CN117848981A - 一种多光谱成像集成系统及其装置和使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多光谱成像集成系统及其装置和使用方法，从根本上克服了彩色数码相机用于比色分析所面临的技术原理障碍。与其它多光谱成像技术相比，本技术具有结构简单，成本低，成像效率高，光谱数据完整的特点。本发明装置包括成像单元、特征光源组合、数据存储单元、数据处理单元和控制/显示单元；特征光源组合使用N(N≥2)个线性独立的光源，这些光源的光谱在M(M≥2)个相邻波段上被标定，标定数据存储在装置上。使用时本装置通过成像单元获取被测试样品在不同特征光源下的N个图像，并通过光源标定数据和相关计算同时获得样品在特定波长范围内M(M≥2)个相邻波段上的光反射率或透射率图像。本技术在生化分析领域有广阔用途。

Description

一种多光谱成像集成系统及其装置和使用方法

技术领域

本发明涉及生化分析技术领域，具体为一种多光谱成像集成系统及其装置和使用方法。

背景技术

数码成像装置通过光学系统和图像传感器在一定照明条件下生成拍摄对象的数字图像。图像的像素提供拍摄对象各点在特定照明条件下的亮度数据。彩色成像装置使用色彩滤波阵列技术提供红、绿、蓝3种光学滤镜下的亮度数据。这些数据包含拍摄对象的光谱信息，通过它们可以区别和确定拍摄对象的颜色。多光谱成像装置与普通成像装置的区别在于其提供更多的关于拍摄对象的光谱信息，即拍摄对象在更多光谱波段上的亮度数据。图像亮度数据是拍摄光源的光谱、图像传感器的敏感度曲线、以及拍摄对象的反射/透射光谱在一定波长范围内的积分结果。当光源光谱和传感器曲线得到确定，从多光谱图像数据可以获得拍摄对象反射/透射光谱的特征。

物质对光的反射和吸收都有一定的光谱特征，因此多光谱成像装置在分辨物质或观测物质变化相关的领域有很多应用。例如飞行器和卫星使用多光谱成像装置观测地质、植被和农作物变化，收集有关森林砍伐、生态系统退化、气候变化的数据；食品安全领域用多光谱成像装置监测水果和食品的储存状态和新鲜程度；医学诊断领域用多光谱成像装置分辨不同的细胞组织和病变；艺术领域用多光谱成像装置鉴别艺术品，对艺术品做精确的数字化保存等等。

现有多光谱成像装置基本都使用滤镜分光原理。有一种装置将多个独立像机组合成一体，每个像机的镜头上配置不同的光学滤镜。这些像机同步拍摄可以获得测试对象在不同光谱波段的图像。这种装置的缺点是不同镜头间存在视差，各像机的数据融合成光谱数据可能会产生一定误差。有一种装置在像机镜头前配置滤镜转盘，拍摄时通过变换滤镜获得不同波段的图像，这种装置的缺点是需要机械转动部件，拍摄用时比较长。还有一种“多光谱滤波阵列”技术方案，将更多的光学滤镜直接配置在图像传感器上，这种方案在制造上存在一定技术挑战，而且增加波段的同时会降低图像空间分辨率。

另有一类采用光栅或棱镜分光原理的光谱成像装置，这类装置通过内置扫描的方式获得高分辨率光谱图像，通常称为“高光谱成像”或“超光谱成像”装置，这类装置在应用上与多光谱成像装置有区别。

例如，在比色分析领域，现在大量环境和健康检测都使用比色分析的原理，需要使用生化分析仪进行定量或定性分析。目前生化分析仪都是对单样品依次进行测试。

目前有一些技术方案使用彩色数码相机进行比色分析，这些技术方案在测试原理上存在根本问题，例如，比色分析的理论基础是朗伯-比尔定律，其描述物质在特定波长的光吸收强度与吸光物质的浓度及其液层厚度间的关系。比色分析本质上不是对比或测量颜色的方法，而是测量标识物质在特定波长的光吸收强度确定被测物质浓度的方法。生化分析仪都依靠测定样品在特定波长范围的光吸收率计算被测物质的浓度。而常用的数码像机所产生的颜色数据是照明光谱、彩色滤镜光谱曲线、传感器敏感度曲线、样品吸收光谱在一个很宽波长范围的综合数值，与样品在特定波长范围的光吸收率没有确定的关系。因而普通数码像机的数据不适用朗伯-比尔定律，造成检测结果的准确度和精确度均不足，且误差大。

发明内容

本发明使用数学模型和算法替代现有技术所使用的滤镜等分光元件，提供了一种结构简单、实施容易、性价比高的多光谱测试原理和技术方案。使用经过标定的特征光源组合和一般的数码成像单元，本发明装置同时生成样品在一系列相邻波段上的反射率或透射率光谱图像，直接展示测试对象任意点在测试光谱范围内的整体光谱特征，从根本上解决了将彩色数码像机用于比色分析所面临的技术原理问题。本发明可以对大量比色/比浊样品同时进行真正意义上的生化定量分析，对于提高生化检测效率和将生化检测普及到大众有显著意义。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：本发明提供的多光谱成像单元，其特征在于，包括成像单元、特征光源组合、数据存储单元、数据处理单元和显示/控制单元；

特征光源组合使用N(N≥2)个线性独立的照明光源，其光谱在预定测试范围内，光谱宽度不受限制；

特征光源在多个相邻波段上被标定，标定数据存储在装置的数据存储单元中，成像单元在不同特征光源照明下生成待测样品的多个图像，数据处理单元和数据存储单元使用光源特征矩阵和相关算法对样品多个图像进行分析计算，同时获得样品在特定波长范围的光吸收率或反射率光谱图像。

优选的，具体算法步骤包括如下：

1)特征光源：将预定测试光谱范围分割成M(M≥2)个相邻波段，将N(N≥2)个光源的光谱特征标定为一个M×N光源特征矩阵存储在数据存储单元中；

2)测试获得测试对象图像：在一个屏蔽外部光线的空间内，分别使用步骤1)中的特征光源以单独或组合方式照亮测试待测样品，通过成像单元获得测试待测样品在不同光源照明下的N个图像；

3)分析计算获得测试待测样品任意点的平均光反射率或透射率：基于N个图像的亮度数据，通过光源特征矩阵和相关计算，同时获得测试对象任意点在M个相邻波段上的平均光反射率或透射率，生成一系列相邻波段上的反射率或透射率，直接得到测试对象在测试范围内的整体光谱特征。

优选的，光源为经过标定的光源，特征光源使用具有不同中心波长的LED光源，特征光源的光谱中任一光源的光谱不能通过其它光源的线性组合获得；

特征光源的光谱特征被标定为一个光源特征矩阵，光源组合包括N个特征光源，具体标定方法如下：

将预定测试光谱范围分割成N个相邻波段，每一个波段占据一个从λ_j-1到λ_j(λ_j＞λ_j-1，j＝1，2，…，N)的波长范围，波段宽度不限；

在第j个波段上的第i个光源的平均强度表示为

其中，I_i(λ)是通过外部光谱测试仪器测量出的第i个光源在λ波长的强度；

对N个波段和N个光源完成上面的计算构成一个N×N矩阵

矩阵代表每个特征光源分别在N个波段上的平均强度，该矩阵可以通过矩阵逆运算获得一个N×N矩阵，称为光源特征矩阵，被表示为：

所得的光源特征矩阵被储存在数据存储单元中。

优选的，在测试样品前，需要测试黑色或不透光标准样品和白色或透明标准样品的亮度数据，作为计算反射率或透射率的参照值；

获取黑色标准和白色标准数据的方法如下：

在放置样品的位置放置一个黑色标准样品，按照测试普通样品的方式分别在N个特征光源照明下获取N个黑色标准亮度的图像；然后使用同样方式测试白色标准样品，获得在N个特征光源照明下的N个白色标准亮度图像；经过黑、白标准样品测试，多光谱图像的任意像素p都具有对应各特征光源的黑色标准值和白色标准值，此表示为：

和/>

其中，下标“B”和“W”分别代表黑白标准值，“p”代表样品图像中任一个像素，黑色标准值和白色标准值也被存储在数据存储单元中。

优选的，构建N个特征光源和N个波段，获取待测样品在N个相邻波段反射率的方法如下：

分别在N个特征光源的照明下，通过成像单元获得样品的N个亮度图像；在第i个光源照明下，亮度图像的像素p的数值表示为：

其中A_p代表一个与设备相关的常数，R_jp代表样品在像素p对应位置在第j个波段上的平均反射率，G_jp代表成像单元的像素p在第j个波段上的平均敏感度，V_Bpi是在第i个光源下(包括周围环境的贡献)像素p的黑色标准值，I_ij是第i个光源在第j个波段上的平均强度；

公式(5)用一个N×N的线性系统表示：

其中

公式(6)可进一步表示为：

其中是公式(3)中的光源特征矩阵；

公式(8)可写作

在通常的实践中，白色标准样品的反射率被定义为一个单位(即“1”)，样品的反射率根据白色标准样品的反射率被归一化，当测量样品是白色标准样品时，每一个相关波段上的反射率都可以定义为1，公式(9)变成：

其中V_Wpj和V_Bpj是多光谱图像的p像素在j光源下的黑色标准值和白色标准值，由公式(4)表示；

合并上面的公式(9)和公式(10)，多光谱图像任意像素p在N个波段上的反射率可表示为

优选的，预定测试光谱范围分割方法还可采用方式如下：

可选择使用N个特征光源和M≤N个波段，在这样的情况下，在时使用标准最小二乘法，而在M≥N时使用单值矩阵分解(SVD)法来计算公式(2)或者公式(3)中的光源特征矩阵，并将获得M×N的维数，因此，公式(11)中反射率将具M个组成部分；

另外，也可使用M(M＞N)个特征光源和N个波段，并使用主分量分析的方法获得N×N的光源特征矩阵。

多光谱成像装置，使用上述多光谱成像单元，包括电源、拍摄箱和设置于其内部的成像单元、控制/显示单元、特征光源组合和样品架；

拍摄箱内部为一个屏蔽外部光线的拍摄环境；

特征光源组合为成像单元提供不同光谱特征的照明环境；样品架设于拍摄箱底部，用于摆放样品(反射测试)或透射测试板(透射测试)；成像单元设于拍摄箱顶部，与样品架相对设置，成像单元用于获取样品架或测试板上待测样品特定格式的图像；

控制/显示单元与特征光源组合电连接，用于控制特征光源组合、数据采集、数据存储、数据处理和计算、操作和显示功能。

优选的，拍摄箱、成像单元和控制/显示单元可独立或组合构成不同的装置；

成像单元可选择使用普通的单色(黑白)或彩色成像单元(使用彩色系统时只使用其产生的亮度数据)；

特征光源组合的光源前面安装散射膜或散射罩，使光源提供均匀发散的光线。

多光谱成像装置的使用方法，包括步骤如下：

当需要测试多光谱反射率图像时，拍摄箱内部使用不透光材料制造，内部喷涂白色哑光涂层，提高内壁光散射率；拍摄箱内设有特征光源组合；

当需要测试多光谱反射率图像的工作流程为：1)将待测样品放置在样品架特定位置；2)开启特征光源组合中的一个或一个以上光源提供照明，通过成像单元获取样品的亮度图像；3)重复上一个过程N(N≥2)次，每次使用不同的光源，共产生样品的N幅亮度图像；4)对于待测样品上特定色块，通过其在N幅图像中对应像素的亮度数据获得色块在N个相邻波段上的平均反射率数据。

优选的，包括步骤如下：

当需要测试多光谱透射率图像时，拍摄箱的内壁喷涂黑色哑光涂层，减少内壁光反射；位于样品架底部还连接设有与当拍摄箱底部密封连接的背光盒，背光盒内安装特征光源组合，为测试板提供均匀背景光；背光盒内部也为一个屏蔽外部光线的拍摄环境，其使用不透光材料制造，内壁喷涂白色的哑光涂层，增强盒内散射光；

背光盒和拍摄箱在测试板的位置相通，背光盒内的光线穿过测试板上的透射样品进入拍摄箱；

当需要测试多光谱透射率图像的工作流程为：1)将测试板摆放在样品架特定位置；2)开启特征光源组合中的一个或一个以上光源，从下方照明测试板，通过成像装置获取测试板的亮度图像；3)重复上一个过程N(N≥2)次，每次使用不同的光源，共产生测试板的N幅亮度图像；4)对于测试板上任意透射样品，使用其在N幅图像中对应像素的亮度数据计算其在N个相邻波段上的平均透射率数据。

本发明提供了一种多光谱成像集成系统及其装置和使用方法。具备以下有益效果：

本发明的多光谱成像集成系统及其装置和使用方法，结构简单，容易实施；不使用传统分光元件，生产成本降低；同时生成测试样品在一系列相邻波段上的反射率或透射率，光谱数据完整；使用经过标定的光源，使用时不需要测试照明光谱；封闭环境下检测，测试结果不受外界环境影响；快速变换光源实现多光谱成像，测试效率高。

具体本装置的工作原理与其它多光谱成像装置有显著区别在于：1)其它装置使用滤镜、光栅或棱镜获得多光谱图像，本装置不使用这些传统分光元件，所以成本较低。2)其它装置在单一光源下生成多光谱图像，本装置在多个特征光源下生成多光谱图像，变换光源所需要的时间很短，所以本装置检测效率较高。3)其它装置对光源没有特殊要求，本装置使用经过标定的光源而且将光源标定数据存储在装置上，检测效果不受外界环境影响，所以测试的准确度和精确度均显著提高。

本装置生成的数据与其它多光谱成像装置的数据也有区别：1)其它成像装置所获得的光谱数据与成像光源相关。如果要获得测试对象的反射率或透射率数据，这些装置还需要确定成像光源的光谱。本装置使用的光源已经标定，生成的反射率或透射率数据与光源无关。2)不同滤镜获得的数据在光谱上通常是孤立数值，不反映测试对象在测试范围内的整体光谱特征。本装置同时生成一系列相邻波段上的反射率或透射率，直接反映测试对象在测试范围内的整体光谱特征。

本发明的多光谱成像单元及其装置和使用方法，不仅仅可以用于食品安全检测、医疗诊断和艺术鉴别，还可以应用在比色分析领域。现在大量环境和健康检测都使用比色分析的原理，需要使用生化分析仪进行定量或定性分析。目前生化分析仪都是对单样品依次进行测试。将本装置用于比色分析，许多比色样品可以摆放在一起同时进行测试和分析，显著提高检测效率。

与生化分析仪相同，本装置测试样品在特定波长范围的光吸收率，所以，可以用于真正意义上的定量和定性比色分析。

附图说明

图1为本发明实施例2的显示测试多光谱反射率图像的装置结构示意图；

图2为本发明实施例3的显示测试多光谱透射率图像的装置结构示意图；

图3为本发明实施例2中特征光源组合包括的8个LED特征光源的光谱；

图4为本发明实施例2中使用的测试样品图样；

图5为本发明实施例2中成像单元在使用图3中不同光源下拍摄图4中测试样品获得的亮度图像；

图6为图5中获得的图4测试样品各色块系列的反射率光谱曲线(其中，编号1-10色块的曲线排列由高至低)。

图中：1.拍摄箱，2.成像单元，3.控制/显示单元，4.特征光源组合，5.样品架，6.测试板，7.样品，8.背光盒。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例1

本发明提供的多光谱成像单元，包括成像单元、特征光源组合、数据存储单元和数据处理器；特征光源组合使用N(N≥2)个线性独立的照明特征光源，其光谱在预定测试光谱范围内，光谱宽度不受限制；特征光源的标定数据存储在装置的数据存储单元中；成像单元在不同特征光源的照明下获得待测样品的一系列亮度图像；数据处理器和数据存储单元通过光源特征矩阵和相关计算从这些亮度图像获得测试待测样品在特定波长范围的光吸收率或反射率图像。

具体算法步骤包括如下：

1)特征光源：将预定测试光谱范围分割成M(M≥2)个相邻波段，将N(N≥2)个光源的光谱特征标定为一个M×N光源特征矩阵存储在数据存储单元中；

2)测试获得测试对象图像：在一个屏蔽外部光线的空间内，分别使用步骤1)中的特征光源以单独或组合方式照亮测试待测样品，通过成像单元获得测试待测样品在不同光源照明下的N个图像；

3)分析计算获得待测样品任意点的平均光反射率或透射率：基于N个图像的亮度数据，通过光源特征矩阵和相关计算，同时获得测试对象任意点在M个相邻波段上的平均光反射率或透射率，生成一系列相邻波段上的反射率或透射率，其展示测试对象在测试范围内的整体光谱特征。

特征光源使用N个具有不同中心波长的LED光源，特征光源中任一光源的光谱不能通过其它光源的线性组合获得；特征光源的光谱特征被标定为一个光源特征矩阵，具体标定方法如下：

将预定测试光谱范围分割成N个相邻波段，每一个波段占据一个从λ_j-1到λ_j(λ_j>λ_j-1,j＝1,2,…,N)的波长范围，波段宽度不限；

在第j个波段上的第i个光源的平均强度表示为

其中，I_i(λ)是通过外部光谱测试仪器测量出的第i个光源在λ波长的强度；

对N个波段和N个光源完成上面的计算构成一个N×N矩阵

矩阵代表每个特征光源分别在N个波段上的平均强度，该矩阵可以通过矩阵逆计算获得一个N×N矩阵，称为光源特征矩阵，被表示为：

所得的光源特征矩阵被储存在所述数据存储单元中。

在测试样品前，需要测试黑色或不透光标准样品和白色或透明标准样品的亮度数据，作为计算反射率或透射率的参照值；

获取黑色标准和白色标准数据的方法如下：

在放置样品的位置放置一个黑色标准样品，按照测试普通样品的方式分别在N个特征光源照明下获取N个黑色标准亮度的图像；然后使用同样方式测试白色标准样品，获得在N个特征光源照明下的N个白色标准亮度图像；经过黑、白标准样品测试，多光谱图像的任意像素ρ都具有对应各特征光源的黑色标准值和白色标准值，此表示为：

和/>

其中，下标“B”和“W”分别代表黑白标准值，“p”代表样品图像中任一个像素，黑色标准值和白色标准值也被存储在所述数据存储单元中。

构建N个特征光源和N个波段，获取待测样品在N个相邻波段反射率的方法如下：

分别在N个特征光源的照明下，通过成像单元获得样品的N个亮度图像；在第i个光源照明下，亮度图像的像素p的数值表示为：

其中A_p代表一个与设备相关的常数，R_jp代表样品在像素p对应位置在第j个波段上的平均反射率，G_jp代表成像单元的像素p在第j个波段上的平均敏感度，V_Bpi是在第i个光源下(包括周围环境的贡献)像素p的黑色标准值，I_ij是第i个光源在第j个波段上的平均强度；

公式(5)用一个N×N的线性系统表示：

其中

公式(6)可进一步表示为：

其中是公式(3)中的光源特征矩阵；

公式(8)可写作

在通常的实践中，白色标准样品的反射率被定义为一个单位(即“1”)，样品的反射率根据白色标准样品的反射率被归一化，当测量样品是白色标准样品时，每一个相关波段上的反射率都可以定义为1，公式(9)变成：

其中V_Wpj和V_Bpj是多光谱图像的p像素在j光源下的黑色标准值和白色标准值，由公式(4)表示；

合并上面的公式(9)和公式(10)，多光谱图像任意像素p在N个波段上的反射率可表示为

预定测试光谱范围分割方法还可采用方式如下：

可选择使用N个特征光源和M≤N个波段，在这样的情况下，在时使用标准最小二乘法，而在M≥N时使用单值矩阵分解(SVD)法来计算公式(2)或者公式(3)中的光源特征矩阵，并将获得M×N的维数，因此，公式(11)中反射率将具M个组成部分；

另外，也可使用M(M＞N)个特征光源和N个波段，并使用主分量分析的方法获得N×N的光源特征矩阵。

本发明提供的多光谱成像单元的工作原理与其它多光谱成像装置有显著区别：1)其它装置使用滤镜、光栅或棱镜获得多光谱图像，本发明的多光谱成像单元及其装置不使用这些传统分光元件。2)其它装置在单一光源下生成多光谱图像，本装置在多个特征光源下生成多光谱图像。3)其它装置对光源没有特殊要求，本装置使用经过标定的光源而且将光源标定数据存储在装置上。

本装置生成的数据与其它多光谱成像装置的数据也有区别：1)其它成像所获得的光谱数据与成像光源相关。如果要获得测试对象的反射率或吸收率数据，这些装置还需要确定成像光源的光谱。本装置使用的光源已经标定，生成的反射率或透射率数据与光源无关。2)不同滤镜获得的数据在光谱上通常是孤立数值，不反映测试对象在测试范围内的整体光谱特征。本装置同时生成一系列相邻波段上的反射率或透射率，直接展示测试对象在测试范围内的整体光谱特征。

本发明的多光谱成像集成系统及其装置和使用方法，装置结构简单巧妙，检测原理先进，本装置使用的光源已经标定，生成的反射率或透射率数据与光源无关，检测效果不受外界环境影响，且便于操作，检测准确度和精确度均显著提高；本装置同时生成一系列相邻波段上的反射率或透射率，直接反映测试对象在测试范围内的整体光谱特征，检测效率显著提高。可使用范围广，可以用于真正意义上的定量和定性比色分析。

实施例2

如图1所示，本发明提供的多光谱成像装置，使用上述多光谱成像单元，当需要测试多光谱反射率图像时，该装置包括拍摄箱1、成像单元2、控制/显示单元3、特征光源组合4、样品架5，拍摄箱1提供一个屏蔽外部光线的拍摄环境，其使用不透光材料制造，内部喷涂白色哑光涂层，提高内壁光散射率。拍摄箱1内部安装成像单元2和特征光源组合4。成像单元2获取样品6特定格式的图像(比如JPG格式图像)。

成像单元2可以使用普通的单色(黑白)或彩色成像单元(使用彩色系统时只使用其产生的亮度数据)。特征光源组合4为成像单元提供不同光谱特征的照明环境，光源前面安装散射膜或散射罩，使光源提供均匀发散的光线。拍摄箱1底部安装用于摆放样品的样品架5，撤换样品6时样品架5可拉出拍摄箱1。控制/显示单元3完成光源控制、数据采集、数据存储、数据处理和计算、操作和显示等功能。该装置可以使用电池或者外接直流电源。

本发明提供的多光谱成像装置的使用方法，包括步骤如下：

测试多光谱反射率图像的工作流程为：1)将样品6(例如比色条)放置在样品架5特定位置；2)开启特征光源组合4中的一个或一个以上光源提供照明，通过成像单元2获取样品7的亮度图像；3)重复上一个过程N(N≥2)次，每次使用不同的光源，共产生样品的N幅亮度图像；4)对于样品上特定色块样品7，通过其在N幅图像中对应像素的亮度数据获得色块在N个相邻波段上的平均反射率数据。

本发明的多光谱成像装置参数数据具体如下：

其中，特征光源组合包括8个不同中心波长的LED光源，这些光源的光谱如图3所示，可以看到，8个光源覆盖395nm-675nm的光谱范围，而各光源的光谱宽度有所不同。

将395nm-675nm光谱范围等分成8个波段，在8个波段上分别对8个LED光源进行标定，获得了一个8x 8光源特征矩阵，光源特征矩阵保存在装置的数据存储单元中。

本发明的多光谱成像装置的成像单元使用的是一个彩色数码成像模块，其生成的图像为JPG格式，该装置按常规通用方法从JPG数据中获得亮度数据。

本发明的多光谱成像装置中使用一个黑色标准和一个白色标准作为计算反射率的参照值。作为一个特例，黑白标准分别使用纯黑和纯白亚光涂料喷涂在与样品架匹配的纸板上制成。黑色和白色标准值产生的方式如下：

先将黑色标准摆放在拍摄箱1内的样品架5上，分别在特征光源组合4的各个特征光源照明下获得黑色样品亮度图像，然后以同样的方式获得白色样品在特征光源组合4的各个特征光源照明下的亮度图像，这些数据作为黑色和白色校准数据都保存在数据存储单元中。

如图4所示是为本发明测试多光谱实验装置制作的彩色样品，其包含8个不同颜色的色块系列，分别为：a红色，b粉红，c橙色，d黄色，e军绿色，f绿色，g蓝色，h紫色；每个颜色系列又分别包含由浅到深的10个色块，分别用数字1-10标示。

将图4制作的样品7摆放在拍摄箱1内的样品架5上，分别在8个特征光源照明下获得8个样品的亮度图像，如图5所示，其中展示的是在8个不同特征光源照明下获得的亮度图像，进一步与图3和图4中不同光源对应下的样品7相匹配的结果。对于样品7上的每个色块，本发明的测试多光谱实验装置使用其在8个图像中的亮度值，使用光源特征矩阵、黑色和白色校准数据和前述算法计算出各色块在8个波段上的平均反射率。结果如图6所展示的是使用本发明测试多光谱实验装置将图5中获得的对应图4样品7中各个色块的光谱曲线。可以清楚看到这些曲线反映了样品7中各个色块在整个测试范围内的光谱特征和这些色块颜色由浅到深的反射率光谱变化。这些对应的反射率测试数据表明本发明测试多光谱实验装置可以用于对成像区域内任意点进行真正意义上的比色定量分析。因为，其整个过程中成像和计算都可以在很短时间(比如数秒之内)完成，本装置可以对大量比色样品同时进行检测，显著提高检测效率。

实施例3

如图2所示，本发明提供的多光谱成像装置，当需要测试多光谱透射率图像时，该装置包括拍摄箱1、成像单元2、控制/显示单元3、特征光源组合4、样品架5和背光盒8。其中成像单元2、控制/显示单元3、特征光源组合4与实施例2中结构相同，其对应结构与好处不再一一赘述，不同之处在于，位于样品架5底部还连接设有与当拍摄箱1底部密封连接的背光盒8，背光盒内安装特征光源组合4，为测试板6提供均匀背景光；背光盒8内部也为一个屏蔽外部光线的拍摄环境，其使用不透光材料制造，内壁喷涂白色的哑光涂层，增强盒内散射光。

拍摄箱1的内壁喷涂黑色哑光涂层，减少内壁光反射。样品架5用于摆放专用于透射测试的测试板6。样品架5可根据防止样品需求进行拉开和推入拍摄箱1。背光盒8的功能是为测试板6提供均匀背景光。背光盒8内安装特征光源组合4，内壁喷涂白色的哑光涂层，增强盒内散射光。拍摄箱1和背光盒8都使用不透光材料制造。背光盒8和拍摄箱1在测试板6的位置相通，背光盒8内的光线穿过测试板6上的透射样品7进入拍摄箱。

本发明提供的多光谱成像装置的使用方法，包括步骤如下：

测试多光谱透射率图像的工作流程为：1)将测试板6摆放在样品架5特定位置；2)开启特征光源组合4中的一个或一个以上光源，从下方照明测试板6，通过成像装置2获取测试板6的亮度图像；3)重复上一个过程N(N≥2)次，每次使用不同的光源，共产生测试板的N幅亮度图像；4)对于测试板上任意透射样品7，使用其在N幅图像中对应像素的亮度数据计算色块在N个相邻波段上的平均透射率数据。

本发明的多光谱成像单元及其装置和使用方法，不仅仅可以用于食品安全检测、医疗诊断和艺术鉴别，还可以应用在比色分析领域。现在大量环境和健康检测都使用比色分析的原理，需要使用生化分析仪进行定量或定性分析。目前生化分析仪都是对单样品依次进行测试。将本装置用于比色分析，许多比色样品可以摆放在一起同时进行测试和分析，显著提高检测效率。

与生化分析仪相同，本装置测试样品在特定波长范围的光吸收率，所以可以用于真正意义上的定量和定性比色分析。

综上，本发明的多光谱成像集成装置及系统，检测原理与现有原理显著不同，其突出特点是结构简单，成本低，容易小型化，而且提供完整光谱数据。本装置使用的光源已经标定，生成的反射率或透射率数据与光源无关，检测效果不受外界环境影响，且便于操作，检测准确度和精确度均显著提高；本装置同时生成一系列相邻波段上的反射率或透射率，直接反映测试对象在测试范围内的整体光谱特征，检测效率显著提高。可使用范围广，可以用于真正意义上的定量和定性比色分析。

以上仅是本发明的实施例而已，例如，本发明的拍摄箱1、成像单元2和控制/显示单元3可独立或组合构成不同的装置。

再比如，可使用独立成像装置和独立拍摄箱生成样品在一系列特征光源下的图像，然后将这些图像传输到独立的数据处理单元处理和计算得到最终结果；均可以实现本发明的多光谱成像单元及其装置和使用方法。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多光谱成像单元，其特征在于，包括成像单元、特征光源组合、数据存储单元、数据处理单元和显示/控制单元；

所述特征光源组合使用在预定测试光谱范围内N(N≥2)个线性独立的光源，光源的光谱宽度不受限制；

特征光源组合在多个相邻波段上被标定，标定数据存储在数据存储单元中，成像单元在不同特征光源照明下生成待测样品的多个图像，数据处理单元和数据存储单元通过标定数据和相关算法对样品多个图像进行分析计算，获得样品在特定波长范围的光反射率或透射率光谱图像。

2.根据权利要求1所述的一种多光谱成像单元，其特征在于，具体算法步骤包括如下：

1)特征光源标定：将预定测试光谱范围分割成M(M≥2)个相邻波段，将N(N≥2)个光源的光谱特征标定为一个M×N光源特征矩阵存储在数据存储单元中；

2)测试获得测试对象图像：在一个屏蔽外部光线的空间内，分别使用步骤1)中的特征光源以单独或组合方式照亮测试样品，通过成像单元获得样品在不同光源照明下的N个图像；

3)分析计算获得测试样品任意点的平均光反射率或透射率：基于N个图像的亮度数据-样品图像任意像素，通过光源特征矩阵和相关计算，同时获得测试对象任意点在M个相邻波段上的平均光反射率或透射率；生成反射率或透射率直接展示测试对象在测试范围内的整体光谱特征。

3.根据权利要求2所述的一种多光谱成像单元，其特征在于，所述光源为经过标定的光源，所述特征光源使用具有不同中心波长的LED光源，所述特征光源的光谱中任一光源的光谱不能通过其它光源的线性组合获得；

所述特征光源的光谱特征被标定为一个光源特征矩阵，光源组合包括N个特征光源，具体标定方法如下：

将预定测试光谱范围分割成N个相邻波段，每一个波段占据一个从λ_j-1到λ_j(λ_j＞λ_j-1，j＝1，2，…，N)的波长范围，波段宽度不限；

在第j个波段上的第i个光源的平均强度表示为

其中，I_i(λ)是通过外部光谱测试仪器测量出的第i个光源在λ波长的强度；

对N个波段和N个光源完成上面的计算构成一个N×N矩阵

矩阵代表每个特征光源分别在N个波段上的平均强度，该矩阵可以通过矩阵逆计算获得一个N×N矩阵，称为光源特征矩阵，被表示为：

所得的光源特征矩阵被储存在所述数据存储单元中。

4.根据权利要求3所述的一种多光谱成像单元，其特征在于，在测试样品前，需要测试黑色或不透光标准样品和白色或透明标准样品的亮度数据，作为计算反射率或透射率的参照值；

获取黑色标准和白色标准数据的方法如下：

在放置样品的位置放置一个黑色标准样品，按照测试普通样品的方式分别在N个特征光源照明下获取N个黑色标准亮度的图像；然后使用同样方式测试白色标准样品，获得在N个特征光源照明下的N个白色标准亮度图像；经过黑、白标准样品测试，多光谱图像的任意像素p都具有对应各特征光源的黑色标准值和白色标准值，此表示为：

其中，下标“B”和“W”分别代表黑白标准值，“p”代表样品图像中任一个像素，黑色标准值和白色标准值也被存储在所述数据存储单元中。

5.根据权利要求4所述的一种多光谱成像单元，其特征在于，构建N个特征光源和N个波段，获取待测样品在N个相邻波段反射率的方法如下：

分别在N个特征光源的照明下，通过成像单元获得样品的N个亮度图像；在第i个光源照明下，亮度图像的像素p的数值表示为：

其中A_p代表一个与设备相关的常数，R_jp代表样品在像素p对应位置在第j个波段上的平均反射率，G_jp代表成像单元的像素p在第j个波段上的平均敏感度，V_Bpi是在第i个光源下(包括周围环境的贡献)像素p的黑色标准值，I_ij是第i个光源在第j个波段上的平均强度；

公式(5)用一个N×N的线性系统表示：

其中

公式(6)可进一步表示为：

其中是公式(3)中的光源特征矩阵；

公式(8)可写作

在通常的实践中，白色标准样品的反射率被定义为一个单位(即“1”)，样品的反射率根据白色标准样品的反射率被归一化，当测量样品是白色标准样品时，每一个相关波段上的反射率都可以定义为1，公式(9)变成：

其中V_Wpj和V_Bpj是多光谱图像的p像素在j光源下的黑色标准值和白色标准值，由公式(4)表示；

合并上面的公式(9)和公式(10)，多光谱图像任意像素p在N个波段上的反射率可表示为

6.根据权利要求5所述的一种多光谱成像单元，其特征在于，所述预定测试光谱范围分割方法还可采用方式如下：

可选择使用N个特征光源和M个波段，在这样的情况下，在M≤N时使用标准最小二乘法，而在M≥N时使用单值矩阵分解(SVD)法来计算公式(2)或者公式(3)中的光源特征矩阵，并将获得M×N的维数，因此，公式(11)中反射率将具M个组成部分；

另外，也可使用M(M.N)个特征光源和N个波段，并使用主分量分析的方法获得N×N的光源特征矩阵。

7.一种多光谱成像装置，其特征在于，使用权利要求1-6任何一项所述的一种多光谱成像单元，包括电源、拍摄箱和设置于其内部的成像单元、控制/显示单元、特征光源组合和样品架；

所述拍摄箱内部为一个屏蔽外部光线的拍摄环境；

所述特征光源组合为成像单元提供不同光谱特征的照明环境；所述样品架设于所述拍摄箱底部，用于摆放反射样品或透射样品测试板；所述成像单元设于所述拍摄箱顶部，与所述样品架相对设置，成像单元用于获取样品架或测试板上待测样品特定格式的图像；

所述控制/显示单元与所述特征光源组合电连接，用于控制特征光源组合、数据采集、数据存储、数据处理和计算、操作和显示功能。

8.根据权利要求7所述的一种多光谱成像装置，其特征在于，所述成像单元、特征光源组合、数据存储单元、数据处理单元和控制/显示单元可独立或组合构成不同的装置；

所述成像单元可选择使用普通的单色(黑白)或彩色成像单元(使用彩色系统时只使用其产生的亮度数据)；

所述特征光源组合的光源前面安装散射膜或散射罩，使光源提供均匀发散的光线。

9.根据权利要求8所述的一种多光谱成像装置的使用方法，其特征在于，包括步骤如下：

当需要测试多光谱反射率图像时，所述拍摄箱内部使用不透光材料制造，内部喷涂白色哑光涂层，提高内壁光散射率；所述拍摄箱内设有特征光源组合；

当需要测试多光谱反射率图像的工作流程为：1)将待测样品放置在样品架特定位置；2)开启特征光源组合中的一个或一个以上光源提供照明，通过成像单元获取样品的亮度图像；3)重复上一个过程N(N≥2)次，每次使用不同的光源，共产生样品的N幅亮度图像；4)对于待测样品上特定色块，通过其在N幅图像中对应像素的亮度数据获得色块在N个相邻波段上的平均反射率数据。

10.根据权利要求8所述的一种多光谱成像装置的使用方法，其特征在于，包括步骤如下：

当需要测试多光谱透射率图像时，所述拍摄箱的内壁喷涂黑色哑光涂层，减少内壁光反射；位于样品架底部还连接设有与所述拍摄箱底部密封连接的背光盒，背光盒内安装特征光源组合，为测试板提供均匀背景光；所述背光盒内部也为一个屏蔽外部光线的拍摄环境，其使用不透光材料制造，内壁喷涂白色的哑光涂层，增强盒内散射光；

所述背光盒和拍摄箱在测试板的位置相通，背光盒内的光线穿过测试板上的透射样品进入拍摄箱；

当需要测试多光谱透射率图像的工作流程为：1)将测试板摆放在样品架特定位置；2)开启特征光源组合中的一个或一个以上光源，从下方照明测试板，通过成像装置获取测试板的亮度图像；3)重复上一个过程N(N≥2)次，每次使用不同的光源，共产生测试板的N幅亮度图像；4)对于测试板上任意透射样品，使用其在N幅图像中对应像素的亮度数据计算样品在N个相邻波段上的平均透射率数据。