CN109269643B - 基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱检测技术领域，具体涉及一种基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统及方法。该系统利用移动设备终端的屏幕作为光谱成像检测的光源，通过调节屏幕发出不同波长的光，作为光谱成像系统的光源，实现对目标的照射，利用光谱成像设备获取光谱图像系统，通过光谱拟合算法获取目标不同波长下的光谱信息。与现有技术相比较，本发明通过以上技术方案，可将普通随身携带的移动设备屏幕作为光源，将传统的光学结构组成的复杂光源环境，用可便携的移动设备屏幕和软件拟合的方式替代，提供了便携性，体积重量较小，可以在不同场景中进行使用。
Description
技术领域
本发明属于光谱检测技术领域，具体涉及一种基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统及方法。
背景技术
随着光谱技术的快速发展，光谱技术逐渐从实验室阶段进入了人们的日常生活中，光谱成像技术是一种将传统的二维成像技术与光谱分析技术有机结合在一起的新方法，其根据物质对不同波长电磁波的反应来实现对于物质的识别和测量。光谱成像系统可以获得具有“图谱合一”特性的三维光谱图像，既可以观测到二维分布的空间信息，又可以观测到每一个像素点上的光谱信息，
由于成本、重量、体积和系统兼容性的限制，光谱成像技术目前还主要还是为一些大型的科研院所或者大型的国家项目进行服务。由于光谱成像图谱合一、非接触、准确和快速测量的优点，在反伪装、精细农业、国土安全、食品安全和医疗卫生等众多的军民应用领域都有着迫切的需求，尤其是低成本、微型化和高速的光谱成像系统，目前借助先进的半导体工艺技术，将传统的分光系统直接加工在光电传感器之上，形成了将分光系统、光电探测系统、电路读出系统合三为以一的光谱成像芯片，实现多光谱成像功能，与传统技术相比，具备低成本、微型化的特点。
当前，由于单芯片光谱成像系统的快速发展，小型化和便携化的光谱成像设备逐渐进入人们的日常生活中，但由于光谱成像检测技术对于光源及拍摄环境要求较高，也需求相应的光源系统简单化，便携化和小型化。
传统的光谱成像系统包括物镜、光澜、准直器、分光元器件和聚焦透镜等将几部分构成，这些元器件限制了传统设备的体积和重量较大，配套的光源系统由于设备及结构的限制也导致便携性和体积重量不便。目前便携化和手持式的光谱成像仪逐渐的进入日常生活，甚至集成在手机中的微型光谱芯片也已经研发出来。而配套的光源系统仍无法满足便携化应用。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是：如何提供一种以移动设备屏幕作为光源，发出不同波长的光，获取目标的光谱信息的光谱解调技术。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统，该系统利用移动设备终端的屏幕作为光谱成像检测的光源，通过调节屏幕发出不同波长的光，作为光谱成像系统的光源，实现对目标的照射，利用光谱成像设备获取光谱图像系统，通过光谱拟合算法获取目标不同波长下的光谱信息。
其中，所述系统包括：智能移动终端屏幕、人机交互工具、光谱信息采集设备、光谱处理终端；
所述智能移动终端屏幕作为智能移动终端的显示设备，由操作人员根据当时的周围环境，通过设置使之发出单一波长的光线，作为光谱解调系统的输出光源；
所述人机交互工具用于控制智能移动终端屏幕发出特定波长的光照，并用于调节智能移动终端屏幕亮度和发光颜色；
所述光谱信息采集设备用于接收单一波长的光线照射目标之后，目标的反射光谱信息，将光学信号的反射光谱信息转换为电学信号的反射光谱信息，输出数字化的光谱图像信息；
所述光谱处理终端用于根据光谱拟合算法对数字化的光谱图像信息进行光谱解调操作，根据特定波长下的反射光谱信息推算出其他位置波长下的反射光谱信息，从而得到各个波长下的反射光谱信息，从而在特定波长光源环境下得到目标全谱段光谱信息。
其中，所述光谱拟合算法用于将在特定波长下的反射光谱信息转化为光谱响应范围的反射信息；其按照各谱段理想光谱响应受光照条件影响，对各响应谱段在该光照条件下的理论值响应作出计算，则结果为该特定光照条件下拟合的光谱相机响应结果；
假设智能移动终端屏幕发出中心波长为w1的光，将光照射在目标上，光谱信息采集设备获取该光照环境下的目标的光谱信息，该目标光谱信息为A，获取光谱信息采集设备的在该中心波长下的响应函数为Fw1，则由A*Fw1得到该w1波长下的光谱反射值，即反射光谱信息，以上述相同的方式可获取其他中心波长下的光谱反射值，即各个波长下的光谱信息，最终得到目标完整的光谱反射响应曲线，即目标全谱段光谱信息；从中提取其光谱特征，从而实现对目标的检测和识别。
其中，由于智能移动终端屏幕可能会存在发出二次或者多次谐波现象的存在，发出的光会出现双反射峰或者多反射峰现象，假设发出中心波长w2的光，存在w3的反射峰，通过修正和改进得到该中心波长下的新响应函数f，由A*f获取中心波长w2的光谱反射值，以此类推，得到目标完整的光谱反射响应曲线。
其中，所述智能移动终端屏幕为LCD屏幕或者OLED屏幕。
其中，所述人机交互工具为智能移动终端的APP或者软件工具。
其中，所述光谱信息采集设备为单独的小型光谱相机，或着是集成到智能移动终端的摄像头中。
此外，本发明还提供一种基于移动设备屏幕光源的光谱解调方法，该方法基于光谱解调系统来实施，其特征在于，所述系统包括：智能移动终端屏幕、人机交互工具、光谱信息采集设备、光谱处理终端；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：智能移动终端屏幕作为智能移动终端的显示设备，由操作人员根据当时的周围环境，通过设置使之发出单一波长的光线，作为光谱解调系统的输出光源；
步骤2：人机交互工具控制智能移动终端屏幕发出特定波长的光照，并用于调节智能移动终端屏幕亮度和发光颜色；
步骤3：光谱信息采集设备接收单一波长的光线照射目标之后，目标的反射光谱信息，将光学信号的反射光谱信息转换为电学信号的反射光谱信息，输出数字化的光谱图像信息；
步骤4：光谱处理终端根据光谱拟合算法对数字化的光谱图像信息进行光谱解调操作，根据特定波长下的反射光谱信息推算出其他位置波长下的光谱信息，从而得到各个波长下的光谱信息，从而在特定波长光源环境下得到目标全谱段光谱信息。
其中，所述光谱拟合算法用于将在特定波长下的反射光谱信息转化为光谱响应范围的反射信息；其按照各谱段理想光谱响应受光照条件影响，对各响应谱段在该光照条件下的理论值响应作出计算，则结果为该特定光照条件下拟合的光谱信息采集设备的响应结果；
假设智能移动终端屏幕发出中心波长为w1的光，将光照射在目标上，光谱信息采集设备获取该光照环境下的目标的光谱信息，该目标光谱信息为A，获取光谱信息采集设备的在该中心波长下的响应函数为Fw1，则由A*Fw1得到该w1波长下的光谱反射值，即反射光谱信息，以上述相同的方式可获取其他中心波长下的光谱反射值，即各个波长下的光谱信息，最终得到目标完整的光谱反射响应曲线，即目标全谱段光谱信息；从中提取其光谱特征，从而实现对目标的检测和识别。
其中，由于智能移动终端屏幕可能会存在发出二次或者多次谐波现象的存在，发出的光会出现双反射峰或者多反射峰现象，假设发出中心波长w2的光，存在w3的反射峰，通过修正和改进得到该中心波长下的新响应函数f，由A*f获取中心波长w2的光谱反射值，以此类推，得到目标完整的光谱反射响应曲线。
(三)有益效果
与现有技术相比较，本发明通过以上技术方案，可将普通随身携带的移动设备屏幕作为光源，将传统的光学结构组成的复杂光源环境，用可便携的移动设备屏幕和软件拟合的方式替代，提供了便携性，体积重量较小，可以在不同场景中进行使用。
附图说明
图1为本发明技术方案原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容、和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
为解决现有技术问题，本发明提供一种基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统，该系统利用智能手机等移动设备终端的屏幕作为光谱成像检测的光源，通过调节屏幕发出不同波长的光，作为光谱成像系统的光源，实现对目标的照射，利用光谱成像设备获取光谱图像系统，通过光谱拟合算法获取目标不同波长下的光谱信息。
其中，如图1所示，所述系统包括：智能移动终端屏幕、人机交互工具、光谱信息采集设备、光谱处理终端；
所述智能移动终端屏幕作为智能移动终端的显示设备，由操作人员根据当时的周围环境，通过设置使之发出单一波长的光线，作为光谱解调系统的输出光源；
所述人机交互工具用于控制智能移动终端屏幕发出特定波长的光照，并用于调节智能移动终端屏幕亮度和发光颜色；
所述光谱信息采集设备用于接收单一波长的光线照射目标之后，目标的反射光谱信息，将光学信号的反射光谱信息转换为电学信号的反射光谱信息，输出数字化的光谱图像信息；
所述光谱处理终端用于根据光谱拟合算法对数字化的光谱图像信息进行光谱解调操作，利用操作系统运行，输出实际反射光谱信息，根据特定波长下的反射光谱信息推算出其他位置波长下的反射光谱信息，从而得到各个波长下的反射光谱信息，从而在特定波长光源环境下得到目标全谱段光谱信息。
综上，光谱解调技术是利用移动设备屏幕发出单色波长颜色的光，作为光源，目标反射后，由光谱成像设备得到反射光谱图像信息，将光谱信息输入到光谱处理终端上，利用光谱拟合算法，利用特定波长光源的反射光谱信息推算出其他位置波长下的光谱信息，从而得到各个波长下的光谱信息，获取目标的全谱段信息。
其中，所述光谱拟合算法是特定的拟合算法，其目的是用于将在特定波长下的反射光谱信息转化为光谱响应范围的反射信息；其按照各谱段理想光谱响应受光照条件影响，对各响应谱段在该光照条件下的理论值响应作出计算，则结果为该特定光照条件下拟合的光谱相机响应结果；
如系统结果图所示，通过软件调节屏幕发出单色波长的光，该屏幕主要是构造为LCD或者是OLED屏幕，假设智能移动终端屏幕发出中心波长为w1的光，将光照射在目标上，可有光谱信息采集设备或者用集成于移动设备的光谱相机获取该光照环境下的目标的光谱信息，该目标光谱信息为A，获取光谱信息采集设备或者光谱相机的在该中心波长下的响应函数为Fw1，则由A*Fw1得到该w1波长下的光谱反射值，即反射光谱信息，以上述相同的方式可获取其他中心波长下的光谱反射值，即各个波长下的光谱信息，最终得到目标完整的光谱反射响应曲线，即目标全谱段光谱信息；从中提取其光谱特征，从而实现对目标的检测和识别。
其中，由于智能移动终端屏幕可能会存在发出二次或者多次谐波现象的存在，发出的光会出现双反射峰或者多反射峰现象，假设发出中心波长w2的光，存在w3的反射峰，通过修正和改进得到该中心波长下的新响应函数f，由A*f获取中心波长w2的光谱反射值，以此类推，得到目标完整的光谱反射响应曲线。
其中，所述智能移动终端屏幕为LCD屏幕或者OLED屏幕。
其中，所述人机交互工具为智能移动终端的APP或者软件工具。
其中，所述光谱信息采集设备为单独的小型光谱相机，或着是集成到智能移动终端的摄像头中。
此外，本发明还提供一种基于移动设备屏幕光源的光谱解调方法，该方法基于光谱解调系统来实施，其特征在于，如图1所示，所述系统包括：智能移动终端屏幕、人机交互工具、光谱信息采集设备、光谱处理终端；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：智能移动终端屏幕作为智能移动终端的显示设备，由操作人员根据当时的周围环境，通过设置使之发出单一波长的光线，作为光谱解调系统的输出光源；
步骤2：人机交互工具控制智能移动终端屏幕发出特定波长的光照，并用于调节智能移动终端屏幕亮度和发光颜色；
步骤3：光谱信息采集设备接收单一波长的光线照射目标之后，目标的反射光谱信息，将光学信号的反射光谱信息转换为电学信号的反射光谱信息，输出数字化的光谱图像信息；
步骤4：光谱处理终端根据光谱拟合算法对数字化的光谱图像信息进行光谱解调操作，利用操作系统运行，输出实际反射光谱信息，根据特定波长下的反射光谱信息推算出其他位置波长下的光谱信息，从而得到各个波长下的光谱信息，从而在特定波长光源环境下得到目标全谱段光谱信息。
其中，所述光谱拟合算法是特定的拟合算法，其目的是用于将在特定波长下的反射光谱信息转化为光谱响应范围的反射信息；其按照各谱段理想光谱响应受光照条件影响，对各响应谱段在该光照条件下的理论值响应作出计算，则结果为该特定光照条件下拟合的光谱信息采集设备的响应结果；
如系统结果图所示，通过软件调节屏幕发出单色波长的光，该屏幕主要是构造为LCD或者是OLED屏幕，假设智能移动终端屏幕发出中心波长为w1的光，将光照射在目标上，可有光谱信息采集设备或者用集成于移动设备的光谱相机获取该光照环境下的目标的光谱信息，该目标光谱信息为A，获取光谱信息采集设备或者光谱相机的在该中心波长下的响应函数为Fw1，则由A*Fw1得到该w1波长下的光谱反射值，即反射光谱信息，以上述相同的方式可获取其他中心波长下的光谱反射值，即各个波长下的光谱信息，最终得到目标完整的光谱反射响应曲线，即目标全谱段光谱信息；从中提取其光谱特征，从而实现对目标的检测和识别。
其中，由于智能移动终端屏幕可能会存在发出二次或者多次谐波现象的存在，发出的光会出现双反射峰或者多反射峰现象，假设发出中心波长w2的光，存在w3的反射峰，通过修正和改进得到该中心波长下的新响应函数f，由A*f获取中心波长w2的光谱反射值，以此类推，得到目标完整的光谱反射响应曲线。
实施例1
为解决现有技术问题，本实施例提出利用移动设备的屏幕发出单波长的光，作为光谱检测的光源，照射目标，利用光谱成像采集设备获取目标的反射光谱信息，采用光谱拟合算法实现对目标全光谱谱段信息的获取。
光谱拟合算法是特定的拟合算法，其目的是将在特定波长下的反射光谱信息转化为光谱响应范围的反射信息。其是按照各谱段理想光谱响应受光照条件影响，对各响应谱段在该光照条件下的理论值响应作出计算，则结果为该特定光照条件下拟合的光谱相机响应结果。
如系统结果图所示，通过软件调节屏幕发出单色波长的光，该屏幕主要是构造为LCD或者是OLED屏幕，假设发出中心波长为w1的光，将光照射在目标上，可有光谱成像采集设备或者用集成于移动设备的光谱相机获取该光照环境下的目标的光谱信息，该目标光谱信息为A，获取光谱成像设备或者光谱相机的在该中心波长下的响应函数为Fw1，则由A*Fw1得到该w1波长下的光谱反射值，以上述相同的方式可获取其他中心波长下的光谱反射值，最终得到目标完整的光谱反射响应曲线。从中提取其光谱特征，从而实现对目标的检测和识别。
由于移动设备屏幕可能会存在发出二次或者多次谐波现象的存在，发出的光会出现双反射峰或者多反射峰现象，假设发出中心波长w2的光，存在w3的反射峰，通过修正和改进得到该中心波长下的新响应函数f，由A*f获取中心波长w2的光谱反射值，以此类推，得到目标完整的光谱反射响应曲线。
该方案可以利用移动设备屏幕发出特定单波长的光，目标可反射器特定波长的光，可由移动设备的前置摄像头，获取特定的反射波长是否被反射，从而实现对物质的存在与否进行监测。当屏幕发出不同波长的光的时候重复上述过程，从而就可以获得该物质的反射光谱信息。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统，其特征在于，该系统利用移动设备终端的屏幕作为光谱成像检测的光源，通过调节屏幕发出不同波长的光，作为光谱成像系统的光源，实现对目标的照射，利用光谱成像设备获取光谱图像系统，通过光谱拟合算法获取目标不同波长下的光谱信息；
所述系统包括：智能移动终端屏幕、人机交互工具、光谱信息采集设备、光谱处理终端；
所述智能移动终端屏幕作为智能移动终端的显示设备，由操作人员根据当时的周围环境，通过设置使之发出单一波长的光线，作为光谱解调系统的输出光源；
所述人机交互工具用于控制智能移动终端屏幕发出特定波长的光照，并用于调节智能移动终端屏幕亮度和发光颜色；
所述光谱信息采集设备用于接收单一波长的光线照射目标之后，目标的反射光谱信息，将光学信号的反射光谱信息转换为电学信号的反射光谱信息，输出数字化的光谱图像信息；
所述光谱处理终端用于根据光谱拟合算法对数字化的光谱图像信息进行光谱解调操作，根据特定波长下的反射光谱信息推算出其他位置波长下的反射光谱信息，从而得到各个波长下的反射光谱信息，从而在特定波长光源环境下得到目标全谱段光谱信息；
所述光谱拟合算法用于将在特定波长下的反射光谱信息转化为光谱响应范围的反射信息；其按照各谱段理想光谱响应受光照条件影响，对各响应谱段在该光照条件下的理论值响应作出计算，则结果为该特定光照条件下拟合的光谱相机响应结果；
假设智能移动终端屏幕发出中心波长为w1的光，将光照射在目标上，光谱信息采集设备获取该光照环境下的目标的光谱信息，该目标光谱信息为A，获取光谱信息采集设备的在该中心波长下的响应函数为Fw1，则由A*Fw1得到该w1波长下的光谱反射值，即反射光谱信息，以上述相同的方式可获取其他中心波长下的光谱反射值，即各个波长下的光谱信息，最终得到目标完整的光谱反射响应曲线，即目标全谱段光谱信息；从中提取其光谱特征，从而实现对目标的检测和识别；
由于智能移动终端屏幕可能会存在发出二次或者多次谐波现象的存在，发出的光会出现双反射峰或者多反射峰现象，假设发出中心波长w2的光，存在w3的反射峰，通过修正和改进得到该中心波长下的新响应函数f，由A*f获取中心波长w2的光谱反射值，以此类推，得到目标完整的光谱反射响应曲线。
2.如权利要求1所述的基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统，其特征在于，所述智能移动终端屏幕为LCD屏幕或者OLED屏幕。
3.如权利要求1所述的基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统，其特征在于，所述人机交互工具为智能移动终端的APP或者软件工具。
4.如权利要求1所述的基于移动设备屏幕光源的光谱解调系统，其特征在于，所述光谱信息采集设备为单独的小型光谱相机，或着是集成到智能移动终端的摄像头中。
5.一种基于移动设备屏幕光源的光谱解调方法，其特征在于，该方法基于光谱解调系统来实施，其特征在于，所述系统包括：智能移动终端屏幕、人机交互工具、光谱信息采集设备、光谱处理终端；
所述方法包括如下步骤：
步骤1：智能移动终端屏幕作为智能移动终端的显示设备，由操作人员根据当时的周围环境，通过设置使之发出单一波长的光线，作为光谱解调系统的输出光源；
步骤2：人机交互工具控制智能移动终端屏幕发出特定波长的光照，并用于调节智能移动终端屏幕亮度和发光颜色；
步骤3：光谱信息采集设备接收单一波长的光线照射目标之后，目标的反射光谱信息，将光学信号的反射光谱信息转换为电学信号的反射光谱信息，输出数字化的光谱图像信息；
步骤4：光谱处理终端根据光谱拟合算法对数字化的光谱图像信息进行光谱解调操作，根据特定波长下的反射光谱信息推算出其他位置波长下的光谱信息，从而得到各个波长下的光谱信息，从而在特定波长光源环境下得到目标全谱段光谱信息；
所述光谱拟合算法用于将在特定波长下的反射光谱信息转化为光谱响应范围的反射信息；其按照各谱段理想光谱响应受光照条件影响，对各响应谱段在该光照条件下的理论值响应作出计算，则结果为该特定光照条件下拟合的光谱信息采集设备的响应结果；
假设智能移动终端屏幕发出中心波长为w1的光，将光照射在目标上，光谱信息采集设备获取该光照环境下的目标的光谱信息，该目标光谱信息为A，获取光谱信息采集设备的在该中心波长下的响应函数为Fw1，则由A*Fw1得到该w1波长下的光谱反射值，即反射光谱信息，以上述相同的方式可获取其他中心波长下的光谱反射值，即各个波长下的光谱信息，最终得到目标完整的光谱反射响应曲线，即目标全谱段光谱信息；从中提取其光谱特征，从而实现对目标的检测和识别；
由于智能移动终端屏幕可能会存在发出二次或者多次谐波现象的存在，发出的光会出现双反射峰或者多反射峰现象，假设发出中心波长w2的光，存在w3的反射峰，通过修正和改进得到该中心波长下的新响应函数f，由A*f获取中心波长w2的光谱反射值，以此类推，得到目标完整的光谱反射响应曲线。
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