CN114323278A - 一种灵巧型多光谱成像设备 - Google Patents
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Abstract
本申请公开了灵巧型多光谱成像设备,包括多带通窄带滤片和矩阵式镀膜滤片,矩阵式镀膜滤片包括多个矩阵式镀膜宽带滤片,每个矩阵式镀膜宽带滤片包括多个镀膜宽带滤片,每个矩阵式镀膜宽带滤片中的多个镀膜宽带滤片与超级像元中的多个像素分别对齐,超级像元中像素数量与矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片数量相等;每个矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,且各个所述镀膜宽带滤片的带通区域之间不存在重叠,多带通窄带滤片的中心波长和带宽位于每个矩阵式镀膜宽带滤片的带通区域内,多带通窄带滤片的通道数与矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片波长个数相等。该设备可提升光谱纯度,灵活调节光谱维和空间维。
Description
技术领域
本申请涉及多光谱成像领域,特别是涉及一种灵巧型多光谱成像设备。
背景技术
多光谱成像技术对于信息获取具有重要意义,广泛应用于军事测绘、气相探测、地质、农林、环境监测等领域。
目前的镀膜型马赛克滤光片型多光谱成像设备,是在不同的像素上分别镀不同波段的滤片膜实现多光谱成像,为了实现精准的像素对齐,滤片膜覆盖在图像传感器的表面,滤片膜难灵活拆解替换,缺乏灵活性,还有一种低成本方案是利用RGB图像传感器自身的bayer滤片和多带通光学滤片组合使用的多光谱成像设备。第一种多光谱成像设备是相邻像素对应的光谱仍然存在一定的重叠;第二种多光谱成像设备采用多带通光学滤片和商用RGB图像传感器同时捕获对应多个窄带光谱图像,由于RGB图像传感器的量子曲线存在波长上的重叠,获取的光谱中即存在一定的光谱混叠,导致提取光谱能量精度会降低,并且当提取的光谱信息超过3个后,光谱解算和提纯的难度高。
因此,如何解决上述技术问题应是本领域技术人员重点关注的。
发明内容
本申请的目的是提供一种灵巧型多光谱成像设备,以提升光谱纯度,实现光谱维和空间维的灵活调节,提升灵巧型多光谱成像设备的灵活性。
为解决上述技术问题,本申请提供一种灵巧型多光谱成像设备,包括:
设于镜头和图像传感器之间的多带通窄带滤片;
设于所述图像传感器上表面的矩阵式镀膜滤片,所述矩阵式镀膜滤片包括多个矩阵式镀膜宽带滤片,每个所述矩阵式镀膜宽带滤片包括多个镀膜宽带滤片,每个所述矩阵式镀膜宽带滤片中的多个所述镀膜宽带滤片与超级像元中的多个像素分别对齐,所述超级像元中所述像素的数量与所述矩阵式镀膜宽带滤片中所述镀膜宽带滤片的数量相等;
每个所述矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,且各个所述镀膜宽带滤片的带通区域之间不存在重叠,所述多带通窄带滤片的中心波长和带宽位于每个所述矩阵式镀膜宽带滤片的所述带通区域内,且多带通窄带滤片的通道数与所述矩阵式镀膜宽带滤片中所述镀膜宽带滤片波长个数相等。
可选的,所述图像传感器为CMOS图像传感器。
可选的,所述CMOS图像传感器为全局快门CMOS图像传感器。
可选的,还包括:
与所述图像传感器连接的处理器,用于提取像素级的光谱能量信息、图像重构、植被指数计算和分级颜色渲染。
可选的,所述处理器为FPGA、GPU或SOC。
可选的,还包括:
与所述处理器连接的存储器,用于存储多光谱图像。
可选的,还包括:
与所述处理器连接的视频编码器,用于伪彩色指数图像序列的视频编码。
可选的,还包括:
与所述视频编码器连接的传输接口。
可选的,所述传输接口为HDMI接口。
可选的,所述传输接口为Ethernet接口。
本申请所提供的一种灵巧型多光谱成像设备,包括:设于镜头和图像传感器之间的多带通窄带滤片;设于所述图像传感器上表面的矩阵式镀膜滤片,所述矩阵式镀膜滤片包括多个矩阵式镀膜宽带滤片,每个所述矩阵式镀膜宽带滤片包括多个镀膜宽带滤片,每个所述矩阵式镀膜宽带滤片中的多个所述镀膜宽带滤片与超级像元中的多个像素分别对齐,所述超级像元中所述像素的数量与所述矩阵式镀膜宽带滤片中所述镀膜宽带滤片的数量相等;每个所述矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,且各个所述镀膜宽带滤片的带通区域之间不存在重叠,所述多带通窄带滤片的中心波长和带宽位于每个所述矩阵式镀膜宽带滤片的所述带通区域内,且多带通窄带滤片的通道数与所述矩阵式镀膜宽带滤片中所述镀膜宽带滤片波长个数相等。
可见,本申请中的灵巧型多光谱成像设备设有多带通窄带滤片和矩阵式镀膜滤片,矩阵式镀膜滤片包括多个矩阵式镀膜宽带滤片,每个矩阵式镀膜宽带滤片包括多个镀膜宽带滤片,每个矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,且各个镀膜宽带滤片的带通区域之间没有重叠,进而避免由于光谱混叠导致的后期解算去耦问题;每个矩阵式镀膜宽带滤片中的多个镀膜宽带滤片与超级像元中的多个像素分别对齐,可以通过控制超级像元大小实现光谱成像的空间维调整;多带通窄带滤片的中心波长和带宽位于每个矩阵式镀膜宽带滤片的带通区域内,且多带通窄带滤片的通道数与矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片波长个数相等,可以实现高峰值透过率和绝佳的截止,能够获得特定波长的高纯度光谱能量,即提升光谱纯度,并且每个中心波长可以在带通区域内移动从而实现灵活选通,实现光谱维的灵活调节,提升灵巧型多光谱成像设备的灵活性。
附图说明
为了更清楚的说明本申请实施例或现有技术的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为现有技术中镀膜型马赛克滤光片型灵巧型多光谱成像设备中相邻像素对应的光谱透过率曲线图;
图2为本申请实施例所提供的一种灵巧型多光谱成像设备的结构示意图;
图3为本申请实施例所提供的每个矩阵式镀膜宽带滤片中相邻镀膜宽带滤片的透过率曲线;
图4为本申请实施例中4阶矩阵式镀膜宽带滤片中相邻镀膜宽带滤片的透过率曲线;
图5为本申请实施例中多带通窄带滤片的中心波长与矩阵式镀膜宽带滤片的带通区域的关系示意图;
图6为本申请实施例中四通道窄带滤片的透过率曲线。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案,下面结合附图和具体实施方式对本申请作进一步的详细说明。显然,所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本申请保护的范围。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明,但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施,本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广,因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
正如背景技术部分所述,目前的两种多光谱成像设备,一种将滤片膜覆盖在图像传感器的表面,滤片膜难灵活拆解替换,缺乏灵活性,而且相邻像素对应的光谱仍然存在一定的重叠,如图1所示,其中横坐标为波长,纵坐标为透过率;另一种基于带有bayer滤片的RGB图像传感器采用多带通光学滤片同时捕获对应多个光谱带通的图像,获取的光谱中存在一定的光谱混叠,导致提取光谱能量精度会降低,并且当提取的光谱信息超过3个后,光谱解算和提纯的难度高。
有鉴于此,本申请提供了一种灵巧型多光谱成像设备,请参考图2,包括:
设于镜头4和图像传感器3之间的多带通窄带滤片1;
设于所述图像传感器3上表面的矩阵式镀膜滤片,所述矩阵式镀膜滤片包括多个矩阵式镀膜宽带滤片,每个所述矩阵式镀膜宽带滤片包括多个镀膜宽带滤片2,每个所述矩阵式镀膜宽带滤片中的多个所述镀膜宽带滤片2与超级像元中的多个像素31分别对齐,所述超级像元中所述像素31的数量与所述矩阵式镀膜宽带滤片中所述镀膜宽带滤片2的数量相等;
每个所述矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片2的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,且各个所述镀膜宽带滤片2的带通区域之间不存在重叠,所述多带通窄带滤片1的中心波长和带宽位于每个所述矩阵式镀膜宽带滤片的所述带通区域内,且多带通窄带滤片1的通道数与所述矩阵式镀膜宽带滤片中所述镀膜宽带滤片2波长个数相等。
将m×m分辨率的图像传感器3的像素31进行重新定义划分,划分为多个超级像元,超级像元中的多个像素31以α×α(α=2,3,…)的形式排布,则矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片2的数量也为α×α,也即矩阵式镀膜宽带滤片为n阶(n=α×α)的矩阵式镀膜宽带滤片。每个矩阵式镀膜宽带滤片中的多个镀膜宽带滤片2与超级像元中的多个像素31分别对齐,即,一个镀膜宽带滤片2对应覆盖一个像素31。
镀膜宽带滤片2的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,其中,预设阈值可以为100nm。本申请中对透过率曲线的带通形状不做限定,只要满足镀膜宽带滤片2的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,且各个镀膜宽带滤片2的带通区域之间不存在重叠即可。例如,透过率曲线的带通形状为矩形,如图3所示,其中,纵坐标为透过率,横坐标为镀膜宽带滤片2的带通区域,相邻镀膜宽带滤片2的带通区域之间的间隔为△,相邻带通区域内的透过率曲线之间没有或者仅有较小的重叠,也可为其他形状,例如,圆角矩形,或者剪去直角的矩形等类似矩形的形状。
例如,当将400nm~900nm的VNIR波段划分4个带通区域,分别镀膜映射到超级像元的每1/4区域(即每个像素31)上,并以该映射规律遍历到图像传感器3所有感光区域,矩阵式镀膜宽带滤片为4阶矩阵式镀膜宽带滤片,此时每个矩阵式镀膜宽带滤片中相邻镀膜宽带滤片2的透过率曲线如图4所示。
矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片2波长个数即为矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片2的数量n(n=α×α),多带通窄带滤片1的通道数也为n;也即每一个像元响应一个波段。
多带通窄带滤片1的中心波长和带宽位于每个矩阵式镀膜宽带滤片的带通区域内,可滤除其他光谱波段的能量,实现光谱的精准分选。例如,将VNIR的光谱波段均分为n个带通区域Λ1、Λ2、……、Λn,多带通窄带滤片1的通道数为n,多带通窄带滤片1中心波长分别为λ1、λ2、……,λn,则每个带通的中心波长和带宽分别在带通区域Λ1、Λ2、……、Λn内,如图5所示,其中横坐标为中心波长,纵坐标为透过率。四通道带通窄带滤片透过率曲线如图6所示,其中横坐标为波长,纵坐标为透过率。
同时可以结合图像传感器3的量子效率曲线,调整控制不同带通区域的透过率和带宽,使得图像传感器3各像素31的感光能量响应尽可能一致,便于实现全靶面的曝光均值统计。
灵巧型多光谱成像设备可以分为第一组件11和第二组件12,第一组件11中除了多带通窄带滤片1,还包括镜头4、第一卡口触点、与第一卡口触点连接的触点编码电路5,第二组件12除了包括矩阵式镀膜滤片,还包括图像传感器3、第二卡口触点、与第二卡口触点连接的触点译码电路6,其中,第一卡口触点和第二卡口触点接触。
目标物的连续光谱能量通过镜头4进入多带通窄带滤片1,对应离散带通谱段的能量被衰减透过,其他谱段能量被截止,实现光谱维筛选。当更换第一组件11,也即更换多带通窄带滤片1时,触点编码电路5对不同类型的多带通窄带滤片1进行编码,触点译码电路6根据匹配的第一组件11的类型进行译码处理,并通过处理器7自动识别出超级像元中各矩阵像素31对应的特征波长,有益于后端的图像重构和边缘计算。基于这种单个镜头4、单个图像传感器3的方式即可实现灵活、小巧的多光谱成像。对应离散带通谱段的能量通过矩阵式矩形镀膜滤片2进一步透过衰减,图像传感器3超级像元内像素31对应像元级的镀膜宽带滤片2,实现空间维分选。
需要说明的是,本申请中对图像传感器3的类型不做限定,可自行设置。例如,可以为CCD(charge coupled device,电荷耦合器件)图像传感器,或者,所述图像传感器3为CMOS(complementary metal-oxide-semiconductor,互补金属氧化物半导体)图像传感器。
进一步的,当图像传感器3为CMOS图像传感器3时,所述CMOS图像传感器为全局快门CMOS图像传感器,一方面拥有较大的像元尺寸以确保感光量,另一方面能够保证超级像元的所有像素31同步曝光,即可以保证所有光谱通道在时间维度上的时刻统一。
可选的,在本申请的一个实施例中,灵巧型多光谱成像设备还包括:与所述图像传感器3连接的处理器,用于提取像素31级的光谱能量信息、图像重构、植被指数(例如NDVI、NDRE等)计算和分级颜色渲染。
所述处理器7包括但不限于FPGA(Field-Programmable Gate Array,即现场可编程门阵列)、GPU(Graphics Processing Unit,图形处理器)或SOC(System-on-a-Chip,系统级芯片)。
进一步的,灵巧型多光谱成像设备还可以包括:与所述处理器7连接的存储器8,用于存储多光谱图像。
在本申请的一个实施例中,灵巧型多光谱成像设备还可以包括:与所述处理器7连接的视频编码器9,用于伪彩色指数图像序列的视频编码。
进一步的,还可以包括:与所述视频编码器9连接的传输接口10,用于将视频编码器9中的视频编码传输至其他设备中。
本申请中对传输接口10的类型不做限定,视情况而定。例如,所述传输接口10为HDMI接口(High Definition Multimedia Interface,高清晰度多媒体接口),或者所述传输接口10为Ethernet(以太网)接口。
本申请中的灵巧型多光谱成像设备设有多带通窄带滤片1和矩阵式镀膜滤片,矩阵式镀膜滤片包括多个矩阵式镀膜宽带滤片,每个矩阵式镀膜宽带滤片包括多个镀膜宽带滤片2,每个矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,且各个镀膜宽带滤片2的带通区域之间没有重叠,避免光谱重叠,进而避免由于光谱混叠导致的后期解算去耦问题;每个矩阵式镀膜宽带滤片中的多个镀膜宽带滤片2与超级像元中的多个像素31分别对齐,可以通过控制超级像元大小实现光谱成像的空间维调整;多带通窄带滤片1的中心波长和带宽位于每个矩阵式镀膜宽带滤片的带通区域内,且多带通窄带滤片1的通道数与矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片2波长个数相等,可以实现高峰值透过率和绝佳的截止,能够获得特定波长的高纯度光谱能量,即提升光谱纯度,并且每个中心波长可以在带通区域内移动从而实现灵活选通,实现光谱维的灵活调节,提升灵巧型多光谱成像设备的灵活性。通过光谱辐射的重定标,便可以实现高精度的光谱辐射测量。另外,在图像传感器3上覆盖镀膜宽带滤片2的工艺简单,从而简化灵巧型多光谱成像设备的制作工艺。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述,每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处,各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言,由于其与实施例公开的方法相对应,所以描述的比较简单,相关之处参见方法部分说明即可。
以上对本申请所提供的灵巧型多光谱成像设备进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述,以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本申请原理的前提下,还可以对本申请进行若干改进和修饰,这些改进和修饰也落入本申请权利要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,包括:
设于镜头和图像传感器之间的多带通窄带滤片;
设于所述图像传感器上表面的矩阵式镀膜滤片,所述矩阵式镀膜滤片包括多个矩阵式镀膜宽带滤片,每个所述矩阵式镀膜宽带滤片包括多个镀膜宽带滤片,每个所述矩阵式镀膜宽带滤片中的多个所述镀膜宽带滤片与超级像元中的多个像素分别对齐,所述超级像元中所述像素的数量与所述矩阵式镀膜宽带滤片中所述镀膜宽带滤片的数量相等;
每个所述矩阵式镀膜宽带滤片中镀膜宽带滤片的透过率曲线半波峰带宽不小于预设阈值,且各个所述镀膜宽带滤片的带通区域之间不存在重叠,所述多带通窄带滤片的中心波长和带宽位于每个所述矩阵式镀膜宽带滤片的所述带通区域内,且多带通窄带滤片的通道数与所述矩阵式镀膜宽带滤片中所述镀膜宽带滤片波长个数相等。
2.如权利要求1所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,所述图像传感器为CMOS图像传感器。
3.如权利要求2所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,所述CMOS图像传感器为全局快门CMOS图像传感器。
4.如权利要求1所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,还包括:
与所述图像传感器连接的处理器,用于提取像素级的光谱能量信息、图像重构、植被指数计算和分级颜色渲染。
5.如权利要求4所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,所述处理器为FPGA、GPU或SOC。
6.如权利要求4所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,还包括:
与所述处理器连接的存储器,用于存储多光谱图像。
7.如权利要求4所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,还包括:
与所述处理器连接的视频编码器,用于伪彩色指数图像序列的视频编码。
8.如权利要求7所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,还包括:
与所述视频编码器连接的传输接口。
9.如权利要求8所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,所述传输接口为HDMI接口。
10.如权利要求8所述的灵巧型多光谱成像设备,其特征在于,所述传输接口为Ethernet接口。
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CN202111594334.2A CN114323278A (zh) | 2021-12-23 | 2021-12-23 | 一种灵巧型多光谱成像设备 |
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