CN109724697A - 成像光谱仪的光谱定标方法、装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

本发明适用高光谱数据处理技术领域，提供了一种成像光谱仪的光谱定标方法、装置及电子设备，该方法包括：获取对单色仪输出的光谱信号进行采集的图像帧；在所述图像帧的光斑邻域开设预设尺寸的窗口；根据所述窗口中各像素的灰度值计算所述图像帧中光斑的重心位置；根据各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定所述重心位置与光谱波长之间的关系，以进行成像光谱仪的光谱定标，避免采用图像帧中的单个像素进行光谱定标时易受大气扰动、相机电子噪声等因素的影响，从而有效提高了光谱定标的精度。

Description

成像光谱仪的光谱定标方法、装置及电子设备

技术领域

本发明属于光谱定标技术领域，尤其涉及成像光谱仪的光谱定标方法、装置及电子设备。

背景技术

成像光谱仪进行光谱定标时，利用单色仪对光源信号光谱分光原理，依次将不同光谱信号连续输送到探测器靶面。上位机数据记录软件一方面连续采集相机输出图像信号，另一方面接收单色仪控制软件发送的当前光谱波长，将当前图像帧与当前单色仪光谱信息按照指定格式记录，进而根据记录的图像数据对成像光谱仪进行光谱定标。成像光谱仪光谱定标工作框图如图1所示，单色仪控制软件控制单色仪初始光谱波长为400nm，结束光谱波长为1000nm。图2为成像光谱仪光谱定标过程中，探测器中光斑随光谱变化图像，可以看出随着光谱波长增大，探测器中的光斑逐渐下移。

传统光谱定标算法中，首先观察每个光谱通道的光谱实验曲线，进行高斯拟合获得每个通道的中心波长。但由于传统光谱定标算法只采用图像帧中的单个像素进行计算，而单个像素易受大气扰动、相机电子噪声等因素影响，因此造成光谱实验曲线精度偏差较大，影响光谱定标精度。

发明内容

本发明的目的在于提供成像光谱仪的光谱定标方法、装置及电子设备，旨在解决由于现有技术中成像光谱仪的光谱定标精度较低的问题。

第一方面，本发明提供了一种成像光谱仪的光谱定标方法，所述方法包括下述步骤：

获取对单色仪输出的光谱信号进行采集的图像帧；

在图像帧的光斑邻域开设预设尺寸的窗口；

根据所述窗口中各像素的灰度值计算所述图像帧中光斑的重心位置；

根据单色仪各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定所述重心位置与光谱波长之间的关系，以进行成像光谱仪的光谱定标。

可选的，根据所述窗口中各像素的灰度值计算所述图像帧中光斑的重心位置的步骤，包括：

根据所述窗口中各像素的灰度值确定像素的筛选阈值；

根据所述筛选阈值筛选所述窗口中像素，并在进行像素筛选后根据像素的光谱维坐标确定所述图像帧中光斑的重心位置。

可选的，所述根据所述窗口中各像素的灰度值确定像素的筛选阈值的方法为：

其中，

P_ave：窗口内所有像素点的平均值；

P_max：窗口内所有像素点最大值。

可选的，所述根据所述筛选阈值筛选所述窗口中像素，并在进行像素筛选后根据像素的光谱维坐标确定所述图像帧中光斑的重心位置的方法为：

其中，

P(m,n)：当前帧图像帧的窗口内某一像素点的灰度值；

y_m：当前帧图像帧的窗口内像素点P(m,n)对应的光谱维坐标。

可选的，所述根据各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定所述重心位置与光谱波长之间的关系的步骤包括：

按照各图像帧的光谱波长大小对图像帧进行帧号的标记；

按照所述帧号将所述图像帧分为多个区间；

针对每一区间，根据所述区间内的帧号及其对应的重心位置进行直线拟合；

根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到所述重心位置与光谱波长之间的关系。

可选的，所述根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到所述重心位置与单色仪光谱波长之间的关系的步骤包括：

针对每一区间，采用所述区间拟合的直线计算各帧号对应的预测重心位置；

针对每一帧号，计算所述帧号对应所述预测重心位置与重心位置之间的差值；

根据所述差值在所述区间中进行重心位置的筛选，将重心位置有效的当前帧称为有效图像帧。

可选的，所述根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到所述重心位置与光谱波长之间的关系的步骤包括：

针对每一区间，采用所述区间拟合的直线对所述区间对应的重心位置进行调整；

对于有效图像帧，在所述区间内再次采用最小二乘直线拟合；

采用拟合的所述最小二乘直线调整所述图像帧中光斑的重心位置。

第二方面，提供了一种成像光谱仪的光谱定标装置，包括：

图像帧获取模块，用于获取对单色仪输出的光谱信号进行采集的图像帧；

窗口开设模块，用于在所述图像帧的光斑邻域开设预设尺寸的窗口；

重心位置计算模块，用于根据所述窗口中各像素的灰度值计算所述图像帧中光斑的重心位置；

光谱定标模块，用于根据单色仪各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定所述重心位置与光谱波长之间的关系，以进行成像光谱仪的光谱定标。

第三方面，提供了一种电子设备，包括：

处理器；以及

与所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可读性指令，所述可读性指令被所述处理器执行时实现如第一方面所述的方法。

第四方面，提供了一种计算机可读性存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被执行时实现如第一方面的方法。

本发明在进行成像光谱仪的光谱定标时，通过选取预设尺寸的窗口，根据所述窗口中各像素的灰度值计算所述图像帧中光斑的重心位置，进而根据计算得到的重心位置与光谱波长之间的关系进行成像光谱仪的光谱定标，避免采用图像帧中的单个像素进行光谱定标时易受大气扰动、相机电子噪声等因素的影响，从而有效提高了光谱定标的精度。

附图说明

图1是本发明实施例一提供的成像光谱仪的光谱定标方法的实现流程图；

图2示出了一种具体的图像平滑化检测方法的实现流程图；

图3是本发明实施例二提供的成像光谱仪的光谱定标装置的结构框图；

图4是本发明实施例三提供的成像光谱仪的光谱定标装置的结构框图；

图5是本发明实施例五提供的电子设备100的结构框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的具体实现进行详细描述：

实施例一：

图3示出了本发明实施例一提供的成像光谱仪的光谱定标方法的实现流程，该方法应用于手机、电脑等电子设备中，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，详述如下：

步骤S110中，获取对单色仪输出的光谱信号进行采集的图像帧。

如图1所示，通过单色仪，对光源信号进行光谱分光，从而将单一波长的的光谱信号输送至探测器靶面，形成光斑，而通过相机等图像采集设备对探测器靶面进行图像采集，获取相应的图像帧。

本发明实施例适用于智能手机、电脑等电子设备，这些电子设备中设置处理器，以进行成像光谱仪的光谱定标。

步骤S120，在图像帧的光斑邻域开设预设尺寸的窗口。

单色仪控制软件控制单色仪初始光谱波长为400nm，结束光谱波长为1000nm。定标过程中，可将连续变化步长设置为0.2nm(也可设置为其它步长)，则共需要3000个图像帧。通过对图像帧进行帧号的标记，当前图像帧(i取值范围[1,3000])中，在光斑邻域附近开31*31尺寸(也可设置为其它尺寸)的窗口。

步骤S130，根据窗口中各像素的灰度值计算图像帧中光斑的重心位置。

通过筛选阈值(灰度值)筛选窗口中像素，并在进行像素筛选后根据像素的光谱维坐标确定图像帧中光斑的重心位置。

筛选阈值可以是预设的，也可以是根据窗口中各像素的灰度值自适应确定的。

根据窗口中各像素的灰度值自适应确定时，可根据式(1)计算：

其中：

P_ave：窗口内所有像素点的平均值

P_max：窗口内所有像素点最大值

通过筛选阈值(灰度值)筛选窗口中像素，并在进行像素筛选后根据像素的光谱维坐标确定图像帧中光斑的重心位置，可根据式(2)计算：

其中：

P(m,n)：当前帧图像窗口内某一像素点的灰度值；

ym：当前帧图像窗口内某一像素点P(m,n)对应的光谱维。

步骤S140，根据单色仪各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定重心位置与光谱波长之间的关系，以进行成像光谱仪的光谱定标。

按照各图像帧的光谱波长大小对图像帧进行帧号的标记，再按照帧号将图像帧分为多个区间。针对每一区间，根据该区间内的帧号及其对应的重心位置进行直线拟合，最后根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到重心位置与光谱波长之间的关系。

例如，当共有3000个图像帧时，则共有3000个帧号。具体区间划分如下(单位：帧号)：

(0,100],(100,200],(200,300],(300,400],(400,500],(500,600],(600,700],(700,800],(800,900],(900,1000],(1000,1100],(1100,1200],(1200,1300],(1300,1400],(1400,1500],(1500,1600],(1600,1700],(1700,1800],(1800,1900],(1900,2000],(2000,2100],(2100,2200],(2200,2300],(2300,2400],(2400,2500],(2500,2600],(2600,2700],(2700,2800],(2800,2900],(2900,3000]。

还可为其它的划分方式，在此不进行一一描述。

在每个区间内，做最小二乘直线拟合，x坐标为帧号，y坐标为该帧号对应光斑的重心位置。这样在30个分段区间内获得30条拟合直线。

y_forecast＝k_ux+b_u (3)

ku：第u段区间内拟合直线斜率；

bu：第u段区间内拟合直线截距；

按照公式(3)可以获得3000帧图像每图像帧光斑重心的预测位置。例如第h帧图像落在u区间内，该光斑的预测重心位置可表示为：

可选的，在得到光斑的预测重心位置后，还可剔除预测重心位置与实际重心位置偏差较大的数据。

例如，在第u个区间，某一帧图像h光斑的预测重心位置光斑的实际重心位置y_h，则该图像帧的预测重心位置与实际重心位置的偏差Bias_h可表示为：

将该区间内100个Bias_h值进行排序，其中较小的50个Bias_h值对应的实际重心位置作为有效数据，对应光斑有效重心位置图像帧的有效帧号另外50个图像帧光斑有效重心位置图像帧的有效帧号

根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到重心位置与光谱波长之间的关系时，针对每一区间，采用区间拟合的直线对区间对应的重心位置进行调整，对于所述有效图像帧，在所述区间内再次采用最小二乘直线拟合，再采用拟合的最小二乘直线调整图像帧中光斑的重心位置。

例如，对于[1,3000]帧图像，以图像帧的帧号为中心，向前找30个图像帧的有效光斑位置，向后找找30个图像帧的有效光斑位置将这些位置再一次做最小二乘直线拟合y＝ax+b。其中：

上式中：

num：第h个图像帧前后30个图像帧中有效光斑的数量。

公式(5)中，如果i取值小于1，则设置i值为1；如果i取值大于3000,则设置i值为3000。

利用以上所述的方法，通过选取预设尺寸的窗口，根据窗口中各像素的灰度值计算图像帧中光斑的重心位置，进而根据计算得到的重心位置与光谱波长之间的关系进行成像光谱仪的光谱定标，避免采用图像帧中的单个像素进行光谱定标时易受大气扰动、相机电子噪声等因素的影响，从而有效提高了光谱定标的精度。

实施例二：

图4示出了本发明实施例二提供的成像光谱仪的光谱定标装置的结构，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分，其中包括：

图像帧获取模块110，用于获取对单色仪输出的光谱信号进行采集的图像帧；

窗口开设模块120，用于在图像帧的光斑邻域开设预设尺寸的窗口；

重心位置计算模块130，用于根据窗口中各像素的灰度值计算图像帧中光斑的重心位置；

光谱定标模块140，用于根据单色仪各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定重心位置与光谱波长之间的关系，以进行成像光谱仪的光谱定标。

优选地，重心位置计算模块130包括：

筛选阈值确定单元131，用于根据窗口中各像素的灰度值确定像素的筛选阈值；

重心位置确定单元132，用于根据筛选阈值筛选窗口中像素，并在进行像素筛选后根据像素的光谱维坐标确定图像帧中光斑的重心位置。

优选地，光谱定标模块140包括：

帧号标记单元141，用于按照各图像帧的光谱波长大小对图像帧进行帧号的标记；

图像帧划分单元142，用于按照帧号将图像帧分为多个区间；

直线拟合单元143，用于针对每一区间，根据区间内的帧号及其对应的重心位置进行直线拟合；

重心位置调整单元144，用于根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到重心位置与光谱波长之间的关系。

优选地，重心位置调整单元144包括：

第一重心位置调整子单元1441，用于针对每一区间，采用区间拟合的直线对区间对应的重心位置进行调整；

最小二乘直线拟合子单元1442，用于对于所述有效图像帧，在所述区间内再次采用最小二乘直线拟合；

第二重心位置调整子单元1443，用于采用拟合的最小二乘直线调整图像帧中光斑的重心位置。

优选地，重心位置调整单元144还可包括：

预测重心位置计算子单元1444，用于针对每一区间，采用区间拟合的直线计算各帧号对应的预测重心位置；

差值计算子单元1445，用于针对每一帧号，计算帧号对应预测重心位置与重心位置之间的差值；

重心位置筛选子单元1446，用于根据差值在区间中进行重心位置的筛选，将重心位置有效的当前帧称为有效图像帧。

在本发明实施例中，该成像光谱仪的光谱定标装置的各模块可由相应的硬件或软件单元实现，各模块可以为独立的软、硬件模块，也可以集成为一个软、硬件单元，在此不用以限制本发明。各模块的具体实施方式可参考实施例一的描述，在此不再赘述。

实施例三：

图5示出了本发明实施例三提供的电子设备100的结构框图，为了便于说明，仅示出了与本发明实施例相关的部分。

参考图5，电子设备100可以包括以下一个或者多个组件：处理组件101，存储器102，电源组件103，多媒体组件104，音频组件105，传感器组件107以及通信组件108。其中，上述组件并不全是必须的，电子设备100可以根据自身功能需求增加其他组件或减少某些组件，本实施例不作限定。

处理组件101通常控制电子设备100的整体操作，诸如与显示、电话呼叫、数据通信、相机操作以及记录操作相关联的操作等。处理组件101可以包括一个或多个处理器109来执行指令，以完成上述操作的全部或部分步骤。此外，处理组件101可以包括一个或多个模块，便于处理组件101和其他组件之间的交互。例如，处理组件101可以包括多媒体模块，以方便多媒体组件104和处理组件101之间的交互。

存储器102被配置为存储各种类型的数据以支持在电子设备100的操作。这些数据的示例包括用于在电子设备100上操作的任何应用程序或方法的指令。存储器102可以由任何类型的易失性或非易失性存储设备或者它们的组合实现，如SRAM(Static RandomAccess Memory，静态随机存取存储器)，EEPROM(Electrically Erasable ProgrammableRead-Only Memory，电可擦除可编程只读存储器)，EPROM(Erasable Programmable ReadOnly Memory，可擦除可编程只读存储器)，PROM(Programmable Read-Only Memory，可编程只读存储器)，ROM(Read-Only Memory，只读存储器)，磁存储器，快闪存储器，磁盘或光盘。存储器102中还存储有一个或多个模块，该一个或多个模块被配置成由该一个或多个处理器109执行，以完成以下任一所示方法中的全部或者部分步骤。

电源组件103为电子设备100的各种组件提供电力。电源组件103可以包括电源管理系统，一个或多个电源，及其他与为电子设备100生成、管理和分配电力相关联的组件。

多媒体组件104包括在所述电子设备100和用户之间的提供一个输出接口的屏幕。在一些实施例中，屏幕可以包括LCD(Liquid Crystal Display，液晶显示器)和TP(TouchPanel，触摸面板)。如果屏幕包括触摸面板，屏幕可以被实现为触摸屏，以接收来自用户的输入信号。触摸面板包括一个或多个触摸传感器以感测触摸、滑动和触摸面板上的手势。所述触摸传感器可以不仅感测触摸或滑动动作的边界，而且还检测与所述触摸或滑动操作相关的持续时间和压力。

音频组件105被配置为输出和/或输入音频信号。例如，音频组件105包括一个麦克风，当电子设备100处于操作模式，如呼叫模式、记录模式和语音识别模式时，麦克风被配置为接收外部音频信号。所接收的音频信号可以被进一步存储在存储器102或经由通信组件108发送。在一些实施例中，音频组件105还包括一个扬声器，用于输出音频信号。

传感器组件107包括一个或多个传感器，用于为电子设备100提供各个方面的状态评估。例如，传感器组件107可以检测到电子设备100的打开/关闭状态，组件的相对定位，传感器组件107还可以检测电子设备100或电子设备100一个组件的坐标改变以及电子设备100的温度变化。在一些实施例中，该传感器组件107还可以包括磁传感器，压力传感器或温度传感器。

通信组件108被配置为便于电子设备100和其他设备之间有线或无线方式的通信。电子设备100可以接入基于通信标准的无线网络，如WiFi(Wireless-Fidelity，无线网络)，2G或3G，或它们的组合。在一个示例性实施例中，通信组件108经由广播信道接收来自外部广播管理系统的广播信号或广播相关信息。在一个示例性实施例中，所述通信组件108还包括NFC(Near Field Communication，近场通信)模块，以促进短程通信。例如，在NFC模块可基于RFID(Radio Frequency Identification，射频识别)技术，IrDA(Infrared DataAssociation，红外数据协会)技术，UWB(Ultra-Wideband，超宽带)技术，BT(Bluetooth，蓝牙)技术和其他技术来实现。

在示例性实施例中，电子设备100可以被一个或多个ASIC(Application SpecificIntegrated Circuit，应用专用集成电路)、DSP(Digital Signal Processing，数字信号处理器)、PLD(Programmable Logic Device，可编程逻辑器件)、FPGA(Field－ProgrammableGate Array，现场可编程门阵列)、控制器、微控制器、微处理器或其他电子元件实现，用于执行上述方法。

该实施例中的服务器中处理器执行操作的具体方式已在有关该成像光谱仪的光谱定标方法的实施例中进行详细描述，此处将不再做详细阐述说明。以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

可选的，本发明还提供一种电子设备，执行上述任一所示的成像光谱仪的光谱定标方法的全部或者部分步骤。所述电子设备包括：

至少一个处理器；以及

与所述至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可被所述至少一个处理器执行的指令，所述指令被所述至少一个处理器执行，以使所述至少一个处理器能够执行如上述任一示例性实施例所述的方法。

该实施例中的终端中处理器执行操作的具体方式已经在有关该成像光谱仪的光谱定标方法的实施例中执行了详细描述，此处将不做详细阐述说明。

在示例性实施例中，还提供了一种存储介质，该存储介质为计算机可读存储介质，例如可以为包括指令的临时性和非临时性计算机可读存储介质。该存储介质例如包括指令的存储器102，上述指令可由终端100的处理器109执行以完成上述成像光谱仪的光谱定标的处理方法。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种成像光谱仪的光谱定标方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：

获取对单色仪输出的光谱信号进行采集的图像帧；

在所述图像帧的光斑邻域开设预设尺寸的窗口；

根据所述窗口中各像素的灰度值计算所述图像帧中光斑的重心位置；

根据所述单色仪各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定所述重心位置与光谱波长之间的关系，以进行成像光谱仪的光谱定标。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，根据所述窗口中各像素的灰度值计算所述图像帧中光斑的重心位置的步骤，包括：

根据所述窗口中各像素的灰度值确定像素的筛选阈值；

根据所述筛选阈值筛选所述窗口中像素，并在进行像素筛选后根据像素的光谱维坐标确定所述图像帧中光斑的重心位置。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述窗口中各像素的灰度值确定像素的筛选阈值的方法为：

其中，

P_ave：窗口内所有像素点的平均值；

P_max：窗口内所有像素点最大值。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述根据所述筛选阈值筛选所述窗口中像素，并在进行像素筛选后根据像素的光谱维坐标确定所述图像帧中光斑的重心位置的方法为：

其中

P(m,n)：当前帧图像帧的窗口内某一像素点的灰度值；

y_m：当前帧图像帧的窗口内像素点P(m,n)对应的光谱维坐标。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述根据各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定所述重心位置与光谱波长之间的关系的步骤包括：

按照各图像帧的光谱波长大小对图像帧进行帧号的标记；

按照所述帧号将所述图像帧分为多个区间；

针对每一区间，根据所述区间内的帧号及其对应的重心位置进行直线拟合；

根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到所述重心位置与光谱波长之间的关系。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到所述重心位置与光谱波长之间的关系的步骤包括：

针对每一区间，采用所述区间拟合的直线计算各帧号对应的预测重心位置；

针对每一帧号，计算所述帧号对应所述预测重心位置与重心位置之间的差值；

根据所述差值在所述区间中进行重心位置的筛选，将重心位置有效的当前帧称为有效图像帧。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述根据各区间拟合的直线进行重心位置的调整，得到所述重心位置与光谱波长之间的关系的步骤还包括：

针对每一区间，采用所述区间拟合的直线对所述区间对应的重心位置进行调整；

对于所述有效图像帧，在所述区间内再次采用最小二乘直线拟合；

采用拟合的所述最小二乘直线调整所述图像帧中光斑的重心位置。

8.一种成像光谱仪的光谱定标装置，其特征在于，所述装置包括：

图像帧获取模块，用于获取对单色仪输出的光谱信号进行采集的图像帧；

窗口开设模块，用于在所述图像帧的光斑邻域开设预设尺寸的窗口；

重心位置计算模块，用于根据所述窗口中各像素的灰度值计算所述图像帧中光斑的重心位置；

光谱定标模块，用于根据单色仪各光谱波长及其对应的图像帧中光斑的重心位置，确定所述重心位置与光谱波长之间的关系，以进行成像光谱仪的光谱定标。

9.一种电子设备，其特征在于，所述电子设备包括：

处理器；以及

与所述处理器通信连接的存储器；其中，

所述存储器存储有可读性指令，所述可读性指令被所述处理器执行时实现如权利要求1-7任一项所述的方法。

10.一种计算机可读性存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被执行时实现如权利要求1-7任一项所述的方法。