CN114397015A - 一种基于动相机的高光谱成像系统及成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光谱成像技术领域，提供一种基于动相机的高光谱成像系统及成像方法，所述成像系统包括运动元件、探测元件、色散元件以及光路元件；所述运动元件与所述探测元件连接，所述运动元件驱动所述探测元件进行运动；所述色散元件封装于所述探测元件的靶面上，位于所述探测元件与所述光路元件之间；所述运动元件驱动所述探测元件与待测目标相对运动，所述光路元件采集含有所述待测目标的原始图像，通过图像切割和图像拼接获得所述待测目标的高光谱图像。本发明的高光谱成像系统及方法仅通过移动探测元件即可以获得固定视场内的高光谱图像，结构紧凑，体积小，成本低。

Description

一种基于动相机的高光谱成像系统及成像方法
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，特别涉及一种基于动相机的高光谱成像系统及成像方法。
背景技术
相对于传统的RGB成像技术，光谱成像技术最大的优势是增加了光谱维度。高光谱图像的光谱信息丰富、光谱分辨率高，同时包含待测目标的光谱和空间信息，可以实现目标的精细识别。但传统的基于棱镜、光栅的分光方式成像结构复杂，成本较高。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种基于动相机的高光谱成像系统及成像方法。
为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：
提供一种基于动相机的高光谱成像系统，所述成像系统包括运动元件、探测元件、色散元件以及光路元件；
所述色散元件封装于所述探测元件的靶面上，所述色散元件位于所述探测元件与所述光路元件之间；
所述运动元件与所述探测元件连接，所述运动元件驱动所述探测元件进行运动；
所述运动元件驱动所述探测元件与待测目标相对运动，所述光路元件采集含有所述待测目标的原始图像，通过图像切割和图像拼接获得所述待测目标的高光谱图像。
优选的，所述色散元件为波长渐变滤光片。
优选的，所述运动元件驱动所述探测元件运动扫过待测目标，所述的探测元件运动方向平行于所述波长渐变滤光片的波长渐变方向。
优选的，所述光路元件的光轴垂直于所述探测元件和所述波长渐变滤光片。
优选的，所述波长渐变滤光片的波长渐变方向平行或者垂直于所述探测元件的像元的行。
优选的，所述波长渐变滤光片的表面平行于所述光路元件的焦平面。
优选的，所述探测元件为可以获取图像的传感器。
优选的，所述光路元件包括但不限于镜头、显微镜。
本发明还提供一种高光谱成像方法，所述高光谱成像方法包括步骤：
S1、所述光路元件出射的光经过所述色散元件，成像于所述探测元件的靶面，在所述色散元件的波长渐变方向上，所述探测元件的不同像元阵列获得不同的光谱图像；
S2、所述运动元件驱动所述探测元件运动扫过待测目标时，获得一组待测目标的原始图像；
在所述原始图像的非波长渐变方向上，所述探测元件同一行的像元获得相同谱段的光谱图像；在所述原始图像的波长渐变方向上，所述探测元件同一列的像元获得不同谱段的光谱图像；或者，
在所述原始图像的非波长渐变方向上，所述探测元件同一列的像元获得相同谱段的光谱图像；在所述原始图像的波长渐变方向上，所述探测元件同一行的像元获得不同谱段的光谱图像；
S3、所述探测元件运动扫过待测目标后，通过图像切割拼接获得固定视场下待测目标不同谱段的光谱图像。
本发明所提供的高光谱成像系统仅通过移动探测元件即可以获得固定视场内的高光谱图像，结构紧凑，体积小，成本低。
附图说明
图1是本发明一种实施例中高光谱成像系统的结构示意图。
图2是本发明一种实施例中高光谱成像系统的流程示意图。
图3是本发明一种实施例中高光谱成像系统中图像切割拼接方法流程图。
附图标记：1、运动元件；2、探测元件；3、色散元件；4、光路元件；5、待测目标。
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，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
如图1所示，为本发明一种实施例中实施例中基于动相机的高光谱成像系统的结构示意图。
在该具体实施例中，所述成像系统包括运动元件1、探测元件2、色散元件3以及光路元件4；所述运动元件1与所述探测元件2连接，所述运动元件1驱动所述探测元件2进行运动；所述色散元件3封装于所述探测元件2的靶面上，位于所述探测元件2与所述光路元件4之间；所述运动元件1驱动所述探测元件2与待测目标5相对运动，所述光路元件4采集含有所述待测目标5的原始图像，通过图像切割和图像拼接获得所述待测目标5的高光谱图像。
具体实施方式中，所述色散元件为波长渐变滤光片3，波长渐变滤光片3位于探测元件2和光路元件4之间；所述探测元件2用于接收经过波长渐变滤光片3分光的光谱的谱带能量，具体为可以获取图像的传感器，如CMOS等；波长渐变滤光片3的非波长渐变方向的长度需大于或者等于探测元件2在该方向上的长度，波长渐变滤光片3的波长渐变方向的长度可以小于探测元件2在该方向上的长度。波长渐变滤光片3的波长渐变方向平行或者垂直于所述探测元件2的像元的行或者列。波长渐变滤光片3的表面平行于所述光路元件4的焦平面。
光路元件4可以为镜头、显微镜或者相机等中的任意一种，只要是可以对待测目标5成像的光学系统即可。运动元件1驱动探测元件2在第一方向运动，运动时，探测元件2和波长渐变滤光片3相对静止，第一运动方向为从待测目标5的第一侧至第二侧的方向，第一运动方向平行于波长渐变滤光片3的波长渐变方向。光路元件4的光轴垂直于探测元件2和波长渐变滤光片3。
运动元件1具体是指与探测元件2相对独立的外部运动装置，可以为电控移动平台或电控转台等；运动元件1可以单向运动，实现待测目标5的单次采集；也可以沿运动方向做往复移动，连续采集待测目标5不同时间段的高光谱图像。
如图2所示，本发明还提供一种高光谱成像方法，所述高光谱成像方法包括步骤：
S1、所述光路元件出射的光经过所述色散元件，成像于所述探测元件的靶面，在所述色散元件的波长渐变方向上，所述探测元件的不同像元阵列获得不同的光谱图像；
S2、所述运动元件驱动所述探测元件在第一方向运动时，获得一组待测目标的原始图像；
在所述原始图像的非波长渐变方向上，所述探测元件同一行的像元获得相同谱段的光谱图像；在所述原始图像的波长渐变方向上，所述探测元件同一列的像元获得不同谱段的光谱图像；或者，
在所述原始图像的非波长渐变方向上，所述探测元件同一列的像元获得相同谱段的光谱图像；在所述原始图像的波长渐变方向上，所述探测元件同一行的像元获得不同谱段的光谱图像所述第一方向为从所述待测目标的第一侧至第二侧的方向；
所述第一方向为从所述待测目标的第一侧至第二侧的方向；
S3、所述探测元件从所述第一侧移动至所述第二侧后，所述探测元件获得固定视场下不同谱段的待测目标的光谱图像，从而获得待测目标的高光谱图像。
本发明所提供的高光谱成像系统及方法仅通过移动探测元件即可以获得固定视场内的高光谱图像，结构紧凑，体积小，成本低。
具体实施方式中，本发明所提供的高光谱成像方法包括步骤：
S11，将波长渐变滤光片3封装在探测元件2的靶面上方，注意封装时需保证探测元件2的靶面平面平行于波长渐变滤光片3的各级波长平面，同时，波长渐变滤光片3的波长渐变方向和探测元件2的像元的行的方向平行，波长渐变滤光片3的非波长渐变方向和探测元件2的列的方向平行；或者，波长渐变滤光片3的波长渐变方向和探测元件2的像元的列的方向平行，波长渐变滤光片3的非波长渐变方向和探测元件2的行的方向平行；波长渐变滤光片3紧贴在探测器元件2的靶面上，距离达到微米级，且和探测器元件2之间实现像元级的对准。
S22，确定波长渐变滤光片3在波长渐变方向上不同位置处的光谱，即封装完波长渐变滤光片3后，探测元件2在波长渐变方向上不同列(或者行)对应的光谱。具体方法为：将不同波长的单色光垂直入射到探测元件2的靶面，将对应的单色光波长标定为测量光斑照亮位置中心处对应列(或行)的光谱。
S33，运动元件1驱动封装后的探测元件2沿波长渐变滤光片3的波长渐变方向运动，每次运动时，运动元件1先驱动探测元件2运动到初始位置，其中，初始位置是指探测元件2中第一谱段还未扫过待测目标5的左边缘。
S44，计算运动元件1驱动探测元件2运动的运动速度。探测元件2运动时的运动速度需和波长渐变滤光片3的标定结果以及采集的帧频相匹配。假设理想状态下运动元件1驱动探测元件2的运动速度为v，波长渐变滤光片3的每段光谱占据的几何宽度(即单个谱段的几何宽度)为d，探测元件2采集的帧频为fps，其关系应为：
d＝v×(1/fps)
即v＝d×fps。
S55，根据S44中计算的运动速度，通过运动元件1驱动探测元件2从待测目标5的左边缘运动到待测目标5的右边缘，直至波长渐变滤光片3的最后一个谱段扫描过待测目标5的右边缘，这样探测元件2就采集到了包含待测目标5的一组原始图像。
S66，图像切割与图像拼接。在探测元件2和波长渐变滤光片3运动的过程中，对于探测元件2在波长渐变滤光片3的波长渐变方向上的单列(即单个光谱通道)，不同时刻或者不同位置采集的单谱段图像不同，切割出单谱段采集的待测目标5固定视野的图像后进行图像拼接，即可得到待测目标5的单谱段光谱图像。
需要说明的是，图像切割、拼接时，可以使用每张原图中单谱段的全部列(或者行)，也可以使用单谱段的部分列(或者行)。拼图时不使用每张原图上单谱段的全部列(或者行)时，拼成一组待测目标5的高光谱图像所需的原图的数量需要相应的增加。以每次切图、拼图取单个谱段的中间一般的列为例，如图3所示，其具体图像切割拼接方法如下：
每次切图、拼图取单谱段的中间一半的列时，获取一组高光谱图像至少需要采集3n-1张原始图像，其中n为波长渐变滤光片包含的光谱通道的个数。
第1张原图中切割出第1个谱段位置处对应的中心条带λ11，对应拼接好的光谱图像的第1个谱段的第1条；
在第2张原图中切割出第1个谱段位置处对应的中心条带λ21，对应拼接好的光谱图像的第1个谱的第2条；在第2张原图中切割出第2个谱段位置处对应的中心条带λ22，对应拼接好的光谱图像的第2个谱的第1条；
在第3张原图中切割出第1个谱段位置处对应的中心条带λ31，对应拼接好的光谱图像的第1个谱的第3条；在第3张原图中切割出第2个谱段位置处对应的中心条带λ32，对应拼接好的光谱图像的第2个谱的第2条；在第3张原图中切割出第3个谱段位置处对应的中心条带λ33，对应拼接好的光谱图像的第3个谱的第1条；
一张原图由n个谱段的n个条带组成，而每个谱段的中心条带的宽度是该谱段条带总宽度的一半，因此拼成原图相同尺寸的图共需要2n张原图，其中，n个取值范围为大于1的所有整数。
以此类推，在第2n张原图中切割出第1个谱段位置处对应的中心条带λ2n 1，对应拼接好的光谱图像的第1个谱的第2n条；在第2n张原图中切割出第2个谱段位置处对应的中心条带λ2n 2，对应拼接好的光谱图像的第2个谱的第2n-1条；在第2n张原图中切割出第n个谱段位置处对应的中心条带λ2n n，对应拼接好的光谱图像的第n个谱的第n+1条；
在第2n+1张原图中切割出第2个谱段位置处对应的中心条带λ2n+1 2，对应拼接好的光谱图像的第2个谱的第2n条；在第2n+1张原图中切割出第3个谱段位置处对应的中心条带λ2n+1 3，对应拼接好的光谱图像的第3个谱的第2n-1条；在第2n+1张原图中切割出第n个谱段位置处对应的条带λ2n+1n，对应拼接好的光谱图像的第n个谱的第n+2条；
以此类推，最终得到波长渐变滤光片第1个谱段的2n个条带，将第1个谱段的2n个条带按照先后顺序从右向左依次拼接，即得到待测目标5的第1个谱段的光谱图像；依次类推，可得到待测目标5各个谱段的光谱图像，即待测目标5的高光谱图像。
S77，连续采集待测目标5的高光谱图像。运动元件1驱动探测元件2往复运动，即可连续采集不同时间段下待测目标5的高光谱图像。需要注意的是，探测元件2沿初始运动方向的反方向进行运动时，拼图的方向也需要反向，即将各谱的n个条带按先后顺序从左向右依次拼接。
本发明将波长渐变滤光片3封装在探测元件2的靶面上，通过移动探测元件2能够获得待测目标5的高光谱图像。与现有的基于光栅分光的高光谱成像方法相比，本发明的成像方法成像结构简单，成本更低。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种基于动相机的高光谱成像系统，特征在于，所述成像系统包括运动元件、探测元件、色散元件以及光路元件；
所述色散元件封装于所述探测元件的靶面上，所述色散元件位于所述探测元件与所述光路元件之间；
所述运动元件与所述探测元件连接，所述运动元件驱动所述探测元件进行运动；
所述运动元件驱动所述探测元件与待测目标相对运动，所述光路元件采集含有所述待测目标的原始图像，通过图像切割和图像拼接获得所述待测目标的高光谱图像。
2.如权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述色散元件为波长渐变滤光片。
3.如权利要求2所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述运动元件驱动所述探测元件在第一方向运动，所述第一运动方向平行于所述波长渐变滤光片的波长渐变方向。
4.如权利要求2所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述光路元件的光轴垂直于所述探测元件和所述波长渐变滤光片。
5.如权利要求2所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述波长渐变滤光片的波长渐变方向平行或者垂直于所述探测元件的像元的行。
6.如权利要求2所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述波长渐变滤光片的表面平行于所述光路元件的焦平面。
7.如权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述探测元件为可以获取图像的传感器。
8.如权利要求1所述的高光谱成像系统，其特征在于，所述光路元件包括镜头或显微镜。
9.一种基于相机的高光谱成像方法，其特征在于，所述高光谱成像方法包括步骤：
S1、所述光路元件出射的光经过所述色散元件，成像于所述探测元件的靶面，在所述色散元件的波长渐变方向上，所述探测元件的不同像元阵列获得不同谱段的光谱图像；
S2、所述运动元件驱动所述探测元件运动扫过待测目标，获得一组待测目标的原始图像；
在所述原始图像的非波长渐变方向上，所述探测元件同一行的像元获得相同谱段的光谱图像；在所述原始图像的波长渐变方向上，所述探测元件同一列的像元获得不同谱段的光谱图像；或者，
在所述原始图像的非波长渐变方向上，所述探测元件同一列的像元获得相同谱段的光谱图像；在所述原始图像的波长渐变方向上，所述探测元件同一行的像元获得不同谱段的光谱图像；
S3、所述探测元件运动扫过所述待测目标后，通过图像切割拼接获得固定视场下待测目标不同谱段的光谱图像。
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