CN112492069A - 一种手机频闪的多光谱成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种手机频闪的多光谱成像方法，其特点是采用微型单片机控制不同谱段的LED灯分时频闪的方法，结合手机端APP完成对LED进行亮度、时间等交互控制，利用手机自带的拍照功能，完成多光谱图像的采集。本发明与现有技术相比具有手机镜头配合LED灯的曝光，可以快速获得多光谱图像，极大地满足了人们对多光谱成像测量的实际需要，系统安装简单，易于集成，响应速度快。
Description
技术领域
本发明涉及多光谱成像技术领域，具体地说是一种手机频闪多光谱的多光谱成像方法。
背景技术
多光谱成像技术有异于普通的全光谱或者白光成像，它是将不同的光谱分离进行多次成像，而普通的全光谱成像是多个光谱一次成像。通过这种不同光谱下物体的吸收和反射的程度不一致来采集同一个物体得到多张不同的成像图像，然后对这些图像进行细节增强和特征提取的算法进行处理，找出不同细节的一种光电技术，是机器视觉中的一种应用。基于相机的成像技术是光谱成像的未来，由于光谱成像或光谱分析是任何物质的最终物理足迹，多光谱成像在成像和图像处理的所有领域有着巨大的潜力。在寻找这种光谱足迹的过程中，多光谱成像技术将继续获得发展。
目前，多光谱相机的应用市场越来越广，根据不同应用，主要有以下三类多光谱相机：1）多镜头型多光谱照相机，它具有多个镜头，每个镜头各有一个滤光片，多个镜头同时拍摄同一景物，同时记录几个不同光谱带的图像信息，如法国Parrot公司的Sequoia多光谱相机、美国Micasense公司的RedEdge-MX和ALTUM多光谱相机等。2）多相机型多光谱照相机，它由几台照相机组合在一起，各台照相机分别带有不同的滤光片，分别接收景物的不同光谱带上的信息，同时拍摄同一景物，各获得一套特定光谱带的胶片，这种技术比较老旧，市面上也少有这类产品。3）单镜头多光谱照相机，它采用一个镜头拍摄景物，在探测器的像元上分别镀不同波段的滤波膜实现多光谱成像。类似SILIOS公司的9通道多光谱相机、XIMEA公司的16和25通道多光谱相机。这三种多光谱照相机中，单镜头马赛克式多光谱相机的优点是结构简单，图像重叠精度高，多镜头和多相机型照相机主要考虑的是近距离很难准确地对准同一地方，但是在近地空遥感领域采用的是比较广泛的。
上述三种多光谱图像方法存在系统结构复杂、系统成本高和灵活性不高等不足之处，并且在技术上不能达到大多数工业检测应用的标准。在现有技术上，关于多光谱成像，Phase One推出了全自动多光谱成像高分辨率解决方案，利用特殊的相机、光源和滤镜转盘，拍摄多个波长的光形成多个图像，将获得的多张图像用于文物的物质和表面分析，从而确定可读性、真实性、年代及材料特性分布，整套设备体积庞大，结构众多，成本十分昂贵。此外，很少有将多光谱技术与手机相结合起来的，现有的专利采用电动旋转式多光谱成像装置（申请号：201710760260.2），也是通过转盘选择进入智能手机成像相机的波长，来实现对不同光谱进行成像，整个系统结构复杂，同时成像过程也比较繁琐，不易操作。
除此专利外，至今尚未见有将手机与多光谱成像技术相结合的专利技术，以及国内外类似文献的公开报道。由于在特定的场景，如安全领域，人们希望能够通过多光谱成像来拍摄物体内部，找到产品的内部问题。因此，亟待开发能满足各种应用需求且成本较低的多光谱成像系统。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而设计的一种手机频闪的多光谱成像方法，采用微型单片机控制不同谱段的LED灯分时频闪的方法，结合手机端APP完成对LED进行亮度亮度、时间等交互控制，利用手机自带的拍照功能，完成多光谱图像的采集，该方法具有系统安装简单，易于集成，响应速度快，手机镜头配合LED灯的曝光，可以快速获得多光谱图像，极大地满足了人们对多光谱成像测量的实际需要。
本发明的目的是这样实现的：一种手机频闪的多光谱成像方法，其特点是采用微型单片机控制不同谱段的LED灯分时频闪的方法，结合手机端APP完成对LED进行亮度、时间等交互控制，利用手机自带的拍照功能，完成多光谱图像的采集，其步骤如下：
a、安装LED阵列
将LED阵列光源设置在手机的镜头下方，以不影响镜头拍摄效果为宜。
b、连接LED驱动器及单片机
将LED阵列光源的控制线与LED驱动器及单片机连接。
c、利用手机应用软件控制LED驱动器
打开手机的多光谱成像APP，设置亮度寄存器的值，调节LED的亮度；设置GRPWM的值，调节LED亮的时间；设置输出寄存器，调节LED的亮/灭。
d、多光谱成像
打开手机的照相功能，设定好合适的镜头快门时间以及LED灯曝光，按实际需求选择需要成像的谱段，根据程序控制将所需谱段的LED点亮，获取成像目标多个谱段的图像，然后根据手机软件提示，分别将对应的LED谱段及图像存储于手机中，完成多光谱图像的采集。
所述LED阵列光源由紫外光、紫光、蓝光、绿光、黄光、红光、深红光、远红光和红外光九种不同波长的LED灯组成的频闪多光谱阵列，所述LED灯采用串并联，且呈圆形的等距离设置。
所述LED驱动器及单片机由走线相连的微型单片机、电源转换模块、LED驱动模块、按键模块和蓝牙模块组成，所述LED驱动器由蓝牙模块与手机进行信息通信。
所述多光谱成像APP利用手机应用软件与微型单片机控制器实现串口通信，控制不同谱段的LED灯分时曝光，配合手机相机完成多光谱图像的采集。
所述多个谱段的图像为可见光波段的图像、近红外图像和紫外图像，总计九个波段的多光谱图像。
所述LED驱动器为采用微型单片机，使用I2C总线控制的可编程LED驱动器，实现LED灯的开/关控制。
本发明与现有技术相比具有以下有益的技术效果和显著的进步：
1）多光谱成像装置易于集成，系统安装简单；
2）响应速度快，手机镜头配合LED灯的曝光，可以快速获得多光谱图像；
3）灵活性高，可允许用户根据实际应用的需求调整多光谱成像系统，且通过防抖算法的设计，系统能够稳定成像，稳定性好；
4）通过时分复用的方法控制不同波段的LED等分别曝光，可以实现光谱波段数可调，即准确识别特定的波段；
5）多光谱成像系统的成本较市面上的多光谱相机低，所用到的组件价格低廉，接近终端消费者的消费预期，满足人们对多光谱成像测量的实际需要。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为成像控制模块构示意图；
图3为LED阵列光源结构示意图；
图4为本发明实施例图。
具体实施方式
本发明采用微型CPU处理器来控制LED驱动器的曝光，同时基于手机相机自带的拍照功能实现多光谱成像。其主要特点在于通过微型单片机来选择成像的光谱谱段，利用去除过红外滤光片的镜头及配套电路，结合手机端APP完成对LED进行亮度、时间等交互控制，最终在屏幕上显示多光谱图像。
参阅附图1，本发明的多光谱图像采集步骤如下：
a、安装LED阵列
将LED阵列光源设置在手机的镜头下方，以不影响镜头拍摄效果为宜。
b、连接LED驱动器及单片机
将LED阵列光源的控制线与LED驱动器及单片机连接，对于多种LED灯，采用微型单片机，使用I2C总线控制的可编程LED驱动器来控制LED的开、关。具体来说，LED驱动器与手机通信之间遵循I2C协议，可以通过I2C总线设置呼叫总线上的任一路LED灯，进而通过对输出状态寄存器软件编程，来设置LED驱动输出的状态，以此设置LED灯轮流亮、灭。
c、利用手机应用软件控制LED驱动器
利用手机应用软件与微型单片机控制器实现串口通信，通过对LED控制器的不同寄存器进行设值，来控制不同谱段的LED灯分时曝光，配合手机相机完成多光谱图像的采集。
打开手机的多光谱成像APP，设置亮度寄存器的值，调节LED的亮度；设置GRPWM的值，调节LED亮的时间；设置输出寄存器，调节LED的亮/灭。在LED阵列光源中，通过设置亮度控制寄存器的值，改变占空比，来调节LED灯的亮度，占空比越大，灯越亮，此外，设置GRPPWM的值，来调整占空比从0%~99.6%变化，占空比值越大，灯亮的时间越长；可根据实际的应用环境以及被测物体的需要不同，实现LED灯的亮度、时间可调。
d、多光谱成像
打开手机的照相功能，设定好合适的镜头快门时间以及LED灯曝光，按实际需求选择需要成像的谱段，根据程序控制将所需谱段的LED点亮，获取成像目标多个谱段的图像，然后根据手机软件提示，分别将对应的LED谱段及图像存储于手机中，完成多光谱图像的采集。
参阅附图2，所述LED驱动器及单片机4由走线相连的微型单片机41、电源转换模块42、LED驱动模块43、按键模块44、蓝牙模块45和跳线接口46组成，且由微型单片机41实现指令控制，所述电源转换模块42为各功能模块及LED灯供电；所述蓝牙模块45与智能手机1之间建立通讯，实现手机端APP对LED阵列光源2的控制；所述按键模块44可单独实现对LED灯的亮灭控制。
参阅附图3，所述LED阵列光源2为九种不同波段的LED灯呈圆形分布的频闪多光谱阵列，且各LED灯的间隔距离相等，所述九种不同波段分别为：紫外光21（波长为365nm）、紫光22（波长为390nm）、蓝光23（波长为460nm）、绿光24（波长为515nm）、黄光25（波长为585nm）、红光26（波长为620nm）、深红光27（波长为650nm）、远红光28（波长为730nm）和红外光29（波长为950nm）。
通过以下具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
参阅附图4，本发明按下述步骤进行多光谱图像的采集：
1）将LED阵列光源2设置在手机1的镜头11下方，以不影响镜头拍摄效果为宜。
2）将LED阵列光源2的控制线3与LED驱动器及单片机4连接。
3）将成像目标5放置于手机1的镜头11前，调节焦距使目标成像清晰。
4）打开手机1的多光谱成像APP，设定好合适的镜头快门时间以及LED闪光频率，调试至正常工作状态，按实际需求选择需要成像的谱段，根据程序控制，按照一定频率将所需谱段的LED点亮，获取成像目标多个谱段的图像，然后根据手机软件提示，分别将对应的LED谱段及图像存储于手机1中。
5）选择手机多光谱成像APP软件中的数据预处理选项，完成多光谱图像的预处理，有效减少成像模块引起的成像误差，而后将对应被测目标的所有谱段图像放置于同一文件夹内。
6）调用应用分析模型，对获得的多光谱图像进行分析处理。
本发明在PCB检测等工业应用中，多光谱成像有助于检测电容器、晶体管等表面部件，而且有助于检测嵌在内部的铜线等金属线，另外对电子产品进行回收利用时，对贵金属和零部件等精确检测也非常有用；同时在纺织和印刷检测中，多光谱相机可以帮助准确地再现和测量颜色，不仅能够准确地匹配样本的颜色，而且能准确识别皮革、树脂、塑料、丝线、金属、聚酯等各种服装材料，除此之外，也可广泛应用于文物及物证的鉴别、农产品质量检测、假冒伪劣鉴别等领域。
本实施例中所采用的主要器件描述如下：
1）采用具备照相且有专业模式拍照的智能手机，自带相机镜头，由保护膜、镜头组、对焦马达、镀膜白玻璃、CMOS图像传感器和线路连接基板几部分组成。其中智能手机自带的相机中所使用的滤光片为红外滤光片，为保证能够正常捕捉红外光线，特使用相同厚度和尺寸的镀膜白玻璃替换，以正常成像，紫外光、可见光、近红外光、远红外光均由手机相机获得。
2）LED阵列光源由LED驱动芯片、九种不同波长的LED灯珠芯片，分别是利用紫外光（波长365nm），紫光（波长390nm)、蓝光（波长460nm)、绿光（波长515nm)、黄光（波长585nm)、红光（波长620nm），深红光（波长650nm)、远红光（波长730nm)、红外光（波长950nm)，所使用LED灯珠发光强度可达50mcd。
3）成像控制由微型单片机、电源转换模块、蓝牙模块、按键模块组成，LED驱动模块，LED阵列与微型单片机通过跳线相连，实现控制。特别地，手机经过蓝牙等无线传输的方式与控制终端进行信息通信，软件将控制信息发送至控制单元，控制单元按照指令进行操作，具体来说，通过可视化的软件界面可以控制某个谱段的LED灯点亮，以及闪烁的频率，实现分时频闪。
本发明采用模块均放置在一块电路板上，彼此之间通过电路板走线相连，由一块微型单片机来实现指令控制，通过电源转换模块为各功能模块及LED阵列分布供电；由蓝牙模块与手机之间建立通讯，实现对LED阵列光源的控制；特别地，按键模块可单独实现对LED灯的亮灭控制。本实施例中所涉及的LED阵列控制方法主要为控制LED驱动器，分别通过设置亮度寄存器的值、GRPWM的值、输出寄存器的值来调节LED的亮度、时间以及亮、灭。
以上仅是本发明较佳实施例而已，并非对本专利作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改，等同变化与修饰，均属于本专利的权利要求范围之内。
Claims (6)
1.一种手机频闪的多光谱成像方法，其特征在于采用微型单片机控制不同谱段的LED灯分时频闪的方法，结合手机端APP完成对LED进行亮度亮度、时间等交互控制，利用手机自带的拍照功能，完成多光谱图像的采集，其步骤如下：
a、安装LED阵列
将LED阵列光源设置在手机的镜头下方，以不影响镜头拍摄效果为宜；
b、连接LED驱动器及单片机
将LED阵列光源的控制线与LED驱动器及单片机连接；
c、利用手机应用软件控制LED驱动器
打开手机的多光谱成像APP，设置亮度寄存器的值，调节LED的亮度；设置GRPWM的值，调节LED亮的时间；设置输出寄存器，调节LED的亮/灭；
d、多光谱成像
打开手机的照相功能，设定好合适的镜头快门时间以及LED灯曝光，按实际需求选择需要成像的谱段，根据程序控制将所需谱段的LED点亮，获取成像目标多个谱段的图像，然后根据手机软件提示，分别将对应的LED谱段及图像存储于手机中，完成多光谱图像的采集。
2.根据权利要求1所述手机频闪的多光谱成像方法，其特征在于所述LED阵列光源由紫外光、紫光、蓝光、绿光、黄光、红光、深红光、远红光和红外光九种不同波长的LED灯组成的频闪多光谱阵列，所述LED灯采用串并联呈圆形的等距离设置。
3.根据权利要求1所述手机频闪的多光谱成像方法，其特征在于所述LED驱动器及单片机由走线相连的微型单片机、电源转换模块、LED驱动模块、按键模块和蓝牙模块组成，所述LED驱动器由蓝牙模块与手机进行信息通信。
4.根据权利要求1所述手机频闪的多光谱成像方法，其特征在于所述多光谱成像APP利用手机应用软件与微型单片机控制器实现串口通信，控制不同谱段的LED灯分时曝光，配合手机完成多光谱图像的采集。
5.根据权利要求1所述手机频闪的多光谱成像方法，其特征在于所述多个谱段的图像为可见光波段的图像、近红外图像和紫外图像九个波段的多光谱图像。
6.根据权利要求1或权利要求3所述手机频闪的多光谱成像方法，其特征在于所述LED驱动器为采用微型单片机，使用I2C总线控制的可编程LED驱动器，实现LED灯的开/关控制。
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2020
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