CN113884186B - 一种连续可调的高光谱成像方法和系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种连续可调的高光谱成像方法和系统，利用包括镜头、传感器以及镜头和传感器之间的FPI滤光组件的高光谱成像系统，包括调节FPI滤光组件的FPI镜面间距进行逐帧拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据；对不同的镜面间距对应的波长，从raw数据中选择对应的RGB通道，获取与波长对应的单通道响应图像以过滤raw数据中波段内的次级峰，并对单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获取与可见光波长对应的连续高光谱图像。本申请获得完整的可见光波段范围内与波长一一对应的单峰FPI像元数据，同时可以将计算量减至最小，大大拓展类了FPI高光谱成像技术的灵活性与应用场景。

Description

一种连续可调的高光谱成像方法和系统

技术领域

本发明涉及高光谱成像和光谱分析的技术领域，并且特别涉及一种连续可调的高光谱成像方法和系统。

背景技术

高光谱成像技术可以同时获得图像信息和光谱信息，结合机器视觉技术来对物体进行判别的同时，还可以进行依赖于光谱的光谱分析，是具有很大潜力的新技术。高光谱成像技术的光谱分析能力来源于高光谱可以采集不同波长下物质所发出的光谱信息，而这些光谱信息直接反映了物体的理化成分等信息；结合图像的识别、选区等信息，高光谱成像技术可以实现目标检测-成分判断-结果输出的完全自动化。

法布里波罗干涉腔（Fabry-Perot Interferomenter，FPI）是一种窄带可调滤光片，由一对彼此平行且相距一定距离的高反射率镜面、及调控两者之间距离的动力装置构成。它可以让一系列接近特定波长的光透过，腔体两个镜面间距决定了透过的波长，因此可以通过调节腔体的间距来实现连续波段的光的输出。根据干涉原理，确定的间距透过确定的波长，从而可以通过调节腔体的平行镜面间隔来控制输出的波长。其中心波长

和FPI镜面间距

的关系为

；其中，

为入射角；

表示干涉级数，为正整数；

表示因表面镀膜反射产生的相位变化，一般很小或认为是零，这里可忽略不计。可以看出，同一个间距

可以同时通过数个中心波长，除了主峰外，其余仍然会在一定的波长范围内存在不需要的其他次级峰，因此利用FPI输出连续光谱面临的一个重要挑战就是如何去除或分离不需要的次级峰。

相比其他高光谱成像仪，例如线扫式，用FPI做高光谱成像仪具有一次成像，快速出图的优点，兼具了传统相机在图像成像上的优势。当然，FPI也有因其技术特点，技术门槛相对较高，且在具体实现中，因为平行腔体可能同时透过多个干涉波长而存在次级峰或多级峰的问题，这样就破坏了获取单个可调波长形成连续光谱的目的。而若要每次只透过一个波峰，则波长的连续可调范围将受到很大的限制，使得无法涵盖所有可见光区域。目前，针对这一问题，业界的解决方案包括使用多个FPI相机、切换多套滤光片，数学解耦等方法，但都不可避免地以牺牲设备或数据的可靠性为代价。

当前通过FPI或类似光谱干涉透过原理获取可见光连续波段的高光谱图像获取技术主要存在以下两个难点或限制，可拍摄波段范围的限制和次级峰的干扰，具体说明如下：

1、难以获得连续的完整可见光波段的光谱图像，即要么牺牲波段范围，缩小连续可调波段跨度；要么牺牲精准度，受到FPI多级峰共存的干扰，从而无法获得准确的与波长一一对应的像元光谱数据。

2、同一个腔体调制间距下会存在多个透过波长，如果结合多峰解耦，需要通过复杂的数学计算，不但牺牲精度，降低输出速度，而且并没有很好的数学方法对其进行彻底的一对一解耦。

通过减小FPI调制的最小间距，也可以实现一定的可见光范围内不出现多个次级峰的结果，但这样做对FPI MEMS芯片的物理限制挑战极大，稳定和可靠性都会降低，以目前的硬件技术手段难以实现。此外，使用多个FPI相机组合、切换多套滤光片，或者用多个芯片拼接使用也可以解决上述问题，但是带来的弊端除了成本的上升和设备灵活性的降低以外，拼接的数据也将产生可靠性的问题。

目前，业界尚缺乏一种能简单准确快速排除FPI次级峰干扰的有效手段来实现人眼可见光范围内的连续光谱输出。

发明内容

为了解决现有技术中缺乏一种能简单准确快速排除FPI次级峰干扰的有效手段来实现人眼可见光范围内的连续光谱输出的技术问题，本发明提出了一种连续可调的高光谱成像方法，以试图解决现有技术中存在的上述问题。

根据本发明的一个方面，提出了一种连续可调的高光谱成像方法，利用包括镜头、传感器以及镜头和传感器之间的FPI滤光组件的高光谱成像系统，包括以下步骤：

S1：调节FPI滤光组件的FPI镜面间距进行逐帧拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据；

S2：对不同的镜面间距对应的波长，从raw数据中选择对应的RGB通道，获取与波长对应的单通道响应图像以过滤raw数据中波段内的次级峰，并对单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获取与可见光波长对应的连续高光谱图像。

在一些实施例中，传感器为拜尔滤光片阵列的图像传感器。拜尔阵列是一种将RGB滤色器排列在光传感组件方格之上所形成的特定序列的马赛克样的彩色滤色阵列，拜尔阵列可以作为带通滤波器过滤次级峰，从而挑选保留主波峰。

在一些实施例中，RGB通道中R和B通道的波段与G通道的波段不存在重合部分。凭借该设置可以便于进行波段分离规划。

在一些实施例中，RGB通道中各通道的滤光片具有单一的主波峰。该设置的滤光片可以具有较好的波长选通特性。

在一些实施例中，获取raw数据之前还包括：利用可见光带通滤光片过滤一定波长范围内的紫外和红外能量。凭借该步骤可以进一步降低未完全过滤而剩余的次级峰能量引入的误差比率。

在一些实施例中，FPI镜面间距不小于500nm。过小的FPI间距容易由于微观物理性质导致谐振腔性能变差并存在较大的不稳定性。

在一些实施例中，方法还包括：S3：预先对高光谱成像系统进行辐射度标定，获得高光谱成像系统在不同波长下的单位光照响应，利用单位光照响应获取连续高光谱图像相对的绝对可见光光谱数据。该步骤可以获取辐射度矫正后的连续可见光波段高光谱数据。

在一些实施例中，绝对可见光光谱数据为连续高光谱图像与单位光照响应之比。

在一些实施例中，辐射度标定包括：

S31：在无入射光的黑暗环境下拍摄黑帧数据，调节FPI镜面间距获得高光谱黑帧数据；

S32：打开光源利用单色仪调节不同波长，连续拍摄获得不同FPI镜面间距下的待标定raw数据；

S33：在不同的镜面间距对应的波长中，利用RGB通道中与波长对应的单通道获取所属待标定raw数据与高光谱黑帧数据的差值数据中波长对应的待标定单通道响应图像；

S34：对待标定单通道相应图像进行拜尔阵列差值后获得对应波长下的响应数据，根据对应的光功率获取单位光照响应，单位光照响应为响应数据与光功率的比值。

在一些实施例中，步骤S21中，利用积分球使进入高光谱成像系统的光束在高光谱成像系统的视场角内均匀分布。凭借该步骤可以排除入射光束的不均匀度对高光谱系统所获像面光照度标定的干扰。

在一些实施例中，拜尔阵列插值采用邻域内插或双线性内插。采用以上两种插值方法可以避免不同通道之间的光谱数据相互干扰。

根据本发明的另一方面，提出了一种连续可调的高光谱成像系统，包括镜头、传感器以及镜头和传感器之间的FPI滤光组件，还包括：

原始数据获取模块：配置用于调节FPI滤光组件的FPI镜面间距进行逐帧拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据；

连续高光谱成像模块：配置用于对不同的镜面间距对应的波长，从raw数据中选择对应的RGB通道，获取与波长对应的单通道响应图像以过滤raw数据中波段内的次级峰，并对单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获取与可见光波长对应的连续高光谱图像。

在一些实施例中，传感器为拜尔滤光片阵列的图像传感器，RGB通道中R和B通道的波段与G通道的波段不存在重合部分，RGB通道中各通道的滤光片具有单一的主波峰。

在一些实施例中，还包括：

辐射度标定模块：配置用于预先对高光谱成像系统进行辐射度标定，获得高光谱成像系统在不同波长下的单位光照响应；

绝对可见光光谱成像模块：配置用于利用单位光照响应获取连续高光谱图像相对的绝对可见光光谱数据，绝对可见光光谱数据为连续高光谱图像与单位光照响应之比。

在一些实施例中，还包括积分球、辐射度计和单色仪，单色仪与光源连接，积分球与单色仪连接用于使得进入高光谱成像系统的光束在高光谱成像系统的视场角内均匀分布，辐射度计设置于积分球上用于量测光功率。

在一些实施例中，辐射度标定模块具体配置用于：

在无入射光的黑暗环境下拍摄黑帧数据，调节FPI镜面间距获得高光谱黑帧数据；

打开光源利用单色仪调节不同波长，连续拍摄获得不同FPI镜面间距下的待标定raw数据；

在不同的镜面间距对应的波长中，利用RGB通道中与波长对应的单通道获取所属待标定raw数据与高光谱黑帧数据的差值数据中波长对应的待标定单通道响应图像；

对待标定单通道相应图像进行拜尔阵列差值后获得对应波长下的响应数据，根据对应的光功率获取单位光照响应，单位光照响应为响应数据与光功率的比值。

本申请的一种连续可调的高光谱成像方法和系统具有以下的有益效果：使用上述方法或系统，可以用极少量的后期计算，获得连续完整的可见光范围高光谱图像。解决可见光范围内FPI次级峰带来的干扰难题，从而解决了连续可调波段范围窄、获得的图像数据不精准，或无法与波长建立一一对应关系的问题。且该方法无需复杂的后期计算进行还原矫正，即可直接获取与波长一一对应的高光谱图像数据。

获得的完整连续的可见光谱图像数据，可以完成很多工作，并带来与可见光应用相关的有益效果，例如获取与人眼感知更一致的色彩，更精准的白平衡，可将光波段的物质信息分析等。大大拓展类了FPI高光谱成像技术的灵活性与应用场景。

附图说明

包括附图以提供对实施例的进一步理解并且附图被并入本说明书中并且构成本说明书的一部分。附图图示了实施例并且与描述一起用于解释本发明的原理。将容易认识到其它实施例和实施例的很多预期优点，因为通过引用以下详细描述，它们变得被更好地理解。附图的元件不一定是相互按照比例的。同样的附图标记指代对应的类似部件。

图1是现有技术中FPI多级峰共存的示意图；

图2是根据本发明的一个实施例的高光谱成像系统的结构示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的FPI多级峰过滤的原理示意图；

图4是根据本发明的一个实施例的连续可调的高光谱成像方法的流程图；

图5是根据本发明的一个具体的实施例的RGB传感器滤光片透过率曲线图；

图6是根据本发明的一个具体的实施例的RGB通道分割多级峰的原理图；

图7是根据本发明的一个具体的实施例的未完全过滤剩余次级峰能量引入的误差率的示意图；

图8是根据本发明的一个具体的实施例的误差比例的计算流程图；

图9是根据本发明的一个具体的实施例的FPI系统测量被摄物体获得可见光高光谱数据的流程图；

图10是根据本发明的一个具体的实施例的辐射度标定系统示意图；

图11是根据本发明的一个具体的实施例的辐射度标定流程图；

图12是根据本发明的一个具体的实施例的搭载FPI芯片与RGB传感器的相机模组成像系统结构示意图；

图13是根据本发明的第二个具体的实施例的RGB传感器滤光片透过率曲线；

图14是根据本发明的第二个具体的实施例的RGB通道分割多级峰的原理图；

图15是根据本发明的第二个具体的实施例的未完全过滤剩余次级峰能量引入的误差率的示意图；

图16是根据本发明的第二个具体的实施例的辐射度标定流程图；

图17是根据本发明的一个实施例的连续可调的高光谱成像系统框架图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关发明，而非对该发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与有关发明相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

图1中示出了现有技术中FPI多级峰共存的示意图，如图1所示，在同一个FPI间隔下拍摄，可见光400-700nm波段往往会出现多于一个峰的情况，图中同一种线条代表同一个间距下的光透过FPI腔体后形成的波峰。而由于FPI本身可以调控的是其两个镜面之间的距离，因此无法仅通过调控FPI解决或避免多个次级峰的问题。

图2示出了根据本发明的一个实施例的高光谱成像系统的结构示意图，如图2所示，高光谱成像系统100自物侧到像侧依次包括镜头101、FPI滤光组件102、RGB成像芯片104和芯片基座和线路板105，其中FPI滤光组件102通过FPI驱动控制单元103驱动控制。该高光谱成像系统100在传统成像单元的镜头和传感器之间加入了FPI滤光组件102，使得通过镜头的光线通过FPI之后再传达至成像芯片，因此传感器接受到的将是透过FPI后的特定单色波段光信号。该成像系统在外界连续光源（自然光或特定人工光源）照射下，被检物体表面反射回的光谱和图像信息通过该成像系统被记录。其中，传感器为带有拜尔滤光片阵列的图像传感器，拜尔阵列作为带通滤波器过滤次级峰，可实现挑选保留主波峰的目的。拜尔阵列是一种将RGB滤色器排列在光传感组件方格之上所形成的特定序列的马赛克样的彩色滤色阵列，其基本原理如图3所示，在图1的基础上，增加如图3中加粗黑线所示的带通滤波片，则可以实现将红光区域的三个主峰挑选出来而过滤其余波段次级峰的目标，而RGB传感器正好具有在可见光部分的带通功能，因此可以利用其实现过滤FPI次级峰的目的。

在具体的实施例中，不同型号的拜尔阵列传感器具有不同的波长选通特性，优选的，可选取具有良好的波段分离属性的滤光片阵列组合，例如：R和B的波段在G波段部分几乎没有重合的部分，或者透过率很低，可以忽略；三个通道的滤光片最好具有单一的主波峰等。如果滤光片在其他波段也出现透过峰，则需要按情况进行具体的规划分析，根据RGB滤光片的属性，结合FPI干涉波长和间距的数学关系，找到间距-波长-通道三者之间的关系，看是否能用来过滤次级峰。

继续参考图4，图4示出了根据本发明的一个实施例的连续可调的高光谱成像方法的流程图，如图4所示，该方法包括以下步骤：

S101：调节FPI滤光组件的FPI镜面间距进行逐帧拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据。利用法布里珀罗腔可以通过对FPI镜面间距的调节实现连续可调的透过光谱波段，实现最小的结构获得连续光谱像元的方式。

S102：对不同的镜面间距对应的波长，从raw数据中选择对应的RGB通道，获取与波长对应的单通道响应图像以过滤raw数据中波段内的次级峰，并对单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获取与可见光波长对应的连续高光谱图像。

在具体的实施例中，结合RGB传感器自带的长中短波长滤光片，在每个FPI腔体的调制距离下筛出FPI谐振单峰，可以解决FPI次级峰（多波段共存）问题，通过结合谐振多级峰的中心波长值和RGB滤光片的性质，获得可见光范围内的连续的可见光波段连续光谱。下面结合图5-6的具体实施例对上述方案进行说明：

图5示出了根据本发明的一个具体的实施例的RGB传感器滤光片透过率曲线图，如图5示出了比较常见的一种RGB传感器QE曲线，其中RGB三者除了在各自的主波段范围内有较高的透过率外，均在800nm以上也存有较高的透过率。利用中心波长

和间距

的关系公式

，将FPI平行腔体的间距作为横坐标，其产生的干涉透过光中心波长作为纵坐标，可以得出如图6所示的300nm-1000nm范围内的FPI多级峰的“波长-间距”对应图，其中，图中斜线表示了所有存在的FPI波峰的中心波长与FPI腔体的间距之间的对应关系。三个阴影区域R、G、B表示了分别利用RGB通道获取单一主峰过滤次级峰的波段-间距区域，即在该区域对应的FPI间距范围内，使用阴影区中标出的具体通道来获取其对应涵盖的中心波长的单一波峰的可见光。可以看出三个区域单调不重复地涵盖了390nm到780nm的可见光区域，从而实现了利用RGB传感器过滤FPI次级峰，产生单一连续波峰的完整可见光波段高光谱图像的目标。

在优选的实施例中，起始FPI间距最好不低于500nm（过小的FPI间距容易由于微观物理性质导致谐振腔性能变差并存在较大的不稳定性），因此B通道需要最高涵盖至500nm，此时对应的FPI间距为750nm，鉴于该间距下存在380nm左右的短波次级峰，B通道选区不能低于该值。鉴于主峰能量需要保持高占比的原则，取B通道最低从390nm的中心波长开始，此时对应的FPI间距为585nm，正好与R、G通道的交汇点一致，此时得到使用B通道的间距范围为585nm至750nm。在FPI间距在500nm至R、G通道的交汇点585nm时，只需取用G通道内的数据即可，此时输出中心波长500-585nm的高光谱数据。G、R两通道的最佳分离点也即它们的交汇点585nm，因此G通道的最大输出波长对应的FPI间距与B、R通道的起始FPI间距均相等，为585nm。在R、G分离点585nm以上，直至780nm处，可只取用R通道内的高光谱数据，因为对于R通道，其他出现的次级峰均在520nm以下，低于B、R分离点560nm，为R滤光片的极低透过率区域，可以非常好的过滤掉这些次级峰。FPI间距和对应的输出中心波长以及所使用的通道之间的对应关系如下表1所示：

表1.

由表1可知，在500-585nm间距范围内，每次只取G通道内的高光谱数据，对应500-585nm波段的可见光数据；在585-750nm间距范围内，可同时获得390-500nm以及585-750nm波段的数据，分别通过取用B通道和R通道内的数据；在750-780nm间距范围内，每次只取R通道内的高光谱数据，对应750-780nm波段的可见光数据。

该实施例中同时保证了最少的多级峰出现的数量以及波段的连续性：即中心峰值波长可以连续不重复地涵盖390-780nm的可见光波段范围。同时不需要FPI的最小间距小于500nm（过小的FPI间距容易由于微观物理性质导致谐振腔性能变差并存在较大的不稳定性）。并且在585nm至750nm的FPI间距下，每次拍摄将同时获得两个波长的高光谱图像数据，大大提高了拍摄效率。

继续参考图7，图7示出了根据本发明的一个具体的实施例的未完全过滤剩余次级峰能量引入的误差率的示意图，由于未完全过滤而剩余的次级峰能量引入的误差比率，如图7所示，其中虚线表示不另外使用近紫外和红外带通滤光片过滤掉不需要的紫外和红外的能量时的误差率，而实线表示加入只保留可见光的带通滤光片（过滤低于380nm和高于790nm的能量）时的次级峰能量引入的误差比例。可以看出，如果同时添加可见光带通滤光片的话，每个波段的误差率最大均不超过10%，同时，经计算得出，全波段的平均误差率仅为1.8%（不额外添加滤光片的平均误差率为2.6%）。

在具体的实施例中，图8示出了根据本发明的一个具体的实施例的误差比例的计算流程图，如图8所示，包括以下步骤：

S201：获得FPI在不同间距下的光谱输出响应函数，记为T(λ，d)。该函数表示在输出波长范围内，在不同的FPI镜面间距和不同波长下的光透过率。该函数的理论计算可由下述公式得到：

其中

表示通过镜头的光线进入FPI模块时的入射角，

表示FPI镜面的反射率，

表示FPI镜面的透射率。

S202：将函数T(λ，d)与RGB的QE曲线（用 F(λ，R，G，B)表示）以及可见光带通滤波片的透过率截断曲线（用 C(λ)表示）相乘，得到新的函数 G(λ，d，R，G，B)，即G(λ，d，R，G，B)=T(λ，d)*F(λ，R，G，B)*C(λ)。

S203：根据消除次级峰的具体方案（即不同波段挑选的不同RGB通道），针对不同的FPI间距计算函数G(λ，d，R，G，B)在所选通道内对波长λ的积分，得到Etot(λ)。该积分值表示所选通道在FPI镜面间距为d时接受到的总能量，记为Etot(d)，该值可以转换为FPI间距所对应的输出主峰的中心波长的函数Etot(λ)。

S204：计算G(λ，d，R，G，B)在各个波段所需要提取的主峰以外的剩余次级峰的波长范围内对λ的积分，记为Eerr(λ)。据各个波段所需要提取的主峰波段的范围，确定其余剩余次级峰波段所占的波长范围，对该范围内的函数G(λ，d，R，G，B)在所选通道内对波长λ经行积分，可得到对应该输出主峰中心波长λ时未过滤掉的剩余次级峰所占能量Eerr(λ)。

S205：剩余的次级峰能量引入的误差比率为 Eerr(λ)/Etot(λ)。

上述的误差不仅可以用来评估FPI次级峰过滤程度的好坏，从而对RGB传感器做出筛选，还可以用来评价和判断所选RGB传感器是否能满足在所需波段过滤FPI模组次级峰的要求，从而判断是否适合运用在某些具体的场景中。在上述实施例中，所用FPI和RGB传感器可以通过所述方案较好地完成可见光波段的次级峰过滤工作。

在具体的实施例中，图9示出了根据本发明的一个具体的实施例的FPI系统测量被摄物体获得可见光高光谱数据的流程图，如图9中左侧的连续波段高光谱数据获取流程中，包括以下步骤：

S401：搭建拍摄环境，启动设备和计算机软件。

S402：打开光源，在FPI可移动范围内，调节FPI镜面间距逐帧依次拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据。

S403：利用RGB单通道分离次级峰，获得相对应波长的raw图数据，对该单通道数据进行拜尔插值后得到所需波长的高光谱图像响应。根据间距-波长-通道三者之间的关系，从获得的raw数据中选择对应的RGB通道，获取与波长一一相对应的单通道下的响应图像，然后对单通道进行拜尔阵列插值后即得到对应该波长下的图像数据。

S404：对每一个间距-波长重复上一步骤，最终获得与可见光波长一一对应的高光谱图像输出。

在具体的实施例中，还可以在上述方法中经由辐射度标定，获得绝对光谱数据。图10示出了根据本发明的一个具体的实施例的辐射度标定系统示意图，如图10所示，依次将光源、单色仪200、积分球300和高光谱成像系统100连接，其中，积分球300上设置有辐射度计400，积分球300和辐射度计400用于接入并测量输入到相机镜头中的单色光源能量。光源为连续光源如卤素灯，单色仪200可以为分光单色仪。高光谱成像系统100、单色仪200和辐射度计400接入PC计算机500。利用积分球300对入射光束的匀化作用，使进入高光谱系统100的光束在高光谱系统100的视场角内是均匀分布的，排除入射光束的不均匀度对高光谱系统所获像面光照度标定的干扰。具体的辐射度标定流程如图11示出的根据本发明的一个具体的实施例的辐射度标定流程图所示，包括以下步骤：

S301：按图示连接系统，启动程序。将光源、单色仪、积分球和高光谱成像系统按图10中的标定系统示出的连接方式连接后，启动电脑测量程序。

S302：关闭光源，调节FPI镜面间距，拍摄所有波段的黑帧数据。先在镜头黑暗无入射光的环境下拍摄黑帧数据，调节镜面间距控制FPI逐一扫描整个拍摄间距范围，获得高光谱黑帧数据。

S303：打开光源，单色仪调节至起始波长，调节FPI镜面间距，完成一次拍摄，获得该波长光源对应的RAW数据。调节单色仪至某一或起始波长，如380nm，FPI高光谱连续拍摄不同镜面间距下（连续的间隔）的数值响应。

S304：减去相应的黑帧，利用RGB单通道获得相应的波长图像数据，对其进行拜尔插值后再除以光功率计读数，得到该波长下的图像响应，记为B。

在具体的实施例中，将需要被标定的RAW图数据减去与之对应的黑帧数据后，根据镜面间距-波长-通道三者之间的关系所设计对应的RGB通道过滤次级峰，获取与该波长相对应的单通道下的响应图像。然后对单通道拜尔阵列插值后得到的对应该波长下的响应数据作为需要被标定的Raw数据，再除以光功率计测得的数值，得到高光谱系统在该波段下单位照度时的光电响应，记为B。

在具体的实施例中，拜尔阵列插值即去马赛克算法，有简单的邻域内插或双线性内插方法，也有更复杂一些的可变数梯度和自适应定向插值等方法，这里适合选用最简单的领域或线性内插方法，因为不同通道之间的光谱数据不宜相互干扰。

S305：调节单色仪至下一个输出波长，重复以上两步，最后得到可见光波长下相机的单位光照响应B_λ。

在具体的实施例中，完成上述辐射度标定后，可用高光谱成像系统测量待测对象的可见光绝对光谱，具体流程如图9中右侧部分的辐射度矫正后的绝对光谱数据的获取流程：即在S401-S404的基础上，还包括：

S405：A_λ/B_λ即得到对应的辐射度校正后的连续可见光波段高光谱数据。A_λ即为步骤S404中获得的高光谱图像输出。

上述的获取连续波段高光谱数据的方法，可以用极少量的后期计算，即获得连续完整的可见光范围高光谱图像。解决了可见光范围内FPI次级峰带来的干扰难题，从而解决了连续可调波段范围窄、获得的图像数据不精准，或无法与波长建立一一对应关系的问题。且该方法无需复杂的后期计算进行还原矫正，即可直接获取与波长一一对应的高光谱图像数据。当获得了完整连续的可见光谱图像数据后，可以完成很多工作，并带来与可见光应用相关的有益效果，例如获取与人眼感知更一致的色彩，更精准的白平衡，可将光波段的物质信息分析等，大大拓展类了FPI高光谱成像技术的灵活性与应用场景。

在一个具体的实施例中，图12示出了根据本发明的一个具体的实施例的搭载FPI芯片与RGB传感器的相机模组成像系统结构示意图，如图12所示，将FPI芯片102（可以为微型芯片化MEMS方案或者具有FPI腔体的中小型成像系统）插入到RGB传感器104与镜头模组（包括镜头座1012和镜头组1011）之间，构成可输出连续可调波段的高光谱成像系统，RGB传感器104设置于芯片基座1051，并通过线路板1052与外部元件电连接。此外，该成像系统还需搭载至少一个外置光源，该光源可覆盖可见光波段且光源输出波形连续。

在根据本发明的第二个具体的实施例中，图13示出了根据本发明的第二个具体的实施例的RGB传感器滤光片透过率曲线，本实施例中以OV4682传感器芯片为例，该芯片是较为特殊的RGB-IR四通道传感器芯片，其透过率如图13所示，实线表示R通道滤光曲线，点划线表示G通道滤光曲线，虚划线表示B通道滤光曲线，点状线表示IR通道滤光曲线；各类竖线对应不同的关键分割位。在580nm处，R和B的滤光片具有很强的分离性，可以用于进行对短波段和长波段次级峰的强分离。同时，在580nm附近的波段处，G滤光片具有较理想的透过率，可以选取该通道筛选出580nm附近的波峰。结合该RGB芯片的属性，用类似前述技术方案，得出如图14的具体设计方案来分离FPI多级峰，涵盖了400nm至780nm的可见光区域。

图14中的横坐标表示FPI腔体的双薄膜间隔距离，纵坐标表示对应横坐标在450nm-800nm的间距下FPI在360nm-800nm波段范围内产生的波峰中心波长。斜线1表示其中一个峰随间距变化的移动轨迹，斜线2表示第二个峰的变化轨迹，在该设计中，同一个间距对应最多两个峰值波长。其中三个阴影区（横线、竖线、斜线）即表示该区域下分别选区对应的R、G、B通道内的图像数据。整体设计思路与前述方案类似，具体为：

1、由于起始FPI间距最好不低于500nm，因此B通道需要最高涵盖至500nm，此时对应的FPI间距为750nm，鉴于该间距下存在380nm左右的短波次级峰，B通道选区不能低于该值。加之R、B通道的最佳分离点在580nm处，对应的短波峰值波长为390nm，因此B通道最低可以涵盖的波长不能低于390nm，鉴于主峰能量需要保持高占比的原则，取B通道最低从400nm的中心波长开始，此时对应的FPI间距为600nm。此时得到使用的B通道间距范围为600nm至750nm。

2、在FPI间距在500nm至600nm时，只需取用G通道内的数据，此时输出中心波长500-600nm的高光谱数据。G、R两通道的最佳分离点在630nm处，因此G通道可延伸至630nm，即500nm至630nm的输出波长均选用G通道。

3、在R、G分离点630nm以上，直至780nm处，可只取用R通道内的高光谱数据，因为对于R通道，其他出现的次级峰均在520nm以下，低于B、R分离点580nm，为R滤光片的极低透过率区域，可以非常好的过滤掉这些次级峰。

此外，当FPI间距在480至550nm之间时，在近红外区域，还存在960-1100nm的次级峰（由于距离较远，并未在图中绘出），而对于这款传感器的RGB透过率曲线，G通道在1000nm附近的透过率并不低，无法实现主峰高能量占比的目标。因此实际在选用G通道的数据时，还需要扣除近红外波段的能量。此时，可以直接借助这款四通道传感器中的IR通道来达到这一目的。可以看出IR通道的透过率曲线在900nm以上与G通道几乎重合，因此可以通过同时获取IR通道与G通道内的数据，并将G通道与IR通道相减的方式，成功扣除G通道中携带的近红外波段的能量，完成过滤G通道内的960-1100nm次级峰的任务，实现每个波段均能让主峰保持最高能量占比的目标。

上述方案的设计同时保证了最少的多级峰出现的数量以及波段的连续性，中心峰值波长可以连续不重复地涵盖400-780nm的波段范围。同时不需要FPI的最小间距小于500nm（过小的FPI间距容易由于微观物理性质导致谐振腔性能变差并存在较大的不稳定性）。并且在600nm至750nm的FPI间距下，每次拍摄将同时获得两个波长的高光谱图像数据，大大提高了拍摄效率。FPI间距和对应的输出中心波长以及所使用的通道之间的对应关系如下表2所示：

表2.

图15示出了根据本发明的第二个具体的实施例的未完全过滤剩余次级峰能量引入的误差率的示意图，如图15所示，该误差率为包含了IR通道的扣除以及添加可见光带通滤光片（过滤低于390nm和高于790nm的能量）后的综合结果，此时的全波段的平均误差率为2.1%，具体误差比例的计算过程如前述图8的计算流程。在400-500nm的范围内，误差率比较大，而该波段对应的是B通道，因此可以据此判断该RGB传感器的B通道特性具有较差的FPI次级峰过滤性能，而R和G波段则过滤性能优良。因此，仍然需要用该RGB传感器进行可见光波段的次级峰过滤工作，则短波处的效果将不理想。可以用于对光谱精度要求较低的应用场合（如仅需要利用光谱信息做非定量或定性判断的应用场景：例如物质的真伪鉴别）。如果需要应用于对光谱精度较高的场合（如对色彩相关的识别应用，或成分定量分析的应用），则需要考虑其他更好的替代方案，或者调整所应用的波段范围，例如，只应用于中长波可见光波段。

在具体的实施例中，图16示出了根据本发明的第二个具体的实施例的辐射度标定流程图，如图16所示，对于该实施例的辐射度标定包括以下步骤：

S501：按图示连接系统，启动程序。将光源、单色仪、积分球和高光谱成像系统如图示9连接后，启动电脑测量程序，其中，积分球和辐射度功率计用于接入并测量输入到相机镜头中的单色光源能量，利用积分球对入射光束的匀化作用，使进入高光谱系统的光束在高光谱系统视场角内是均匀分布的，排除入射光束的不均匀度对高光谱系统所获像面光照度标定的干扰。

S502：关闭光源，调节FPI镜面间距，拍摄全波段范围内的黑帧数据。

S503：打开光源，单色仪调节至起始波长400nm，调节FPI镜面间距，获得该波长光源对应的RAW数据。

S504：减去相应的黑帧，选取B通道内的数据，对其进行拜尔插值后再除以光功率计读数，得到400nm波长下的响应。将需要被标定的RAW图数据减去与之对应的黑帧数据后，选取B通道内的数据进行拜尔阵列插值后得到的对应400nm波长下的响应数据作为需要被标定的raw数据，再除以光功率计测得的数值，得到高光谱系统在该波段下单位照度时的光电响应。

S505：调节单色仪至下一个波长（可间隔1nm，如401nm），重复以上两步（根据波长-间距-通道之间的关系选取合适的间距拍摄并选取相对应单色通道内的数据）。最终得到可见光波长400-780nm下相机的单位光照响应B_λ。其中，从400-500nm，选取B通道内的数据；从500nm到630nm，选取G通道内的数据，而630nm以上则选取R通道内的数据。

完成上述辐射度标定后，可以用该高光谱系统测量待测对象的绝对可见光光谱数据（也可以只获取未矫正的相对高光谱数据，只需要去掉最后一步），具体如下：

1、搭建拍摄环境，启动设备和计算机软件。

2、打开光源，在FPI可移动范围内，调节镜面间距逐帧依次拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据。

3、将获得的新数据根据对应的RGB通道过滤次级峰的原则，按照设计的间距-波长-通道三者的标定关系得到与该波长相对应的单通道下的响应图像，即400-500nm波长和630-780nm波长对应600nm-780nm的FPI调制间距，并分别选取B通道和R通道内的数据，而500nm-630nm波段则对应500nm-630nm的FPI调制间距，且选取G通道内的数据。然后针对单通道进行拜尔阵列插值后得到对应该波长下的图像数据。

4、对每一个间距-波长重复上一步骤，最终获得与可见光波长一一对应的连续的高光谱图像输出，记为A_λ。

5、A_λ/B_λ即得到对应的辐射度校正后的连续可见光波段高光谱数据（如不做第5步，则只获取未通过辐射度矫正的可见光的相对高光谱数据）

继续参考图17，图17示出了根据本发明的一个实施例的连续可调的高光谱成像系统框架图，如图17所示，该系统包括原始数据获取模块601、连续高光谱成像模块602、辐射度标定模块603和绝对可见光光谱成像模块604，其中，原始数据获取模块601配置用于调节FPI滤光组件的FPI镜面间距进行逐帧拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据；连续高光谱成像模块602配置用于对不同的镜面间距对应的波长，从raw数据中选择对应的RGB通道，获取与波长对应的单通道响应图像以过滤raw数据中波段内的次级峰，并对单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获取与可见光波长对应的连续高光谱图像；辐射度标定模块603配置用于预先对高光谱成像系统进行辐射度标定，获得高光谱成像系统在不同波长下的单位光照响应；绝对可见光光谱成像模块604配置用于利用单位光照响应获取连续高光谱图像相对的绝对可见光光谱数据，绝对可见光光谱数据为连续高光谱图像与单位光照响应之比。

上述的连续可调的高光谱成像方法和系统相较于现有的高光谱成像技术，具有如下优点：可实现不重复地连续地涵盖最大部分的可见光光谱范围；对FPI腔体的调制距离要求不苛刻，只需实现480nm以上的距离；可以无需通过后期的多元方程求解矩阵的计算来获得单峰波长的值，将整体计算量大大缩小，加快高光谱图像获取时间；既不需要每次只拍摄一个波峰，也无需每次拍摄两个以上波长的采集数据，保持在1到2个峰值波长即可获得连续的可见光波段中的每一个波长的对应的像元；在大部分的FPI间距下都是同时输出两个中心波长，因此可以大大节约高光谱拍摄时间；对起始FPI的间距要求不高，不用小于500nm的间隔；可预测所用传感器过滤次级峰的效果，挑选过滤效果良好的RGB传感器，判断出适合运用的具体的场景。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式或对具体实施方式的说明，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (16)

1.一种连续可调的高光谱成像方法，利用包括镜头、传感器以及所述镜头和所述传感器之间的FPI滤光组件的高光谱成像系统，其特征在于，包括以下步骤：

S1：调节所述FPI滤光组件的FPI镜面间距进行逐帧拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据，并建立所述FPI镜面间距、RGB通道和多个不同波段范围之间的对应关系，其中，部分所述FPI镜面间距对应一个峰值波长，部分所述FPI镜面间距对应两个峰值波长，不同的所述峰值波长对应不同的所述RGB通道，所述多个不同波段范围涵盖390-780nm的可见光区域；

S2：对不同的镜面间距对应的波长根据所述FPI镜面间距、RGB通道和多个不同波段范围之间的对应关系，从所述raw数据中选择对应的RGB通道，获取与所述波长对应的单通道响应图像以过滤所述raw数据中波段内的次级峰，并对所述单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获取与可见光波长对应的连续高光谱图像。

2.根据权利要求1所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，所述传感器为拜尔滤光片阵列的图像传感器。

3.根据权利要求1所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，所述RGB通道中R和B通道的波段与G通道的波段不存在重合部分。

4.根据权利要求1所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，所述RGB通道中各通道的滤光片具有单一的主波峰。

5.根据权利要求1所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，获取所述raw数据之前还包括：利用可见光带通滤光片过滤一定波长范围内的紫外和红外能量。

6.根据权利要求1所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，所述FPI镜面间距不小于500nm。

7.根据权利要求1所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，所述方法还包括：S3：预先对所述高光谱成像系统进行辐射度标定，获得所述高光谱成像系统在不同波长下的单位光照响应，利用所述单位光照响应获取所述连续高光谱图像相对的绝对可见光光谱数据。

8.根据权利要求7所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，所述绝对可见光光谱数据为所述连续高光谱图像与所述单位光照响应之比。

9.根据权利要求7所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，所述辐射度标定包括：

S31：在无入射光的黑暗环境下拍摄黑帧数据，调节所述FPI镜面间距获得高光谱黑帧数据；

S32：打开光源利用单色仪调节不同波长，连续拍摄获得不同所述FPI镜面间距下的待标定raw数据；

S33：在不同的镜面间距对应的波长中，利用所述RGB通道中与所述波长对应的单通道获取所述待标定raw数据与所述高光谱黑帧数据的差值数据中所述波长对应的待标定单通道响应图像；

S34：对所述待标定单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获得对应波长下的响应数据，根据对应的光功率获取单位光照响应，所述单位光照响应为所述响应数据与光功率的比值。

10.根据权利要求9所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，步骤S31中，利用积分球使进入所述高光谱成像系统的光束在所述高光谱成像系统的视场角内均匀分布。

11.根据权利要求1或7所述的连续可调的高光谱成像方法，其特征在于，所述拜尔阵列插值采用邻域内插或双线性内插。

12.一种连续可调的高光谱成像系统，包括镜头、传感器以及所述镜头和所述传感器之间的FPI滤光组件，其特征在于，还包括：

原始数据获取模块：配置用于调节所述FPI滤光组件的FPI镜面间距进行逐帧拍摄，获得每一帧黑电平校正后的raw数据，并建立所述FPI镜面间距、RGB通道和多个不同波段范围之间的对应关系，其中，部分所述FPI镜面间距对应一个峰值波长，部分所述FPI镜面间距对应两个峰值波长，不同的所述峰值波长对应不同的所述RGB通道，所述多个不同波段范围涵盖390-780nm的可见光区域；

连续高光谱成像模块：配置用于对不同的镜面间距对应的波长根据所述FPI镜面间距、RGB通道和多个不同波段范围之间的对应关系，从所述raw数据中选择对应的RGB通道，获取与所述波长对应的单通道响应图像以过滤所述raw数据中波段内的次级峰，并对所述单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获取与可见光波长对应的连续高光谱图像。

13.根据权利要求12所述的连续可调的高光谱成像系统，其特征在于，所述传感器为拜尔滤光片阵列的图像传感器，所述RGB通道中R和B通道的波段与G通道的波段不存在重合部分，所述RGB通道中各通道的滤光片具有单一的主波峰。

14.根据权利要求12所述的连续可调的高光谱成像系统，其特征在于，还包括：

辐射度标定模块：配置用于预先对所述高光谱成像系统进行辐射度标定，获得所述高光谱成像系统在不同波长下的单位光照响应；

绝对可见光光谱成像模块：配置用于利用所述单位光照响应获取所述连续高光谱图像相对的绝对可见光光谱数据，所述绝对可见光光谱数据为所述连续高光谱图像与所述单位光照响应之比。

15.根据权利要求14所述的连续可调的高光谱成像系统，其特征在于，还包括积分球、辐射度计和单色仪，所述单色仪与光源连接，所述积分球与单色仪连接用于使得进入所述高光谱成像系统的光束在所述高光谱成像系统的视场角内均匀分布，所述辐射度计设置于所述积分球上用于量测光功率。

16.根据权利要求15所述的连续可调的高光谱成像系统，其特征在于，辐射度标定模块具体配置用于：

在无入射光的黑暗环境下拍摄黑帧数据，调节所述FPI镜面间距获得高光谱黑帧数据；

打开光源利用单色仪调节不同波长，连续拍摄获得不同所述FPI镜面间距下的待标定raw数据；

在不同的镜面间距对应的波长中，利用所述RGB通道中与所述波长对应的单通道获取所述待标定raw数据与所述高光谱黑帧数据的差值数据中所述波长对应的待标定单通道响应图像；

对所述待标定单通道响应图像进行拜尔阵列插值后获得对应波长下的响应数据，根据对应的光功率获取单位光照响应，所述单位光照响应为所述响应数据与光功率的比值。

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