成像选项，调用存储的λ1～λn各光谱成像时的成像参数，获取手机成像模块的暗背景图像，存储于手机；
5选择手机APP软件中的数据预处理选项，完成多光谱图像的预处理。预处理首先将暗背景图像、多光谱成像图像处理为灰度的单色图像，并提取好图像中的标准板成像数据；然后将多光谱成像图像，调用暗背景图像、标准板的成像数据，标准板的定标数据完成预处理，并有效减小成像模块及光照与场景不同引起的成像误差；
6选择应用模型选项，调用应用模型完成多光谱图像的应用分析处理。
该发明的特点主要体现在：
1)该发明成像方法对手机及现场场景的适应能力强，具有数据量化分析能力。方法综合标准定标板现场参比成像及定标，以及同成像参数的暗背景图像数据，可有效减小因成像模块成像参数不同、以及光照与场景不同引起的成像误差。
2)该发明成像装置手机兼容性强，成本低廉。光谱成像主要结合手机自身的软、硬件来实现光谱图像获取，功能复用；手动旋转式多光谱成像装置配以相应的手机配套罩，可适应不同手机的成像需求，且组成部件适合标准化量产，工艺成熟，成本低廉；成像方法综合标准定标板现场参比成像及定标，以及同成像参数的暗背景图像数据，可消除不同手机成像模块的差异性。
3)该发明成像方法操作简单、易学。成像方法配以APP软件选项提示，可规范操作、使用简单、处理快捷。
4)可以通过更换滤光片的种类来实现对不同目标的检测，如日常生活中的文物及物证鉴别、化妆品评估、假冒伪劣鉴别、农产品质量鉴别、食品安全检测、环境监测等实时应用，拓展性强。
将本发明的智能手机换为ipad，照相机、监控相机、显微镜等自备成像功能的设备时，仅需更改手机配套罩为相应的配套罩，配以兼容的成像软件，即可实现多光谱成像，适用性强。
附图说明
图1为该发明的成像方法示意图。
图2为手动旋转式多光谱成像装置爆炸示意图。
图3为环型滤光片示意图。
图4为实施例中环型滤光片示意图。
图5为成像工作流程示意图。
具体实施方式
为进一步说明本发明，以下结合附图及实施例进行具体示例描述。实施例及相应附图用于进一步解释说明本发明，并不用于限制本发明，本领域技术人员在无实质创造性工作而基于本发明改型形成的其他实施例，均在本发明的保护范围之内。
本发明中所采用的主要器件描述如下：
1)智能手机1：采用具备照相及摄像功能的手机，本例中采用iPhone6手机，相机镜头口径约为6mm；
2)手动旋转式多光谱成像装置2:由手机配套罩2-0、可手动旋转的轮盘2-1、环型滤光片2-2、保护罩及固定结构2-3、固定结构2-4组成。可手动旋转的轮盘2-1为定制结构,实施例设计为12个滤光片通光区域，如附图4所示，可按应用需求固定环型滤光片，滤光片通光圆孔大小设计为8mm，圆孔中心离轮盘中心距离16mm，圆盘直径43mm，轮盘转轴孔径7mm；
3)环型滤光片2-2:环型滤光片即可整片分区域镀制或也可由12种分立的通光区域组合而成，如附图3及附图4所示。包括10种分立的带通滤光片形成10个滤光区域、1个通光区域及一个遮光区域；12个不同的滤光片通光区域实现按应用需求设计的带通光谱滤光功能。实施例选择10种分立带通滤光片组合，每种滤光片口径大小为8mm，基底材料为石英；带通滤光片中心波长分别为：450nm、470nm、…、630nm，带通范围分别为中心波长λ±10nm(FWHM)，400-1100nm内带外抑制比大于30DB；
4)定标板3：光谱定标板采用高品质的PTFE材料加工而成，覆盖200-2500nm的光谱范围，采用灰阶设计，一次图像获取可实现对多种反射率梯度的标定。
5)照明光源5：采用太阳光或环境光，需要时结合手机照明作为照明光源。
具体实施方式中，本发明为一种手机便携式多光谱成像方法及装置，该装置智能手机1、手动旋转式多光谱成像装置2、定标板3、被测目标4、照明光源5组成，手动旋转式多光谱成像装置2为关键组件之一，该手动旋转式多光谱成像装置2由手机配套罩2-0、可手动旋转的轮盘2-1、环型滤光片2-2、保护罩及固定结构2-3、固定结构2-4组成，该组件的组装步骤如下：
1、可手动旋转的轮盘2-1为定制结构,设计为12个滤光片通光区域，如附图4所示，滤光区域通光孔径为8mm，圆孔中心离轮盘中心距离16mm，圆盘直径43mm，轮盘转轴孔径7mm；
2、准备10种分立的带通滤光片形成10个滤光区域，结合1个通光区域及一个遮光区域，组合形成环形滤光组件，其中带通滤光片的性能指标如下：系列滤光片均带通滤光片，带通范围分别为450±10nm、470±10nm、490±10nm、510±10nm、530±10nm、450±10nm、570±10nm、590±10nm、610±10nm、630±10nm，所有滤光片在400-1100nm内带外抑制比大于30DB；
3、分别将12种分立的系列滤光片依次固定于环型滤光片2-2对应的安装结构上，完成环型滤光片2-2的拼接；
4、利用固定结构2-4将环型滤光片2-2固定于可旋转的滤光片轮盘2-1上，利用保护罩及固定结构2-3将可手动旋转的轮盘2-1固定于手机配套罩2-0上；利用保护罩及固定结构2-3实现对环型滤光片2-2的保护，完成滤光片组件的组装。
手动旋转式多光谱成像装置2装配完成后，以手机配套罩2-0为接品装配于便携式手机1(iPhone6手机)上，结合手机的成像相机来对目标进行多光谱成像，其成像及应用处理方法由以下步骤组成：
1、将手动旋转式多光谱成像装置2固定于智能手机1上；
2、将定标板3安置于被测目标4附件，保证定标板与目标照明状态相同且无阴影，共同处于智能手机1的视场内；
3、打开手机中的光谱成像软件，选择多光谱成像选项，将固定了手动旋转式多光谱成像装置2的智能手机1对准被测目标4及定标板3进行拍照。如根据软件提示，将环型滤光片2-2的波长λ1(450nm)滤光片区域旋转至手机的成像镜头前，自动调好适宜的成像参数成像，记录下图像及相应的成像参数，该图像是波长450nm的光谱图像；旋转可旋转的滤光片轮盘2-1使得环型滤光片2-2波长470nm滤光区域处于手机的成像镜头前，再次进行成像，该图像是波长470nm的光谱图像；……；依次进行图像采集，完成波长为630nm的光谱图像采集，最终实现多组光谱Bayer图像的采集；
4、将手动旋转式多光谱成像装置2旋转至遮光区域，选择暗背景成像选项，按照多光谱成像时记录下的成像参数获取手机成像模块的暗背景图像，存储于手机；
5、选择手机APP软件中的数据预处理选项，完成多光谱图像的预处理。预处理首先将Bayer图像进行插值获取彩色RGB图像，在还原为灰度信息，对曝光参数进行归一化，暗背景图像去除，利用被测物的几何特征与定标板的边界特征进行图像配准与裁剪，形成数据立方体，最终通过匹配定标板灰阶的反射率特征，将数据处理为反射率光谱立方体；
6、选择应用模型选项，调用应用模型完成多光谱图像的应用分析处理。
Claims (8)
1.一种手机便携式多光谱成像装置，由智能手机(1)、手动旋转式多光谱成像装置(2)、定标板(3)、被测目标(4)、照明光源(5)组成，其特征在于：
首先将手动旋转式多光谱成像装置(2)固定于智能手机(1)上，照明光源(5)以一定角度同时照明目标(4)及定标板(3)，将固定了手动旋转式多光谱成像装置(2)的智能手机(1)同时对其进行拍照，通过手动旋转式多光谱成像装置(2)中一系列滤光区域获取多光谱图像，结合获取的暗电平图像及定标板标定数据对多光谱图像进行预处理，有效减小成像模块成像参数不同、以及光照与场景不同引起的成像误差后，再调用应用模型完成多光谱图像的应用分析。
2.根据权利要求1所述的一种手机便携式多光谱成像装置，其特征在于：所述的手动旋转式多光谱成像装置(2)由手机配套罩(2-0)、可手动旋转的轮盘(2-1)、环型滤光片(2-2)、保护罩及固定结构(2-3)、固定结构(2-4)组成，利用固定结构(2-4)将环型滤光片(2-2)安装于可旋转的滤光片轮盘(2-1)上，利用保护罩及固定结构(2-3)将可手动旋转的轮盘(2-1)固定于手机配套罩(2-0)上；保护罩及固定结构(2-3)还可以实现对环型滤光片(2-2)的保护。
3.根据权利要求2所述的一种手机便携式多光谱成像装置，其特征在于：所述的环型滤光片(2-2)即可整片分区域镀制或也可由分立的滤光片组合而成，不同区域等效为透过不同的波长的滤光片,共分为等间距的n个不同功能的光谱滤光区域，其滤光中心波长根据应用设计为λ1～λn；滤光区域均带通滤光，其中心波长分别为λ1、λ2、λ3、……、λn，中心波长按应用需要设计；每个滤光区域面积相同且与手机镜头通光孔径口径相匹配，不影响手机成像模块的感光成像。
4.根据权利要求1所述的一种手机便携式多光谱成像装置，其特征在于：所述的定标板(3)即可为定制的采用高品质的PTFE材料加工而成的光谱定标灰阶板，覆盖200-1000nm的光谱范围，三个区域反射率分别为30％，60％与90％；也可为光学特性稳定的具有定标数据的其他目标(如色板等)；智能手机(1)多光谱成像时，即可同时对被测目标(4)及定标板(3)进行拍照，也可分时对两者完成拍照。
5.根据权利要求1所述的一种手机便携式多光谱成像装置，其特征在于：所述的智能手机(1)为一种具备图像采集的功能的常规智能手机，其与手动旋转式多光谱成像(2)的构型适应性结合手机配套罩(2-0)完成。
6.根据权利要求1所述的一种手机便携式多光谱成像装置，其特征在于：所述的照明光源(5)光谱范围需要覆盖手动旋转式多光谱成像装置(2)光谱范围，可以为太阳光或人造光源，需要时结合手机自备的照明光源。
7.根据权利要求1所述的一种手机便携式多光谱成像装置，其特征在于：所述的智能手机(1)可替换为ipad，照相机、监控相机、显微镜自备成像功能的设备。
8.一种基于权利要求1所述的一种手机便携式多光谱成像装置的多光谱成像方法，其特征在于方法步骤如下：
1)将手动旋转式多光谱成像装置(2)固定于智能手机(1)上；
2)将被测目标(4)与定标板(3)共同置于场景中，保证照明光源(5)以一定角度照射，定标板表面无阴影；打开手机中的光谱成像软件，选择多光谱波段，将手动旋转式多光谱成像装置(2)旋转至波长λ1的区域处于成像镜头前，通过智能手机(1)对目标进行成像，该图像是波长λ1的光谱图像；旋转手动旋转式多光谱成像装置(2)使得波长λ2的区域处于成像镜头前，再次通过智能手机(1)对目标进行成像，该图像是波长λ2的光谱图像；如此依次进行图像采集，最终完成波长为λn的光谱图像采集，最终实现多组光谱图像的采集；然后，旋转手动旋转式多光谱成像装置处于遮光区域，打开手机中的光谱成像软件，以暗电平模式拍摄图像，获取暗电平数据；
3)调用暗电平数据及多光谱图像，对Bayer格式彩色数据进行插值后，利用Gray＝R*α+G*β+B*γ转化为灰度图，其中R、G、B分别为彩色图像中红、绿、蓝三色分量，α、β、γ为转化系数，Gray为转化后图像的灰度值；对图像扣除暗电平，并进行曝光及增益的归一化处理；之后对多光谱图像组利用目标特征及定标板边沿特征进行图像配准及裁剪，形成光谱数据立方体；在软件中通过对数据立方体中定标板中不同反射率的灰阶进行标记，将图像依照灰度信息转化为反射率光谱数据立方体。对所采集的反射率光谱数据立方体进行应用处理，实现应用分析目的。
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