CN114910416A - 一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法 - Google Patents

一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法，系统包括反射光获取装置、高光谱探测装置及平移装置；方法包括步骤S1：通过高光谱数据采集，测量标准物体的发射谱，对波长与像素的关系进行标定；通过单一波长下相邻像素的响应值，确定该波长峰值所在的像素位置，波长峰值与对应像素点建立多项式关系，再利用拟合出的多项式计算出其余像素点对应的波长；步骤S2：获取标准物体对应光谱响应值，对光谱响应值求和取平均值，通过测量已知光谱反射率的标准物体的光谱响应值，建立光谱在相同条件下，测量待测样本的光谱响应值，获得待测样本的光谱反射率，建立光谱响应值与标准物体光谱反射率的对应关系，进行光谱反射率定标。

Description

一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法
技术领域
本发明涉及颜色测量技术领域，尤其是涉及一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法。
背景技术
现有技术中分光测色仪有较好的测量稳定性和较高的测量精度，但是空间分辨率低，实 际应用中只能对纯色区域测量，无法应对具有复杂颜色图案的场景；彩色相机有很高的空间 分辨率，但是光谱分辨率低，不适用于精确的颜色测量和颜色传递。因此，将高光谱成像技 术把成像技术和光谱分析技术进行融合，能够更有效的满足图像测色得需求。
但是高光谱图像数据采集完成后，需要将图像中每一点的光谱响应值，转化为光谱反射 率数据。这需要经过两个步骤：
1、波长定标，获取光谱维中波长与像素的对应关系。波长的准确性将影响最终的测色结 果，因此，需要一个有效的波长定标方法，准确寻找波长。
2、光谱反射率定标，将空间维中每个空间通道的光谱响应值与光谱反射率建立关系。高 光谱颜色测量系统中，高光谱相机采集的仅是样本在各个波长下的反射光强的信号量，需要 通过一个有效的方法，提取出色度计算所需的400-700nm之间每间隔10nm波长的响应值数 据，再将光谱响应值数据转化为光谱反射率。
而在图像颜色测量的研究中，所获取的图像质量也是关注的重点，高光谱颜色测量系统 既有较高的图像空间分辨率，又具有较高的光谱分辨率。对高光谱相机的性能有较高的要求， 而高光谱相机各组件的选型与装配对最终的成像质量有很大的影响，影响主要表现在谱线弯 曲和色畸变上。谱线弯曲导致的单色像弯曲称作Smile效应，色畸变导致的不同视场的光谱 曲线弯曲称作Keystone效应。
在对高光谱相机的各组件选型时，考虑到了分光组件的谱线弯曲和色畸变的大小与CCD 像敏单元的尺寸匹配问题，当像敏单元的大小是谱线弯曲大小两倍时，即使有Smile和 Keystone效应存在，狭缝的单色像任能被同一行像素接收，不会对最终的数据产生影响。但 是镜头并不是分光组件设计匹配的像方远心光路，因此，高光谱相机整体仍会有较大的Smile 和Keystone效应产生。Keystone和Smile效应在高光谱成像技术中会造成相邻空间点的光谱 匹配错误和不同空间位置的光谱响应值不一致，这会影响最终的成像质量。
发明内容
为解决现有技术的不足，实现光谱维中波长与像素对应，提取色度计算波长的响应值数 据进行光谱反射率，以及避免Keystone和Smile效应提高图像质量的目的，本发明采用如下 的技术方案：
一种高光谱颜色测量定标系统，反射光获取装置和高光谱探测装置，为高光谱探测装置 配合设置平移装置；
反射光获取装置采集标准物体的发射谱，通过高光谱探测装置设有的狭缝，将平面像进 行剪切，得到狭缝尺寸的一维空间图像信息，将一维空间位置上的每一点的光信息色散分光， 对于垂直于狭缝方向的每列像素，采集来自同一空间点的不同波长信息，每列像素作为一个 空间通道，每个空间通道包含标准物体的所有波长信息及标准物体在空间中一点的位置信息， 同一波长单色像的每行像素作为一个光谱通道，每个光谱通道包含狭缝视场内的所有空间位 置信息及一个波段下的光谱信息，将包含所有空间位置信息的方向作为光谱维，将包含所有 光谱信息的方向作为空间维，在不考虑光学系统像差的情况下，各个空间通道采集的光谱数 据一致，选取空间维中间位置的空间通道进行波长定标，并用获得的波长与像素关系表示空 间维其余各空间通道的波长与像素的关系，进行波长定标；
标准物体随平移装置移动，高光谱探测装置的每个空间通道，通过狭缝获取标准物体对 应狭缝区域的光谱响应值，对光谱响应值求和取平均值，从而消除光谱反射率定标环节中， 标准板本身的不均匀以及瑕疵对系统采集的光谱响应值的影响，通过测量已知光谱反射率的 标准物体在系统中的光谱响应值，建立系统光谱在相同条件下，测量待测样本在系统中的光 谱响应值，获得待测样本的光谱反射率，建立系统光谱响应值与标准物体光谱反射率的对应 关系，进行光谱反射率定标。
进一步地，构建一组标准板，用于放置光谱反射率呈阶梯下降的标准物质，为了减小系 统光能量与电信号之间非线性关系的影响，提高光谱反射率与光谱响应值的拟合精度，对每 个空间通道的光谱响应值与标准板的光谱反射率进行分段线性拟合，获取系统的光谱响应值 与光谱反射率的关系。
进一步地，光源的光谱分布会随着温度和驱动电流的变化而变化，即光源的光谱会发生 波动，这会影响短期测量的重复性，采用双光路法消除光源的波动性，使用两束光路同时测 量，一束光路采集待测样品反射光信号，一束光路采集标准白板对光源的反射光信号，光源 在某个波长下的发光强度发生波动时，样品的反射光强会发生同样的波动，通过待测光信号 与光源光信号之比消除光源波动带来的影响。所述反射光获取装置包括积分球，所述高光谱 探测装置，在成像时，其视场包括积分球的采样口及采样口周围的积分球内壁，将采样口作 为测试区域，将反射光源信息的采样口周围的积分球内壁作为参考区域，参考区域内的数据 来自积分球内壁，积分球内壁表面喷涂的硫酸钡呈颗粒状，单个像素的信噪比差，为了准确 采集光源波动性的数据，参考区域的范围不应过小，应由多个空间通道的数据累加求平均获 得，光源波动性的消除算法如下：
Figure BDA0003621075750000021
其中，t表示第t次采样，λ表示波长，j表示第j个像素，φo(t,λ,j)表示测试区域内每个 像素相应波长下的响应值；
Figure BDA0003621075750000031
表示参考区域内相应波长下多个像素响应值的平均值； φ(t,λ,j)表示测试区域与参考区域的每次采样数据的比值，通过该方法可消除光源波动性的 影响。
进一步地，所述高光谱探测装置包括成像组件和面阵CCD(Charge CoupledDevice，电 荷耦合器件)，面阵CCD的感光面与成像面重合，同时，狭缝的单色像与面阵CCD的每一行 像素完全平行，用于获取空间位置信息和光谱信息，单个像素的光电转化能力弱，信噪比较 差，采用像素合并的方式，将相邻几个像素的响应值求和取平均后输出为一个响应值，提高 信噪比和数据传输速度，但是像素合并会降低空间分辨率和光谱分辨率，在进行像素合并时 需要保证空间分辨率和光谱分辨率满足系统的需求，成像组件的分辨率高于面阵CCD的像素 尺寸，从而使最终获取图像的额空间分辨率由像素尺寸决定，通过面阵CCD空间维的长度与 成像视场的比值，得到放大倍率，通过单个像素的尺寸与放大倍率的比值，得到单个像素对 应的空间分辨率，在空间分辨率满足测量系统需求，波长间隔高于色度计算需求的前提下， 合并空间维像素和/或光谱维像素，从而在满足系统需求的情况下，极大的提高了信噪比，减 少了数据量。
引入黑白校准数据改善系统长期测量稳定性，面阵CCD每个像素之间的光电转化效率有 所差异，即使在相同光照下像敏单元的响应值也有所不同，并且光电转化效率会随温度变化， 照明的不均匀性，以及长期使用过程中光学元件表面的清洁程度不同会导致像素的响应值发 生变化。为了保证系统长期测量的稳定性，需要每间隔一段时间采集表面性质不发生变化的 标准白板的响应值数据，以标准白板的光谱响应值作为参考标准进行归一化处理。积分球的 采样口位置设置了由硫酸钡喷涂的白板，系统每次工作前，以及工作一段时间后，都将白板 移至采样口，系统采集白板数据进行白校准，对于暗信号数据，使用的黑腔遮挡外界光干扰， 进行黑校准，再通过下式进行归化处理。
Figure BDA0003621075750000032
其中，φ(λ)表示归一化处理后的波长λ下的响应值，φo(λ)表示归一化处理前的波长λ 下的响应值，φW(λ)表示参比白板在波长λ下的响应值，φB(λ)表示消除外界光干扰的波长λ 位置处的暗信号。
一种高光谱颜色测量的定标方法，包括如下步骤：
步骤S1：通过高光谱数据采集，测量标准物体的发射谱，对波长与像素的关系进行标定； 受到高光谱相机的色散能力限制，单色波的能量分布近似呈高斯分布，一条谱线的光信号会 被两个或者三个甚至更多个像素接收，并且峰值信号可能会落在相邻两个像素之间，通过单 一波长下相邻像素的响应值，确定该波长峰值所在的精确像素位置，提高波长定标的精度， 波长峰值与对应像素点建立多项式关系，再利用拟合出的多项式计算出其余像素点对应的波 长；
步骤S2：获取标准物体对应光谱响应值，对光谱响应值求和取平均值，从而消除光谱反 射率定标环节中，标准板本身的不均匀以及瑕疵对系统采集的光谱响应值的影响，通过测量 已知光谱反射率的标准物体的光谱响应值，建立光谱在相同条件下，测量待测样本的光谱响 应值，获得待测样本的光谱反射率，建立光谱响应值与标准物体光谱反射率的对应关系，进 行光谱反射率定标。
进一步地，所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S1.1：确认单一波长信号量最大值所在的像素位置Xi，峰值信号必定落在这个像素 附近，或者就在这个像素上，通过相邻像素采集的能量响应值，得到单色波长峰值所在的实 际像素位置X：
Figure BDA0003621075750000041
其中，φ(·)表示获取响应值操作；
步骤S1.2：采用3次多项式拟合，拟合函数如下：
Figure BDA0003621075750000042
其中，λj表示第j个像素的波长，k表示常数，a1、a2、a3表示拟合系数，xi表示第i个像素位置；通过实验，采用2次、3次和4次多项式拟合，得到特征波长与计算波长之间的偏 差表，从表中看出，3次与4次多项式拟合的精度明显高于2次拟合，但是3次与4次多项 式拟合之间的精度相差不大。因此，使用3次多项式拟合的结果确定波长与像素的对应关系。
步骤S1.3：计算定标拟合后的波长与标准波长之间的偏差。
进一步地，所述步骤S1的波长定标之后，由于像素获取的响应值一般不在整数波长上， 各像素的波长间隔也不是所需要的波长间隔，在波长间隔高于色度计算所需波长间隔的前提 下，通过选取与所需波长邻近波长的响应值进行累加求和取平均，作为所需波长的响应值：
Figure BDA0003621075750000043
其中，φ(λ)表示所需波长λ的响应值，φ(i)表示所需波长的邻近波长对应像素i的响应 值，k表示设定的邻域像素数，获取400-700nm之间，每间隔10nm的31组波长响应值，极 大压缩了光谱维的数据，所需波长的响应值都是由几个像素的响应值求平均获得，进一步提 高信噪比。
进一步地，采用汞氩灯进行波长定标，汞氩灯是在低压汞灯中充入氩气，以弥补汞灯在 近红外波段没有发射谱线的缺陷，汞氩灯在400-1000nm内具有多条发射波长，且相邻波长之 间的间隔大于2.5nm，有利于寻找高光谱相机采集的光谱曲线中的波峰。
进一步地，波长定标是空间维所有空间通道的波长与像素对应关系，而Smile效应会造 成单色波谱线弯曲，从而导致不同空间通道的波长与像素对应关系不一致，不一致体现在两 个方面：一是起始波长不一致，二是波长间隔不一致，起始波长不一致会导致光谱反射率整 体偏移，波长间隔不一致会导致光谱反射率曲线发生变化，由于本系统所需波长的响应值是 通过多个像素的响应值累加求平均获得，且波长间隔远小于色度计算的间隔，又大于波长间 隔，消除了各个空间通道波长间隔不一致的影响，但是无法消除各个空间通道起始波长不一 致的影响。所述步骤S1的波长定标中，使用3次多项式拟合函数确定波长与像素的对应关系， 函数式中的常数项决定了波长与像素关系的起始波长，确定了函数的常数项即可对波长与像 素关系整体偏移，对空间维中，多个空间通道进行波长定标，获取其多项式拟合函数，拟合 函数包括常数项和相对偏移量，以处于中间位置的空间通道为基准空间通道，求其余空通道 的光谱分布与基准空间通道的相对偏移量，以已知的多个空间通道的光谱分布的相对偏移量 与空间通道的位置关系，用二次多项式拟合出所有空间通道的光谱分布相对基准空间通道的 偏移量，以基准空间通道的波长与像素关系函数为基准函数，其余各通道与其只有常数项不 同，根据相对偏移量获得常数项，确定所有空间通道的光谱分布，从而消除Smile效应。
进一步地，高光谱相机的分光机理是将狭缝产生的线光源，看作是一个个点光源组成， 分光系统对每个点光源分光。每个点光源的分光光谱呈直线排列，被探测器上同一列的像素 接收，每个点光源的光谱能量被探测器上的一列像素接收，但是由于Keystone效应的存在， 实际的点光源的光谱分布呈拱形石的形状，一个点光源形成的光谱中的部分波段能量，被相 邻空间通道的像素接收。如果目标物品具有一定面积的均匀色块，色块内部相邻点的光谱信 息几乎是相同的，所以，即使发生了光谱的空间匹配错误现象，对最终的测量结果影响也很 小，而在两种颜色的交界处影响比较显著。这是因为光谱反射率接近时，某一波长下错误分 配的能量与正确匹配的能量差异较小，差值占能量值的比重低，影响就小。在波长定标阶段 已经知道了波长与像素的对应关系；每个像素所对应的波长并非我们想要的整数波长，通过 相近波长的响应值累加求平均的方法，求得所需波长的能量响应值；同时，Keystone效应造 成的光谱分布整体弯曲程度并不剧烈。因此，可以通过波长与像素的对应关系，确定所需波 长的位置，用所需波长相近波长的像素偏移数来确定其余所需的31个波长的像素偏移数，从 而消除Keystone效应的影响。测量黑白网格卡纸，从所需的一组波长中，选取基准波长，通 过观察黑白网格卡纸的原始图像，确定其余所需波长相对基准波长的偏移量，对光谱响应值 做移位输出。
本发明的优势和有益效果在于：
本发明提取出色度计算所需的光谱响应值数据，减小了数据量；通过对空间通道波长定 标，确定不同空间位置的波长偏移量，提高了波长定标的精度；由于光谱反射率定标过程中， 要求标准物体的表面平整、颜色均匀、无瑕疵，重复测量时能得到相同的数据，然而标准板 不可能做到完全的均匀和无瑕疵，本发明在系统采集标准板的光谱响应值数据时，消除了标 准板表面不均匀性和瑕疵的影响，提高了光谱反射率定标的精度；本发明修正Smile造成的 图像中上下区域的色度结果不一致的问题；通过采集黑白网格测试卡的图像，直观观测 Keystone效应导致的空间匹配错误，并确定在不同光谱通道产生的偏移量，通过移位输出算 法修正了Keystone造成的影响。
附图说明
图1是本发明实施例中像敏单元接收单色光能量示意图。
图2是本发明实施例中高光谱相机单光路分区域成像示意图。
图3是本发明实施例中标准灰度砖实物图。
图4是本发明实施例中某空间通道550nm下的响应值与反射率的关系图。
图5是本发明实施例中Smile造成的单色波谱线弯曲示意图。
图6是本发明实施例中多空间通道波长定标示意图。
图7是本发明实施例中各空间通道光谱分布的相对偏移量曲线图。
图8a是本发明实施例中无Keystone效应下点光源光谱能量分布图。
图8b是本发明实施例中Keystone效应影响点光源光谱能量分布图。
图9是本发明实施例中点光源空间空间能量分布示意图。
图10a是本发明实施例中白色区域1与黑白区域3的光谱能量图。
图10b是本发明实施例中黑白交界处2的光谱能量图。
图10c是本发明实施例中黑白交界处4的光谱能量图。
图11是本发明实施例中印刷品扫描放大图。
图12是本发明实施例中某波段对应像素响应值移位输出过程的示意图。
图13a是本发明实施例中黑白网络卡纸实物图。
图13b是本发明实施例中黑白网络卡纸原始图。
图13c是本发明实施例中黑白网络卡纸局部放大图。
图14是本发明实施例中消除Keystone影响后的印刷品扫描图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具 体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法，对高光谱颜色测量系统进行波长定标、双光 路采样、光谱反射率定标。采用汞氩灯进行高光谱相机波长与像素的关系定标，通过单一波 长下相邻像素的响应值，确定该波长峰值所在的精确位置，提高波长定标的精度；设计光路， 采集积分球内壁光源的反射光谱信息，监测光源的波动性以提高测量重复性，利用标准反射 率板对高光谱相机采集信号进行光谱反射率定标；设计算法，利用标准灰度板实现高光谱相 机每个空间通道的光谱反射率定标。
高光谱颜色测量系统中，高光谱相机探测器上每个像素都接收到一个特定波长的光强信 号，波长定标即为确定每一个像素对应的特定波长。波长定标需要通过测量标准物质的发射 谱来完成，本发明实施例中，使用汞氩灯进行波长定标，汞氩灯是在低压汞灯中充入氩气， 以弥补汞灯在近红外波段没有发射谱线的缺陷，汞氩灯在400-1000nm内具有多条发射波长， 且相邻波长之间的间隔大于2.5nm，有利于寻找高光谱相机采集的光谱曲线中的波峰。波长 定标选用的波长为404.66nm、435.84nm、546.08nm、576.96nm、579.07nm、696.54nm、706.72nm、 738.40nm、750.39nm、763.51nm、772.40nm、794.82nm、800.62nm、811.53nm、826.45nm、 842.46nm、852.14nm、912.30nm、922.45nm。
波长定标是通过获取已知特征谱线的波长峰值与对应像素点建立多项式关系，再利用拟 合出的多项式计算出其余像素点对应的波长。受到高光谱相机的色散能力限制，单色波的能 量分布近似呈高斯分布。因此，一条谱线的光信号会被两个或者三个甚至更多个像敏单元接 收，并且峰值信号可能会落在相邻两个像素之间，如图1所示。波长与像素的关系，实质是 不同波长在空间位置的对应关系。如何找到峰值信号的实际位置就成了提高拟合精度的关键。
首先，确认某一波长信号量最大值所在的像素Xi，峰值信号必定落在这个像素附近，或 者就在这个像素上，通过相邻像素采集的能量响应值，求出单色波峰值所在的实际位置X：
Figure BDA0003621075750000071
其中，φ(·)表示获取响应值操作。
通过上述方式确定了参与定标的波长在光谱维的精确位置，并分别采用2次、3次和4 次多项式拟合，拟合公式如下：
Figure BDA0003621075750000072
其中，λj表示第j个像素的波长，k表示常数，a1、a2、a3表示拟合系数，xi即像素序数，表示第i个像素位置。
并计算定标拟合后的波长与标准波长之间的偏差，如表1所示。
表1 特征波长与计算波长之间的偏差
Figure BDA0003621075750000081
从表中可以看出，3次与4次多项式拟合的精度明显高于2次拟合，但是3次与4次多项式拟合之间的精度相差不大。因此，使用3次多项式拟合的结果确定波长与像素的对应关系。
高光谱相机是对透过狭缝的这条一维空间位置上的每一点的光信息色散分光，在不考虑 光学系统像差的情况下，各个空间通道采集的光谱数据一致。本发明实施例选取空间维中间 位置处的空间通道进行波长定标，并用获得的波长与像素关系表示空间维其余各空间通道的 波长与像素的关系。
波长定标完成之后，进行光谱反射率定标，即建立高光谱系统采样数据与被测平面光谱 反射率之间的关系。在进行反射率定标之前，存在三个问题：
(1)光源波动性会导致样品表面的反射光强在某个波长下发生波动，影响测量的重复性， 需要通过一定的方法消除光源波动性的影响；
(2)高光谱数据量太大，包含400nm-1000nm内的光谱数据，所需计算时间较长，需要 提取出色度计算所需的光谱响应值数据，减小数据量；
(3)系统在长期工作下，温度等外界因素使采样数据发生变化，影响长期测量的稳定性， 需要设计方法消除影响。
本发明实施例中基于高光谱成像技术，进行光谱反射率定标，并在此之前对数据进行预 处理，减少数据量，提高系统测量的重复性。
双光路预处理改善系统测量重复性，光源的光谱分布会随着温度和驱动电流的变化而变 化，即光源的光谱会发生波动，这会影响短期测量的重复性。颜色测量仪器采用双光路法消 除光源的波动性，双光路法的实质是使用两束光路同时测量，一束光路采集待测样品反射光 信号，一束光路采集标准白板对光源的反射光信号，光源在某个波长下的发光强度发生波动 时，样品的反射光强会发生同样的波动，通过待测光信号与光源光信号之比消除光源波动带 来的影响。
本发明实施例的高光谱数据采集系统是用高光谱相机对待测样本进行成像采集信息，在 用望远镜头成像时，镜头视场不仅完全覆盖采样口，同时也对积分球内壁成像。积分球内壁 的反射光信息为光源的信息，将高光谱相机采集积分球内壁的区域作为参考区域。参考区域 的设定就是用高光谱相机的一部分光路去采集光源信息，实时监测光源的波动性。高光谱相 机的绝大部分区域用来对采样口位置进行数据采集，这部分区域作为测试区域，如图2所示。
参考区域内的数据来自积分球内壁，积分球内壁表面喷涂的硫酸钡呈颗粒状，单个像素 的信噪比差，为了准确采集光源波动性的数据，参考区域的范围不应过小，应由多个空间通 道的数据累加求平均获得，光源波动性的消除算法如下：
Figure BDA0003621075750000091
其中，t表示第t次采样，λ表示波长，j表示第j个像素，φo(t,λ,j)表示测试区域内每个 像素相应波长下的响应值；
Figure BDA0003621075750000092
是参考区域内相应波长下多个像素响应值的平均值； φ(t,λ,j)为测试区域与参考区域的每次采样数据的比值，通过该方法可消除光源波动性的影 响。
波长累加求所需波长的光谱响应值，本发明实施例使用的高光谱相机探测器，是像素数 为1920*1200piexls的面阵CCD，1920像素方向获取空间位置信息，1200像素方向获取光谱 信息。单个像素的光电转化能力弱，信噪比较差。在实际使用过程中，可以采用像素合并的 方式，将相邻几个像素的响应值求和取平均后输出为一个响应值，提高信噪比和数据传输速 度。但是像素合并会降低空间分辨率和光谱分辨率，在进行像素合并时需要保证空间分辨率 和光谱分辨率满足本系统的需求。
成像组件使用的镜头的靶面大小为1/1.1″，分辨率为2400万像素；CCD芯片的靶面大小 为1/1.2″，有230万像素。镜头的分辨率远高于面阵CCD的像素尺寸，所以最终获取图像的 空间分辨率由像素尺寸决定。
镜头的视场为45mm，面阵CCD空间维的长度为11.3mm，所以放大倍率为： β＝11.3/45≈0.25。
空间分辨率可由单像素对应的物空间长度计算出：
Figure BDA0003621075750000093
其中，y′表示像素的尺寸，β表示镜头的放大倍率，y表示单像素对应的空间长度。
分光组件的线色散为11.27um/nm，即波长间隔1nm分开的距离为11.27um。
单个像素的尺寸为5.86um*5.86um，即y’＝5.86，由于β＝0.25，所以空间分辨率为23.4um； 波长间隔为0.53nm。对空间维的1920个像素进行2像素合并，光谱维的1200个像素进行4 像素合，此时，空间分辨率为46.8um，远小于市场上最小的1000um，因此满足本发明实施 例的需求；波长间隔为2.12nm，高于色度计算所需的10nm间隔。
合并后的像素数为960*300piexls，即本系统有960个空间通道；300个波段，在满足系 统需求的情况下，极大的提高了信噪比，减少了数据量。
进行色度计算时，需要知道样品在400nm、410nm、...、700nm，这些波长每间隔10nm的光谱反射率。因此，需要首先获取高光谱相机在这些波长下的响应值。
高光谱相机的光谱响应范围是400-1000nm，700nm以后的光谱响应数据对本系统来说是 冗余数据，可以预先去除，减少后期计算量。在波长定标环节获取了CCD的波长与像素的对 应关系，像素获取的响应值一般不在整数波长上，各像素的波长间隔也不是所需要的波长间 隔，如表2所示。
表2 部分波长与像素的对应关系
Figure BDA0003621075750000101
通过选取与所需波长邻近波长的响应值进行累加求和取平均，可以作为所需波长的响应 值：
Figure BDA0003621075750000102
式中，φ(λ)表示所需波长λ的响应值，φ(i)表示所需波长的邻近波长对应像素i的响应 值，k表示设定的邻域像素数。例如：550nm波长的响应值可由第70、71、72个像素的响应 值之和取平均获得，此时波长间隔约为4nm，高于色度计算所需的波长间隔。
通过上述处理，获得了31组波长响应值数据，极大压缩了光谱维的数据；所需波长的响 应值都是由几个像素的响应值求平均获得，进一步提高信噪比。
引入黑白校准数据改善系统长期测量稳定性，面阵CCD每个像素之间的光电转化效率有 所差异，即使在相同光照下像敏单元的响应值也有所不同，并且光电转化效率会随温度变化。 照明的不均匀性，以及长期使用过程中光学元件表面的清洁程度不同会导致像素的响应值发 生变化。为了保证系统长期测量的稳定性，需要每间隔一段时间采集表面性质不发生变化的 标准白板的响应值数据，以标准白板的光谱响应值作为参考标准进行归一化处理。
本系统在积分球的采样口位置设置了由硫酸钡喷涂的白板，系统每次工作前，以及工作 一段时间后，都将白板移至采样口，系统采集白板数据进行白校准。对于暗信号数据，本文 使用的黑腔遮挡外界光干扰，进行黑校准，再通过下式进行归化处理。
Figure BDA0003621075750000111
式中，φ(λ)为归一化处理后的波长λ下的响应值；φo(λ)为归一化处理前的波长λ下的 响应值；φW(λ)为参比白板在波长λ下的响应值；φB(λ)为消除外界光干扰的波长λ位置处的 暗信号。
高光谱数据采集系统的反射率定标，本发明实施例使用比较测量法测定光谱反射率，使 用仪器去测量已知光谱反射率的标准物体在仪器中的光谱响应值，建立仪器光谱响应值与标 准物体光谱反射率之间的关系，在相同条件下测量待测样本在仪器中的光谱响应值，从而获 得待测样本的光谱反射率。建立仪器光谱响应值与物体反射率关系的过程，称为光谱反射率 定标。
光谱反射率定标过程中，要求标准物体的表面平整、颜色均匀、无瑕疵，重复测量时能 得到相同的数据，然而标准板不可能做到完全的均匀和无瑕疵。
分光测色仪是把样品表面作为一个平面，通过透镜组将待测面内的所有光信息耦合到光 纤中，再用光谱仪分光转化为电信号从而得到仪器的光谱响应值，测量结果是全部被测面的 平均值。在这个过程中，待测面的面积越大，样品表面的瑕疵对测量结果影响就越小，测量 结果越稳定。
高光谱相机是对样品表面成像，并对像面上一条线内每个点的光信息分光。在本系统的 设计中，高光谱相机成像的每一点，对应物空间中微米级别的区域面积。因此，标准板的表 面不均匀性和瑕疵，会对系统获取标准板光谱响应值的准确性和重复性造成很大的影响。在 系统采集标准板的光谱响应值数据时，应消除标准板表面不均匀性和瑕疵的影响。
参与光谱反射率定标的标准板越多，标准板的光谱反射率覆盖范围越广，定标结果越准 确。本文使用12块标准灰度板作为标准板，如图3所示，进行光谱反射率定标。
为了消除光谱反射率定标环节中，标准板本身的不均匀以及瑕疵对系统采集的光谱响应 值的影响。在对标准板取样时，标准板随平移台水平移动，系统扫描标准板整个面的光谱响 应数据。高光谱相机测试区域的每个空间通道，都能获取标准板一条线上的光谱响应值数据 φ(n,λ,i)，再对光谱响应值数据求和取平均值，从而消除标准板表面瑕疵的影响：
Figure BDA0003621075750000112
其中，n表示每个空间通道都采样了n次数据。
处理后的光谱响应值数据包含每块标准板在测量区域内，每个空间通道31个波长的光谱 响应值。为了保证长期测量的重复性，这些数据要与黑白校准数据进行归一化处理。
12块标准板的光谱反射率呈阶梯下降变化，为了减小系统光能量与电信号之间非线性关 系的影响，提高光谱反射率与光谱响应值的拟合精度，对每个空间通道的光谱响应值与定标 板的光谱反射率进行分段线性拟合，获取系统的光谱响应值与光谱反射率的关系。如图4所 示，为高光谱相机某空间通道在550nm的响应值与反射率的关系。
Smile效应对高光谱测色系统影响的修正方法，在本发明实施例的波长定标阶段，利用汞 氩灯的发射光谱，确定某一空间通道的波长与像素对应关系，并以此表示空间维所有空间通 道的波长与像素对应关系。而Smile效应会造成单色波谱线弯曲，这会造成不同空间通道的 波长与像素对应关系不一致，导致不同空间位置的色度测量结果不一致，如图5所示。
标准色板常用于颜色测量仪器的示值检定，其中红、黄、绿、蓝标准色板的光谱反射率。 Smile效应会造成最终的光谱反射率在不同空间位置整体偏移，黄色标准板的光谱反射率在长 波和短波之间会有明显的阶跃变化，当不同位置的光谱反射率发生偏移时，光谱反射率曲线 表现出明显的错位现象，因此，可通过获取黄色标准板的高光谱图像。通过查看本发明实施 例中不同空间位置的光谱反射率曲线，能够得到空间维不同位置的光谱反射率出现了整体偏 移的现象。
Smile效应导致的各个空间通道波长与像素对应关系不一致体现在两个方面：一是起始波 长不一致，例如第1个空间通道的第一个像素对应的波长为400nm，而第500个空间通道的 第一个像素对应的波长为395nm；二是波长间隔不一致，例如第1个空间通道的波长间隔为 0.5nm，而第500个空间通道的波长间隔为0.53nm。起始波长不一致会导致光谱反射率整体 偏移，波长间隔不一致会导致光谱反射率曲线发生变化。Smile对本系统的影响是空间维不同 位置的光谱反射率整体偏移，对光谱反射率的曲线形状没有太大影响。这是因为本系统所需 波长的响应值是通过多个像素的响应值累加求平均获得，且波长间隔为4nm，远小于色度计 算的10nm间隔又大于波长间隔，消除了各个空间通道波长间隔不一致的影响，但是无法消 除各个空间通道起始波长不一致的影响。
对每个空间通道都进行波长定标，能准确的消除Smile的影响，但是本系统有960个空 间通道，每个空间通道都进行波长定标的工作量将十分巨大。
光栅光谱的线性关系较好，不同空间通道的波长与像素的对应关系不一致，主要体现在 起始波长不一致；本发明实施例在波长定标环节使用三次拟合函数确定波长与像素的对应关 系，函数式中的常数项决定了波长与像素关系的起始波长。确定了函数的常数项即可对波长 与像素关系整体偏移。
如图6所示，为高光谱相机用汞氩灯进行波长定标时采集的原始图像。对空间维中，图 中竖线标记的五个空间通道进行波长定标，获取其拟合函数。各空间通道波长与像素关系拟 合函数的常数项如表3所示，并以处于中间位置的第480个空间通道为基准，求其余通道的 光谱分布与它的相对偏移量。
表3 多空间通道波长与像素关系拟合函数常数项
Figure BDA0003621075750000131
以已知的5个空间通道的光谱分布的相对偏移量与空间通道的位置关系，用二次多项式 拟合出所有空间通道的光谱分布相对第480个空间通道的偏移量，拟合结果如图7所示。
以第480个空间通道的波长与像素关系函数为基准函数，认为其余各通道与其只有常数 项不同，常数项根据相对偏移量获得，从而确定所有空间通道的光谱分布。
通过上述方法获取每个空间通道的波长与像素对应关系后，对系统的光谱反射率重新定 标。再次扫描查看不同空间位置，黄色标准板的光谱反射率数据，不同位置的光谱反射率曲 线基本重合，此时ΔE＝0.3(max)。不同位置的颜色参数仍有一定的色差，这可能是标准板本 身颜色不均匀性造成的。使用分光测色仪采集黄色标准板各个位置的颜色参数，该测色仪的 测量口径为1mm*3mm，测量重复性为0.01，获取的不同位置的色差为dE*ab＝0.3(max)。 因此可判断标准板自身有色差为dE*ab＝0.3(max)的不均匀性，本系统受Smile造成的影响得 到了修正。
Keystone效应对高光谱测色系统影响的修正方法，高光谱相机的分光机理是将狭缝产生 的线光源，看作是一个个点光源组成，分光系统对每个点光源分光。每个点光源的分光光谱 呈直线排列，被探测器上同一列的像素接收，每个点光源的光谱能量被探测器上的一列像素 接收，如图8a所示。但是由于Keystone的存在，实际的点光源的光谱分布呈拱形石的形状， 一个点光源形成的光谱中的部分波段能量，被相邻空间通道的像素接收，如图8b所示。
如图9所示，高光谱成像分光系统将空间中黑白区域的每点进行色散分光，其理想光谱 分布在探测器同一列像素上，对应空间该点的该列像素是一个空间通道，Keystone效应会将 物空间内某一点的部分光谱信息，错误的匹配到相邻空间点上。如果目标物品具有一定面积 的均匀色块，色块内部相邻点的光谱信息几乎是相同的，所以，即使发生了光谱的空间匹配 错误现象，对最终的测量结果影响也很小，而在两种颜色的交界处影响比较显著。如图10a 至图10c所示，在黑白区域的内部，即使发生了能量的错误匹配，但相邻空间点的接收的能 量是相同的，所以归一化后的能量曲线仍是直线，Keystone效应没有对最终结果造成影响。 在黑白区域的交界处，Keystone的存在会将黑色区域的部分光谱能量错分到白色区域，或者 将白色区域的部分光谱能量错分到黑色区域，产生完全不属于两者的光谱曲线。
由于系统的空间分辨率存在一定的极限，对于黑白交界处的成像结果应为黑和白的混合 色——灰色。如图11所示，白底黑字的印刷品在黑白交界处的上下方，出现了红色和蓝色， 这表明白色区域的长波能量分配到了交界处，使本该呈现灰色区域的长波能量提高，变成了 红色；黑色区域的长波能量分配到交界处，使交界处短波能量相对提高，从而呈现蓝色，系 统受到了Keystone效应的影响。
Keystone效应使得相邻空间点光谱的部分波段匹配错误，如果对这些产生错误的波段的 响应值移位输出，那么就可以修正Keystone造成的影响，如图12所示。如何确定对应波段 下，所要偏移的像素数就成了解决问题的关键。
Keystone对光谱反射率相差较大的颜色比较敏感，因此，观察光谱反射率相差极大的黑 白网格卡纸分光后的图像，可以直观的了解keystone现象。将黑白网格卡纸夹持在采样口保 持不动，使用高光谱相机连续拍摄，查看CCD采集到的原始信号图像，如图13a至图13c所 示。图13c中竖线所在的位置对应于网格纸黑白交界处某一点的空间通道，从图中可以看出 实际的光谱分布偏离了直线。
在本发明实施例的系统中，感兴趣的波长为400nm、410nm、...、700nm，共31个波长， 只要知道这31个波长的相对偏移量就可以修正Keystone的影响。在波长定标阶段已经知道 了波长与像素的对应关系；每个像素所对应的波长并非我们想要的整数波长，通过相近波长 的响应值累加求平均的方法，求得所需波长的能量响应值；同时，Keystone造成的光谱分布 整体弯曲程度并不剧烈。因此，可以通过波长与像素的对应关系，确定所需波长的位置，用 所需波长相近波长的像素偏移数来确定这31个波长的像素偏移数。
550nm波长下的反射率在色度计算中所占权重较高，本发明实施例以550nm波长为基准， 通过观察黑白网格卡纸的拍摄的原始图像，确定其余30个所需波长相对550nm波长的偏移 量。光谱维中第80个像素对应的波长为570.37nm，其偏离550nm波长的像素数为1。用同 样的方法获取其余30个波长的偏移量，各波长的偏移量如表4所示。
表4 Keystone效应导致的各波长相对550nm波长的偏移量
Figure BDA0003621075750000141
Figure BDA0003621075750000151
对光谱响应值作移位输出处理，再次用采集印刷品样本的光谱反射率图案，如图14所示， 基本消除了Keystone的影响。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发 明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的 技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换， 并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高光谱颜色测量定标系统，反射光获取装置和高光谱探测装置，其特征在于：为所述高光谱探测装置配合设置平移装置；
反射光获取装置采集标准物体的发射谱，通过高光谱探测装置设有的狭缝，将平面像进行剪切，得到狭缝尺寸的一维空间图像信息，将一维空间位置上的每一点的光信息色散分光，对于垂直于狭缝方向的每列像素，采集来自同一空间点的不同波长信息，每列像素作为一个空间通道，每个空间通道包含标准物体的所有波长信息及标准物体在空间中一点的位置信息，同一波长单色像的每行像素作为一个光谱通道，每个光谱通道包含狭缝视场内的所有空间位置信息及一个波段下的光谱信息，将包含所有空间位置信息的方向作为光谱维，将包含所有光谱信息的方向作为空间维，选取空间维中间位置的空间通道进行波长定标，并用获得的波长与像素关系表示空间维其余各空间通道的波长与像素的关系，进行波长定标；
标准物体随平移装置移动，高光谱探测装置的每个空间通道，通过狭缝获取标准物体对应狭缝区域的光谱响应值，对光谱响应值求和取平均值，通过测量已知光谱反射率的标准物体在系统中的光谱响应值，建立系统光谱在相同条件下，测量待测样本在系统中的光谱响应值，获得待测样本的光谱反射率，建立系统光谱响应值与标准物体光谱反射率的对应关系，进行光谱反射率定标。
2.根据权利要求1所述的一种高光谱颜色测量定标系统，其特征在于：构建一组标准板，用于放置光谱反射率呈阶梯下降的标准物质，对每个空间通道的光谱响应值与标准板的光谱反射率进行分段线性拟合，获取系统的光谱响应值与光谱反射率的关系。
3.根据权利要求1所述的一种高光谱颜色测量定标系统，其特征在于：所述反射光获取装置包括积分球，所述高光谱探测装置，在成像时，其视场包括积分球的采样口及采样口周围的积分球内壁，将采样口作为测试区域，将采样口周围的积分球内壁作为参考区域，光源波动性的消除算法如下：
Figure FDA0003621075740000011
其中，t表示第t次采样，λ表示波长，j表示第j个像素，φo(t,λ,j)表示测试区域内每个像素相应波长下的响应值；
Figure FDA0003621075740000012
表示参考区域内相应波长下多个像素响应值的平均值；φ(t,λ,j)表示测试区域与参考区域的每次采样数据的比值。
4.根据权利要求1所述的一种高光谱颜色测量定标系统，其特征在于：所述高光谱探测装置包括成像组件和面阵CCD，面阵CCD的感光面与成像面重合，同时，狭缝的单色像与面阵CCD的每一行像素完全平行，用于获取空间位置信息和光谱信息，采用像素合并的方式，将相邻几个像素的响应值求和取平均后输出为一个响应值，成像组件的分辨率高于面阵CCD的像素尺寸，通过面阵CCD空间维的长度与成像视场的比值，得到放大倍率，通过单个像素的尺寸与放大倍率的比值，得到单个像素对应的空间分辨率，在空间分辨率满足测量系统需求，波长间隔高于色度计算需求的前提下，合并空间维像素和/或光谱维像素。
5.一种高光谱颜色测量的定标方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤S1：通过高光谱数据采集，测量标准物体的发射谱，对波长与像素的关系进行标定；通过单一波长下相邻像素的响应值，确定该波长峰值所在的像素位置，波长峰值与对应像素点建立多项式关系，再利用拟合出的多项式计算出其余像素点对应的波长；
步骤S2：获取标准物体对应光谱响应值，对光谱响应值求和取平均值，通过测量已知光谱反射率的标准物体的光谱响应值，建立光谱在相同条件下，测量待测样本的光谱响应值，获得待测样本的光谱反射率，建立光谱响应值与标准物体光谱反射率的对应关系，进行光谱反射率定标。
6.根据权利要求5所述的一种高光谱颜色测量的定标方法，其特征在于：所述步骤S1包括如下步骤：
步骤S1.1：确认单一波长信号量最大值所在的像素位置Xi，通过相邻像素采集的能量响应值，得到单色波长峰值所在的实际像素位置X：
Figure FDA0003621075740000021
其中，φ(·)表示获取响应值操作；
步骤S1.2：采用3次多项式拟合，拟合函数如下：
Figure FDA0003621075740000022
其中，λj表示第j个像素的波长，k表示常数，a1、a2、a3表示拟合系数，xi表示第i个像素位置；
步骤S1.3：计算定标拟合后的波长与标准波长之间的偏差。
7.根据权利要求5所述的一种高光谱颜色测量的定标方法，其特征在于：所述步骤S1的波长定标之后，在波长间隔高于色度计算所需波长间隔的前提下，通过选取与所需波长邻近波长的响应值进行累加求和取平均，作为所需波长的响应值：
Figure FDA0003621075740000023
其中，φ(λ)表示所需波长λ的响应值，φ(i)表示所需波长的邻近波长对应像素i的响应值，k表示设定的邻域像素数，获取400-700nm之间，每间隔10nm的31组波长响应值。
8.根据权利要求5所述的一种高光谱颜色测量的定标方法，其特征在于：采用汞氩灯进行波长定标。
9.根据权利要求5所述的一种高光谱颜色测量的定标方法，其特征在于：所述步骤S1的波长定标中，对空间维中，多个空间通道进行波长定标，获取其多项式拟合函数，拟合函数包括常数项和相对偏移量，以处于中间位置的空间通道为基准空间通道，求其余空通道的光谱分布与基准空间通道的相对偏移量，以已知的多个空间通道的光谱分布的相对偏移量与空间通道的位置关系，用多项式拟合出所有空间通道的光谱分布相对基准空间通道的偏移量，以基准空间通道的波长与像素关系函数为基准函数，其余各通道与其只有常数项不同，根据相对偏移量获得常数项，确定所有空间通道的光谱分布。
10.根据权利要求5所述的一种高光谱颜色测量的定标方法，其特征在于：测量黑白网格卡纸，从所需的一组波长中，选取基准波长，通过观察黑白网格卡纸的原始图像，确定其余所需波长相对基准波长的偏移量，对光谱响应值做移位输出。
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EP4325186A1 (de) * 2022-08-19 2024-02-21 PSLab Holding Ltd Vorrichtung und verfahren zum bestimmen der lichttechnischen charakteristik einer leuchte

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