CN109819150B - 一种多通道图像采集装置以及采集多通道图像的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种多通道图像采集装置以及采集多通道图像的方法，多通道图像采集装置包括：设置有开口的光源模块、设置在所述开口上方的成像模块以及与所述光源模块和成像模块均连接的控制模块；所述光源模块用于通过反射方式将光线反射至待测样品上，且所述光源模块中设置有两种或者两种以上的发光光源；所述成像模块用于在各发光光源的照射下对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；所述控制模块用于控制各发光光源的开启或关闭，以及控制所述成像模块的开启或关闭。通过光源模块对发光光源进行反射，使得光线均匀；并且，由于发光光源至少包括两种或者两种以上，因此，通过成像模块采集得到的多通道图像具有噪音低的特点。

Description

一种多通道图像采集装置以及采集多通道图像的方法

技术领域

本发明涉及多通道图像领域，尤其涉及一种多通道图像采集装置以及采集多通道图像的方法。

背景技术

多通道图像是指多个摄像机拍摄的同一个场景的图像或者一个摄像机在不同时刻拍摄的同一场景的图像。当表示图像时，使用多个通道对图像进行编码，多通道图像具有颜色丰富等特点。多通道图像常用于人工智能领域。

然而，现有摄像机或者相机均是对待测样品(被拍摄物品)直接取景，从而得到相应的多通道图像，这一方式虽然可以获取多通道图像，但是，由于光照(由阳光或者补光装置提供)不均匀，得到的多通道图像存在较多的噪声。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种多通道图像采集装置以及采集多通道图像的方法，旨在解决现有的多通道图像采集装置无法提供均匀光线以及多通道图像存在较多噪声的问题。

本发明的技术方案如下：

一种多通道图像采集装置，其包括：设置有开口的光源模块、设置在所述开口上方的成像模块以及与所述光源模块和成像模块均连接的控制模块；

所述光源模块用于通过反射方式将光线反射至待测样品上，且所述光源模块中设置有两种或者两种以上的发光光源；

所述成像模块用于在各发光光源的照射下对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

所述控制模块用于控制各发光光源的开启或关闭，以及控制所述成像模块的开启或关闭。

优选的，所述光源模块包括顶部设置有穹顶固定架，所述开口设置于所述穹顶固定架的顶部，所述待测样品设置在所述穹顶固定架的下方，所述穹顶固定架的底部向内延伸形成一光源安装部，所述发光光源设置于所述光源安装部上。

优选的，所述光源安装部设置有两个，且对称设置。

优选的，所述光源安装部的末端竖向设置有一用于抵住发光光源的挡板。

优选的，所述穹顶固定架的内壁设置有用于提高反射性能的聚四氟乙烯。

优选的，所述发光光源包括标准A光源、D65光源、C光源和D50光源的两种或两种以上。

优选的，所述成像模块为三刺激相机。

优选的，最终得到的待测样品的多通道图像为12通道图像。

本发明还提供一种采用所述多通道图像采集装置采集多通道图像的方法，其包括步骤：

通过控制模块控制各发光光源开启以及成像模块开启；

在各发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像。

优选的，所述通过控制模块控制各发光光源开启以及成像模块开启；

在各发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像的步骤具体包括：

通过控制模块控制其中一发光光源开启、其余发光光源关闭以及成像模块开启；

在其中一发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

通过控制模块控制另一发光光源开启、其余发光光源关闭以及成像模块开启；

在另一发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

依此类推，直至获得在所有发光光源的照射下的多通道图像。

有益效果：由于本发明的光源模块具有反射光线的功能，因此能够避免其中发光光源发射的光线直接照射在待测样品的缺陷，使得光线均匀照射在待测样品上；并且，由于发光光源至少包括两种或者两种以上，因此，通过成像模块采集得到的多通道图像具有噪音低的特点；不仅如此，本发明可通过控制模块控制发光光源(光源模块)的开启或关闭，以及通过控制模块控制成像模块对待测样品进行拍摄，以得到相应的多通通图像，因此，本发明还具有控制简单和便捷的特点。

附图说明

图1为本发明多通道图像采集装置较佳实施例的结构示意图。

图2为本发明三刺激相机三个通道的光谱灵敏度曲线图。

图3为本发明真实光谱与降噪后重构光谱的曲线图。

图4为本发明采集多通道图像的方法较佳实施例的流程图。

具体实施方式

本发明提供一种多通道图像采集装置以及采集多通道图像的方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。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。

请参阅图1，一种多通道图像采集装置10，其包括：设置有开口111的光源模块、设置在所述开口111上方的成像模块120以及与所述光源模块和成像模块120均连接的控制模块130；

所述光源模块用于通过反射方式将光线反射至待测样品20上，且所述光源模块中设置有两种或者两种以上的发光光源112；

所述成像模块120用于在各发光光源112的照射下对待测样品20进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

所述控制模块130用于控制各发光光源112的开启或关闭，以及控制所述成像模块120的开启或关闭。

通过本发明提供的多通道图像采集装置10能使发光光源112发射的光线均匀照射在待测样品上20，以及能够得到噪声较低的多通道图像。

所述光源模块主要用于提供发光光源112，并且可实现对其中的发光光源112发射的光线进行反射或漫射，使得光线均匀照射在待测样品20上。

优选的，所述光源模块包括穹顶固定架113，所述开口11设置于所述穹顶固定架113的顶部，所述待测样品20设置在所述穹顶固定架113的下方，所述穹顶固定架113的底部向内延伸形成一光源安装部114，所述发光光源112设置于所述光源安装部114上。

其中，穹顶固定架113是指一种半球形的球面结构(开口朝下设置，此开口是指穹顶固定架本身的开口，非前述顶部设置的开口)，半球形的穹顶固定架113能够更好的对发光光源112(发光光源112发射的光线)进行反射或者漫射，使得发光光源112发射的光线更加均匀反射或者漫射至待测样品20的表面上。穹顶固定架113其为连续的半球面结构，即除了顶部的开口之外，其余位置不存在可漏出光线的间隙，确保光线能全部被半球面结构反射或漫射。

由于待测样品20设置在穹顶固定架113的下方，而所述成像模块120设置在所述光源模块的上方，为了保证成像模块120与待测样品20在同一直线上，因此，将所述开口111设置在所述穹顶固定架113的顶部。并且，将待测样品20设置所述开口111的正下方，所述成像模块120设置在所述开口110的正上方，这样，便可以保证所述成像模块120与待测样品20在同一直线上，使得成像效果更加稳定。

所述光源安装部114用于放置或者固定所述发光光源112，其设置在所述穹顶固定架113的底部，并且，所述光源安装部114设置在所述穹顶固定架113底部的内侧。这样，发光光源112发射的光线便可以经过穹顶固定架113内壁表面反射或漫射之后，从各个角度照射至所述开口111的正下方，即反射至开口111正下方的待测样品20上，确保待测样品20得到更充足和均匀的光线。

优选的，所述光源安装部114设置有两个，且对称设置。

为了保证待测样品20的四周均可得到充足的光线(即使光线充足反射在待测样品20的表面)，因此，所述光源安装部114设置有2个，也就是说，2个光源安装部114均设置有发光光源112，这样，待测样品20的四周均可得到充足的光线。

优选的，所述光源安装部114的末端竖向设置有一用于抵住发光光源112的挡板115。

为了保证发光光源112有效放置在所述光源安装部114上，或者说，使得发光光源112不易从所述光源安装部114中脱落，因此，在所述光源安装部114中设置挡板115。其中，所述挡板115设置在所述光源安装部的末端，并且竖向设置。这样，便可以“挡住”所述发光光源112，使得发光光源112不易脱落。

所述挡板115的高度比发光光源112的高度略高。这样，能够有效保证发光光源112不易脱落。

优选的，所述穹顶固定架113的内壁设置有用于提高反射性能的聚四氟乙烯。

其中，聚四氟乙烯(Poly tetra fluoroethylene，简写为PTFE)，一般称作“不粘涂层”或“易清洁物料”。这种材料具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。其能够大幅度提高平面或者弧面的反射能力。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，所以可作润滑作用之余，亦成为了易清洁水管内层的理想涂料。

优选的，所述发光光源112包括标准A光源、D65光源、C光源和D50光源的两种或两种以上。

其中，标准A光源的色温为2856K，标准A光源主要由气螺旋钨丝灯发出，其光色偏黄；

标准C光源(C光源)的色温为6774K，其光色相当于有云的天空光；

D65光源和D50光源均是标准D光源的一种，标准D光源为模拟日光的标准照明体，其中，D65光源的色温为6504K，D50的色温为5000K。

通过控制模块130控制发光光源112依次开启，或者控制发光光源112依次关闭。

需要说明的是，用户在开启其中一种发光光源112后，需要关闭其余的发光光源112，这样，能够降低多通道图像的噪声。例如，发光光源122共包括第一发光光源、第二发光光源和第三发光光源，那么，用户在开启第一发光光源时，则需控制第二发光光源和第三发光光源关闭；或者用户在开启第二发光光源时，则需控制第一发光光源和第三发光光源关闭；再或者用户在开启第三发光光源时，则需控制第一发光光源和第二发光光源关闭。

所述成像模块120是指一种用于拍摄图像的相机或者摄像机。通过成像模块120对待测样品20进行拍照或者录像，便可以得到待测样品20在各发光光源112照射下的多通通图像。

优选的，所述成像模块120为三刺激相机。

采用三刺激相机记录图像信息(包括颜色信息和光谱信息等)，能够减少图像颜色信息在不同设备或颜色空间之间的转换次数(如普通数码相机)，可提高图像颜色信息的准确度和重构精度。

请参阅图2，图2表明了在400nm-700nm波长范围内，三刺激相机三个通道(RGB通道)的光谱灵敏度曲线。并且，三刺激值相机的光谱灵敏度函数与CIE1931标准色度观察者函数一致。

其中，三刺激相机的成像原理如下：

其中，

和

分别表示三刺激相机三个通道的光谱灵敏度；I(λ)表示信息采集时环境光照信息；ρ(λ)表示物体表面光谱反射率信息；G_x,G_y和G_z分别表示三刺激值相机各通道的相应值；ε_x,ε_y和ε_z分别表示三个通道的成像噪声；λ表示波长，其中，波长取值范围为400nm-700nm。

关于三刺激相机的详细介绍可参阅周文光、孔悦和姚军发表的文献-《医用灯箱的亮度均匀性和色温快速测量仪的研究》，本发明不做赘述。

所述控制模块130具体是指一种电子设备，例如，控制模块130可以是能够执行各种控制指令的计算机，控制模块130也可以是能够执行各种控制指令的平板电脑等等。

优选的，最终得到的待测样品的多通道图像为12通道图像。

在控制发光光源112依次开启后，控制成像模块120对待测样品20进行拍照，得到相应的多通道图像。

具体的说，在控制其中一发光光源112开启后，控制成像模块120(具体是指三刺激相机)开启，并对待测样品20进行拍照，得到3通道图像，然后控制该发光光源112关闭，以及控制另一发光光源112开启，并控制成像模块120对待测样品20再次拍照，同样得到3通道图像，以此类推，分别控制四种发光光源112开启，并分别得到3通道图像，对所有的3通道图像进行叠加，从而得到12通道图像。

采集12通道图像有效保障了目标场景光谱重构的精度，减弱图像采集过程中噪声对重构精度的影响。

优选的，先控制标准A光源开启，并控制成像模块120对待测样品20进行拍照，以得到第一3通道图像；然后控制标准A光源关闭，以及控制D65光源开启，并控制成像模块120对待测样品20进行拍照，以得到第二3通道图像；再然后控制D65光源关闭，以及控制C光源开启，并控制成像模块120对待测样品20进行拍照，以得到第三3通道图像；最后，控制标准C光源关闭，以及控制D50光源开启，并控制成像模块120对待测样品20进行拍照，以得到第四3通道图像。

然后，将上述所有3通道图像合成，即对所有3通道图像进行叠加，从而得到12通道图像。

优选的，在得到多通道图像后，可通过计算机对多通道图像进行进一步的处理。

其中，对多通道图像处理的方式包括：暗电流校正和平场校正/通道配准。

通过预先存储的计算机算法对多通道图像进行暗电流校正和平场校正。

其中，对多通道图像进行暗电流处理是指消除图像的参数噪声。

对多通道图像进行平场校正是指消除多通道图像各像素响应不均缺陷。

优选的，在对多通道图像处理后，可对多通道图像进行光谱重构，得到多光谱图像。

不仅如此，在得到多光谱图像后，还可以对多光谱图像的精度进行分析和评价。

为了验证本发明得到的多通道图像与物体(待测样品)的真实颜色的接近性，下面通过一个具体的实验进行验证和分析。

根据上述的多光谱图像采集装置的成像原理，仿真计算Colorchecker SG和Colorchecker 24两个标准色卡在多光谱图像采集装置10中的响应值G_train和G_rec。

其中G_train为建模样本，可视作大小为140*12的矩阵，G_rec为待重构样本，可视作大小为24*12的矩阵。由于重构的样本每次都会不同，几乎不可能跟建模样本一致，因此，重构样本和建模样本的选取的矩阵不一致，这样可以说明本发明的多光谱图像采集装置10具有面向实用性的特点，同时，多光谱图像采集装置10也可以获取精度较高的数据。

将计算得到的12通道相机响应值中加入噪声幅度为2的随机噪声，模拟真实成像结果。

采用违逆法计算待重构样本的光谱反射率值，违逆法只是其中的一种方法，但不局限于这一种方法。

对违逆法计算得到的结果进行评价，评价指标为ΔE(色差)和RMSE(光谱均方根误差)，分别表示色度差异和光谱差异。RMSE计算公式如下所示：

其中r表示真实光谱，r'表示重构光谱，n表示光谱采用波段数。

上述表中，Mean表示色差平均值；Max表示色差最大值；Mean表示误差平均值；Max表示误差最大值。

请参阅图3，附图中的实线表示真实光谱的波长与光谱反射率的关系，虚线表示重构光谱的波长与光谱发射率的关系。

由图3可以看出，通过本发明得到的多通道图像的重构光谱与待测样品的真实光谱十分接近。也就是说，通过本发明得到的多通道图像存在较少的噪声，与真实图像十分接近。

请参阅图4，本发明还还提供一种采用所述多通道图像采集装置采集多通道图像的方法，其包括步骤：

S1、通过控制模块控制各发光光源开启以及成像模块开启；

S2、在各发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像。

优选的，所述采集多通道图像的方法具体包括：

通过控制模块控制其中一发光光源开启、其余发光光源关闭以及成像模块开启；

在其中一发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

通过控制模块控制另一发光光源开启、其余发光光源关闭以及成像模块开启；

在另一发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

依此类推，直至获得在所有发光光源的照射下的多通道图像。

优选的，所述采集多通道图像的方法还包括：

通过预设的算法对多通道图像进行暗电流校正和平场校正/通道配准。

关于如何采集多通道图像已在上述中详述说明，故此不做赘述。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (3)

1.一种多通道图像采集装置，其特征在于，包括：设置有开口的光源模块、设置在所述开口上方的成像模块以及与所述光源模块和成像模块均连接的控制模块；

所述光源模块用于通过反射方式将光线反射至待测样品上，且所述光源模块中设置有两种或者两种以上的发光光源；

所述成像模块用于在各发光光源的照射下对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

所述控制模块用于控制各发光光源的开启或关闭，以及控制所述成像模块的开启或关闭；所述光源模块包括穹顶固定架，所述开口设置于所述穹顶固定架的顶部，所述待测样品设置在所述穹顶固定架的下方，所述穹顶固定架的底部向内延伸形成一光源安装部，所述发光光源设置于所述光源安装部上；所述光源安装部的末端竖向设置有一用于抵住发光光源的挡板；

所述光源安装部设置有两个，且对称设置；

所述成像模块为三刺激相机；

最终得到的待测样品的多通道图像为12通道图像；

所述发光光源包括标准A光源、D65光源、C光源和D50光源的两种或两种以上；

标准A光源的色温为2856K,标准A光源主要由气螺旋钨丝灯发出，其光色偏黄；C光源的色温为6774K，其光色相当于有云的天空光；D65光源和D50光源均是标准D光源的一种，标准D光源为模拟日光的标准照明体，其中，D65光源的色温为6504K，D50的色温为5000K；

所述穹顶固定架的内壁设置有用于提高反射性能的聚四氟乙烯；

在得到多通道图像并对图像处理后，再对多通道图像进行光谱重构；在得到多光谱图像后，对多光谱图像的精度进行分析和评价；

仿真计算Colorchecker SG和Colorchecker 24两个标准色卡在多光谱图像采集装置中的响应值G_train和G_rec；其中G_train为建模样本，可视作大小为140*12的矩阵，G_rec为待重构样本，可视作大小为24*12的矩阵；

将计算得到的12通道图像响应值加入噪声振幅为2的随机噪声；

采用违逆法计算待重构样本的光谱反射率值；对违逆法计算得到的结果进行评价，评价指标为色差ΔE和光谱均方根误差RMSE。

2.一种采用如权利要求1所述多通道图像采集装置采集多通道图像的方法，其特征在于，包括步骤：

通过控制模块控制各发光光源开启以及成像模块开启；

在各发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像。

3.根据权利要求2所述采集多通道图像的方法，其特征在于，所述通过控制模块控制各发光光源开启以及成像模块开启；

在各发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像的步骤具体包括：

通过控制模块控制其中一发光光源开启、其余发光光源关闭以及成像模块开启；

在其中一发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

通过控制模块控制另一发光光源开启、其余发光光源关闭以及成像模块开启；

在另一发光光源的照射下，通过成像模块对待测样品进行多通道图像采集，以获得待测样品的多通道图像；

依此类推，直至获得在所有发光光源的照射下的多通道图像。

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