CN108931299A - 一种基于嵌入式相机的色度测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于嵌入式相机的色度测量装置及方法，装置包括摄像模块、主机和显示模块；摄像模块用于实时采集图像；主机包括含嵌入式控制模块和辅助模块；控制模块，用于实时采集被测物体图像，提取感兴趣区域并计算图像的色度信息；辅助模块，用于同外部通信以及提供标准光源和电源；显示模块，用于实时显示采集的图像，并显示图像的色度信息；主机分别与摄像模块和显示模块连接。本发明图像采集模块和处理模块集成于嵌入式控制模块中，减少了图像传输时间，提高了计算效率；装置一体化体积小，便于使用，同时简化了安装过程，减少了安装时间；优化了色度测量算法，提高了色度测量精度；能够实时测量色度信息，可靠性高、寿命长、实用性强。

Description

一种基于嵌入式相机的色度测量装置及方法

技术领域

本发明属于色度测量技术领域，涉及一种色度测量装置及方法，具体涉及一种基于嵌入式相机的色度测量装置及方法。

背景技术

色彩在工业上的用途相当广泛，除了油墨印刷、纸张染色之外，还有皮革、纺织品、金属烤漆等工业生产。为了保证产品与标准样品的色彩的一致性，就需要有一种高效的、高精度的颜色测量方法。

颜色的测量方法主要有目视法、光电积分法和分光光度法三种方法。在国外目视测色法已逐渐被淘汰，目前主要是采用仪器的物理测色方法，但是这种仪器测量颜色的方法仍无法实现在线测量颜色。

目前我国在油墨印刷、纸张染色、皮革、纺织品、金属烤漆等工业生产领域中普遍采用的是目视测色法，即通过操作人员的眼睛来区分染色物的色彩与标准样品的色彩的差别。这种方法不适合工业生产现场的在线色彩测量。

光电积分法通过把探测器的光谱响应匹配成标准色度观察者光谱三刺激值曲线，从而对探测器所接收到的来自被测颜色的光谱能量进行积分测量。此类型仪器的测色准确度与仪器符合卢瑟条件的程度有直接关系，仪器不可能完全符合卢瑟条件，因此光电积分式仪器不能精确测量出色源的三刺激值和色品坐标。

分光光度法通过测定物体的反射光谱功率分布，并由此计算出被测颜色在各种标准照明体下的三刺激值(1、刘怡轩，《在线式分光测色仪研究》[D].中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所)，2015.；2、杨淑娟，《高速高精度分光测色仪的分析与设计》[D].西安电子科技大学,2007.；3、赵新彦，蒋月娟，《一种分光测色仪的设计》[J].光学仪器,2003(01):33-37.；4、颜昌翔,刘怡轩等，《一种在线式分光测色仪及其使用方法》，专利申请号：CN200880131776.X)。这种颜色测量仪器称为光谱光度计或分光光谱仪，成本较高。

目前市场上销售的和摄像头平均寿命已经达到万小时以上，而且的摄像头的价格非常低廉、能耗极低，完全满足在线色彩的测量所需性价比高的摄像设备要求。

随着高计算能力、低价格且低功耗的处理器的出现，嵌入式视觉系统得到了快速发展。与计算机视觉系统相比，嵌入式图像采集系统具有低功耗、体积小、成本低、适应性强、可靠性高等优点。目前，嵌入式图像采集系统广泛应用于智能交通、远距离监控、计算机视觉等领域。特别适用于计算机在线测量与控制领域。

目前工业上使用最广泛的色度测量系统是基于图像处理的色度测量系统(1、罗昌虎，《基于彩色Bayer型相机的LED显示屏色度测量》[D].西安电子科技大学,2014.；2、赵梓权,王瑞光,等，《用彩色CCD相机测量发光二极管显示屏的色度》[J].光学精密工程,2013,21(03):575-582.；3、刘锦瑞,高友军等,《纺织品色牢度检测工作站》，专利申请号：CN201520761903.1；4、杜媛，《胶印过程中墨量检测技术的探讨》[D].西安理工大学,2009.；5、刘晨，《色度式印刷画面直接检测方法的研究》[D].西安理工大学,2008.；6、林信一，《色彩转换的方法与装置》，专利申请号：CN200710002184.5；7、饶洋，《一种色域映射方法及色域映射装置》，专利申请号：CN201711088270.2；8、汤一平；汤晓燕等，《面向染色工业过程的在线测色仪》，专利申请号：CN200910102189.4。)这些系统中，虽然图像处理的方法有所不同，但是都是通过采集不同色卡的图像获得R、G、B值及色卡的1931CIE-XYZ色彩空间的三刺激值X、Y、Z，计算出两个色彩空间的转换关系，通过矩阵转换实现不同色度系统的转换。这种测量系统需要一种高精度的转换方法进行图像处理并计算。其中除了上述的8、汤一平，汤晓燕的《面向染色工业过程的在线测色仪》是在嵌入式系统中运算外，其余7种色度测量系统都在电脑上进行计算，不仅转换精度差，效率低，而其可移动性还差。

目前不同色度空间之间的转换方法有三种：多项式回归算法、3D-LUT查找表插值算法和神经网络模型法。多项式回归算法进行色度空间转换(1、刘晨，《色度式印刷画面直接检测方法的研究》[D].西安理工大学，2008；2、汪辉、曹虎等，《一种线性色彩空间的转换方法及装置》，专利申请号：CN20161047169.6；；3、罗昌虎，《基于彩色Bayer型相机的LED显示屏色度测量》[D].西安电子科技大学,2014.；4、赵宇杰,姚娟文等《基于Matlab的数字图像色彩空间转换与应用》[J].电子技术与软件工程,2015(05):113；5、赵梓权,王瑞光等，《用彩色CCD相机测量发光二极管显示屏的色度》[J].光学精密工程2013,21(03):575-582.；6、汤一平，汤晓燕等，《面向染色工业过程的在线测色仪》，专利申请号：CN200910102189.4；7、杜媛，《胶印过程中墨量检测技术的探讨》[D].西安理工大学,2009.；8、周袆，曹从军，《基于数码打样CMYK到L～*a～*b～*色彩空间转换方法的研究》[J].包装工程,2007(12):89-90+118.；9、张懿,刘旭等，《数字RGB与YCbCr颜色空间转换的精度》[J].江南大学学报(自然科学版),2007(02):200-202.)，其优点在于转换模型容易建立，算法实现简单，运行速度快，缺点是不能保证在整个色彩空间转换的精度一致。3D-LUT查找表插值算法(1、古晶，《RGB到Lab颜色空间转换》[J].广东印刷,2009(05):11-14.)的转换精度取决于查找表的密度，通过减少数据间隔可提高转换精度，但节点过多会导致测量次数的增加及存储量的增加，需要很大的存储空间；神经网络法(1、巩亚萍,高军等，《一种新的RGB到L～*a～*b～*转换方法的研究》[J].包装工程,2008(07):23-25+61.；2、薛文博.《基于GRNN的RGB到L～*a～*b～*色彩空间的转换模型》[J].西安工程大学学报,2012,26(05):653-656.；3、解娴婷.L～*a～*b～*和CMYK色空间的相互转换模型的研究[D].南京林业大学,2010.)拟合结果较为准确，但神经网络算法本身存在收敛性与训练时间不确定、泛化精度缺陷等问题。

以上各种色度测量系统中，除了基于图像处理方法的色度测量装置外，其他类型的色度测量装置均不能用于自动化检测。但基于图像处理方法的色度测量装置的图像采集模块和处理模块均分离，而且处理模块多为电脑，存在效率低、存在体积大、可移动性差以及转换算法整体精度低的问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：1、传统多项式回归方法在整个色度空间建模精度低；2、现有的色度测量系统的检测模块和色度显示模块分离放置且图像采集模块和处理模块分离，架设过程复杂，装置价格昂贵，且工作效率低、可移动性差。

本发明的装置所采用的技术方案是：一种基于嵌入式相机的色度测量装置，其特征在于：包括摄像模块、主机和显示模块；

所述摄像模块，用于实时采集图像；所述主机包括含嵌入式控制模块和辅助模块；所述控制模块，用于实时采集被测物体图像，提取感兴趣区域并计算图像的色度信息；所述辅助模块，用于同外部通信以及提供标准光源和电源；所述显示模块，用于实时显示采集的图像，并显示图像的色度信息；

所述主机分别与所述摄像模块和显示模块连接。

本发明的方法所采用的技术方案是：一种基于嵌入式相机的色度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：相机在标准光源环境下重复采集标准色卡中某一固定颜色图像至少5张，获取每张标准色卡图像的R、G、B值，计算出R、G、B值的样本均值作为该标准色卡在RGB色彩空间的标准值并记为R_i、G_i、B_i；

步骤2：在与步骤1相同的光照环境下，用色度计重复测量步骤1中标准色卡的相同颜色色块的色度值至少5次，测定该颜色在1931CIE-XYZ色度系统中三刺激值X、Y、Z的样本均值，以此样本均值作为标准色卡在该色度系统下的三刺激值，记为X_i、Y_i、Z_i；

步骤3：将步骤1与步骤2中获取同一色块的R_i、G_i、B_i与X_i、Y_i、Z_i值对应，以不同颜色的R_i、G_i、B_i值作为输入，X_i、Y_i、Z_i作为输出，根据最小二乘多项式拟合转换公式，计算出图像RGB色彩空间到1931CIE-XYZ色彩空间系数矩阵A；

步骤4：将不同颜色的标准色卡的R_i、G_i、B_i值带入步骤3中求得的转换公式，得到不同颜色的标准色卡的X_c、Y_c、Z_c值，同时转换为1976CIE-L^*a^*b^*均匀颜色空间的明度L^*和与色调、饱和度相关的a^*、b^*并计算不同色卡的色差E；

其中1931CIE-XYZ与1976CIE-L^*a^*b^*的转换模型及色差计算公式为：

式中X、Y、Z分别为CIE1931标难色度学系统的三刺激值，Xn、Yn、Zn为观察样品时的照明光源所对应的标准照明体三刺激值，L₁*、a₁*、b₁*分别为色卡真实值X、Y、Z对应的L^*、a^*、b^*，L₂*、a₂*、b₂*分别为色卡计算值对应的L^*、a^*、b^*；

步骤5：记第i个色差大于6的色卡对应的RGB值为r_i、g_i、b_i，将步骤1与步骤2中获取同一色块的R_i、G_i、B_i与X_i、Y_i、Z_i值分为N块，N>3；其中第i分块的点P_i对应的RGB值为R_i、G_i、B_i满足

P_i＝{R_i,G_i,B_i|r_i-25＜R_i＜r_i+25；g_i-25＜G_i＜g_i+25；b_i-25＜B_i＜b_i+25}；

步骤6：将不同分块不同颜色的R_i、G_i、B_i作为输入，X_i、Y_i、Z_i作为输出，通过n项多项式拟合出不同分块RGB色彩空间到1931CIE-XYZ的系数矩阵A₁、A₂、A₃···A_n；

步骤7：根据系数矩阵A₁、A₂、A₃···A_n将RGB色彩空间值转换为1931CIE-XYZ的三刺激值，计算出相机在1931CIE-XYZ标准色彩空间下的实际色彩分量值，记为X_o、Y_o、Z_o。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、该色度测量装置检测模块与色度显示模块放置在一起，简化了系统架设程序，减少了架设时间；

2、嵌入式控制模块，体积小巧，在使用过程中便于移动与安装，并降低了制造成本；

3、图像采集模块和处理模块均集成在嵌入式控制模块中，减少了图像的传输时间且计算过程直接在嵌入式控制系统中运行，提高了计算效率；

4、对传统色度测量算法进行优化了，提高了色度测量的精度。

附图说明

图1为本发明实施例的装置结构图；

图2为本发明实施例的方法流程图。

具体实施方式

为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施示例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

请见图1，本发明提供的一种基于嵌入式相机的色度测量装置，其特征在于：包括摄像模块1、主机2和显示模块3；

摄像模块1，用于实时采集图像；主机2包括含嵌入式控制模块和辅助模块；控制模块，用于实时采集被测物体图像，提取感兴趣区域并计算图像的色度信息；辅助模块，用于同外部通信以及提供电源；显示模块3，用于实时显示采集的图像，并显示图像的色度信息；

主机2分别与摄像模块1和显示模块3连接。

本实施例的摄像模块1为定焦彩色摄像头；显示模块3由高亮触摸显示屏构成；辅助模块包括电源子模块、通信子模块、光照子模块；嵌入式控制模块集成有图像采集模块和处理模块。

本实施例的装置在使用时将摄像模块1的镜头放在被测物体上方，对准被测物体，用镜头对准被测区域，接通电源。测量阶段，点击显示模块3上的测量按钮，实时显示当前摄像头采集的画面与被测物体的色度信息。用户可以通过显示模块3绘制需要测量的区域，并显示该区域的色度信息。

请见图2，本发明提供的一种基于嵌入式相机的色度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：相机在标准光源环境下重复采集标准色卡中某一固定颜色图像至少5张，获取每张标准色卡图像的R、G、B值，计算出R、G、B值的样本均值作为该标准色卡在RGB色彩空间的标准值并记为R_i、G_i、B_i；

步骤2：在与步骤1相同的光照环境下，用色度计重复测量步骤1中标准色卡的相同颜色色块的色度值至少5次，测定该颜色在1931CIE-XYZ色度系统中三刺激值X、Y、Z的样本均值，以此样本均值作为标准色卡在该色度系统下的三刺激值，记为X_i、Y_i、Z_i；

步骤3：将步骤1与步骤2中获取同一色块的R_i、G_i、B_i与X_i、Y_i、Z_i值对应，以不同颜色的R_i、G_i、B_i值作为输入，X_i、Y_i、Z_i作为输出，根据最小二乘多项式拟合转换公式，计算出图像RGB色彩空间到1931CIE-XYZ色彩空间系数矩阵A；系数矩阵A是一种规模为3*n的系数矩阵。

步骤4：将不同颜色的标准色卡的R_i、G_i、B_i值带入步骤3中求得的转换公式，得到不同颜色的标准色卡的X_c、Y_c、Z_c值，同时转换为1976CIE-L^*a^*b^*均匀颜色空间的明度L^*和与色调、饱和度相关的a^*、b^*并计算不同色卡的色差E；

其中1931CIE-XYZ与1976CIE-L^*a^*b^*的转换模型及色差计算公式为：

式中X、Y、Z分别为CIE1931标难色度学系统的三刺激值，Xn、Yn、Zn为观察样品时的照明光源所对应的标准照明体三刺激值，L₁*、a₁*、b₁*分别为色卡真实值X、Y、Z对应的L^*、a^*、b^*，L₂*、a₂*、b₂*分别为色卡计算值对应的L^*、a^*、b^*；

步骤5：记第i个色差大于6的色卡对应的RGB值为r_i、g_i、b_i，将步骤1与步骤2中获取同一色块的R_i、G_i、B_i与X_i、Y_i、Z_i值分为N块，N>3；其中第i分块的点P_i对应的RGB值为R_i、G_i、B_i满足

P_i＝{R_i,G_i,B_i|r_i-25＜R_i＜r_i+25；g_i-25＜G_i＜g_i+25；b_i-25＜B_i＜b_i+25}；

步骤6：将不同分块不同颜色的R_i、G_i、B_i作为输入，X_i、Y_i、Z_i作为输出，通过n项多项式拟合出不同分块RGB色彩空间到1931CIE-XYZ的系数矩阵A₁、A₂、A₃···A_n；系数矩阵A₁、A₂、A₃···A_n均是一种规模为3*n的系数矩阵。

系数矩阵A_i计算方法如下：

假设分块有j组数据，使用i项多项式进行拟合，其中X_1j、Y_2j、Z_3j表示分中第j组数据在1931CIE-XYZ色彩空间的三刺激值；f_ij为i项多项式的第i项；a_1i,a_2i,a_3i表示R、G、B值分别与三刺激值X、Y、Z的拟合关系式中f_ij的系数；建立RGB色彩空间与1931CIE-XYZ色彩空间的转换模型：

令

则：α＝Aβ；

经过矩阵变换αβ^T＝Aββ^T，得A＝αβ^T(ββ^T)^-1，利用最小二乘法解算出矩阵A中的待定参数a₁₁～a_3i，确定出图像RGB色彩空间到1931CIE-XYZ色彩空间的转换模型。

步骤7：根据系数矩阵A₁、A₂、A₃···A_n将RGB色彩空间值转换为1931CIE-XYZ的三刺激值，计算出相机在1931CIE-XYZ标准色彩空间下的实际色彩分量值，记为X_o、Y_o、Z_o。

本发明针对传统多项式拟合算法在不同色彩空间进行转换过程中存在整体精度不足的问题进行了优化。本发明根据传统色彩空间转换过程误差的分布情况，对原始色彩空间进行分块。先将整个色度空间分为N块，再在不同分块色度空间下进行多项式拟合，进而得到在整个色彩空间下的分块转换矩阵，从而提高整个色彩空间的转换精度。

应当理解的是，本说明书未详细阐述的部分均属于现有技术。

应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，还可以做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种基于嵌入式相机的色度测量装置，其特征在于：包括摄像模块(1)、主机(2)和显示模块(3)；

所述摄像模块(1)，用于实时采集图像；所述主机(2)包括含嵌入式控制模块和辅助模块；所述控制模块，用于实时采集被测物体图像，提取感兴趣区域并计算图像的色度信息；所述辅助模块，用于同外部通信以及提供标准光源和电源；所述显示模块(3)，用于实时显示采集的图像，并显示图像的色度信息；

所述主机(2)分别与所述摄像模块(1)和显示模块(3)连接。

2.根据权利要求1所述的基于嵌入式相机的色度测量装置，其特征在于：所述摄像模块(1)为定焦彩色摄像头。

3.根据权利要求1所述的基于嵌入式相机的色度测量装置，其特征在于：所述显示模块(3)由高亮触摸显示屏构成。

4.根据权利要求1-3任意一项所述的基于嵌入式相机的色度测量装置，其特征在于：所述辅助模块包括电源子模块、通信子模块、光照子模块。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的基于嵌入式相机的色度测量装置，其特征在于：所述嵌入式控制模块集成有图像采集模块和处理模块。

6.一种基于嵌入式相机的色度测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：相机在标准光源环境下重复采集标准色卡中某一固定颜色图像至少5张，获取每张标准色卡图像的R、G、B值，计算出R、G、B值的样本均值作为该标准色卡在RGB色彩空间的标准值并记为R_i、G_i、B_i；

步骤2：在与步骤1相同的光照环境下，用色度计重复测量步骤1中标准色卡的相同颜色色块的色度值至少5次，测定该颜色在1931CIE-XYZ色度系统中三刺激值X、Y、Z的样本均值，以此样本均值作为标准色卡在该色度系统下的三刺激值，记为X_i、Y_i、Z_i；

步骤3：将步骤1与步骤2中获取同一色块的R_i、G_i、B_i与X_i、Y_i、Z_i值对应，以不同颜色的R_i、G_i、B_i值作为输入，X_i、Y_i、Z_i作为输出，根据最小二乘多项式拟合转换公式，计算出图像RGB色彩空间到1931CIE-XYZ色彩空间系数矩阵A；

步骤4：将不同颜色的标准色卡的R_i、G_i、B_i值带入步骤3中求得的转换公式，得到不同颜色的标准色卡的X_c、Y_c、Z_c值，同时转换为1976CIE-L^*a^*b^*均匀颜色空间的明度L^*和与色调、饱和度相关的a^*、b^*并计算不同色卡的色差E；

其中1931CIE-XYZ与1976CIE-L^*a^*b^*的转换模型及色差计算公式为：

式中X、Y、Z分别为CIE1931标难色度学系统的三刺激值，Xn、Yn、Zn为观察样品时的照明光源所对应的标准照明体三刺激值，L₁*、a₁*、b₁*分别为色卡真实值X、Y、Z对应的L^*、a^*、b^*，L₂*、a₂*、b₂*分别为色卡计算值对应的L^*、a^*、b^*；

步骤5：记第i个色差大于6的色卡对应的RGB值为r_i、g_i、b_i，将步骤1与步骤2中获取同一色块的R_i、G_i、B_i与X_i、Y_i、Z_i值分为N块，N>3；其中第i分块的点P_i对应的RGB值为R_i、G_i、B_i满足

P_i＝{R_i,G_i,B_i|r_i-25＜R_i＜r_i+25；g_i-25＜G_i＜g_i+25；b_i-25＜B_i＜b_i+25}；

步骤6：将不同分块不同颜色的R_i、G_i、B_i作为输入，X_i、Y_i、Z_i作为输出，通过n项多项式拟合出不同分块RGB色彩空间到1931CIE-XYZ的系数矩阵A₁、A₂、A₃···A_n；

步骤7：根据系数矩阵A₁、A₂、A₃···A_n将RGB色彩空间值转换为1931CIE-XYZ的三刺激值，计算出相机在1931CIE-XYZ标准色彩空间下的实际色彩分量值，记为X_o、Y_o、Z_o。

7.根据权利要求6所述的基于嵌入式相机的色度测量方法，其特征在于：所述步骤3和步骤6中的系数矩阵均是一种规模为3*n的系数矩阵。

8.根据权利要求6所述的基于嵌入式相机的色度测量方法，其特征在于：步骤6中每一个不同色彩空间分块的系数矩阵A_i计算方法如下：

假设分块有j组数据，使用i项多项式进行拟合，其中X_1j、Y_2j、Z_3j表示分中第j组数据在1931CIE-XYZ色彩空间的三刺激值；f_ij为i项多项式的第i项；a_1i,a_2i,a_3i表示R、G、B值分别与三刺激值X、Y、Z的拟合关系式中f_ij的系数；建立RGB色彩空间与1931CIE-XYZ色彩空间的转换模型：

令

则：α＝Aβ；

经过矩阵变换αβ^T＝Aββ^T，得A＝αβ^T(ββ^T)^-1，利用最小二乘法解算出矩阵A中的待定参数a₁₁～a_3i，确定出图像RGB色彩空间到1931CIE-XYZ色彩空间的转换模型。