CN204718692U - 便携式智能多光谱成像检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种便携式智能多光谱成像检测装置，包括滤光单元、摄像单元、以及用于接收摄像单元图像数据的数据收发模块，所述滤光单元包括若干同轴且可独立转动的滤光片转盘，每个滤光片转盘上设有若干安装有滤光片的安装孔和至少一个避让孔，安装孔、避让孔和摄像单元的镜头的中心轴距离滤光片转盘中心轴的距离相等。本实用新型的便携式智能多光谱成像检测装置，以高度集成化的滤光片转盘和集成化的变焦距摄像方式，实现了装置的便携化、小型化；以白光LED作为主动照明光源，实现了光谱仪的低功耗化；脱离了传统的笔记本，以移动终端的通讯方式获取高光谱图像，并利用远程云共享服务器分析、处理高光谱的数据。

Description

便携式智能多光谱成像检测装置

技术领域

本实用新型涉及多光谱成像检测领域，具体涉及一种能在野外条件下和室内条件均能便携地对植物进行多光谱成像检测的装置。

背景技术

多光谱成像技术是当前图像处理及获取的前沿技术。由于能够获得同一物体多个光谱通道的图像，并利用多个通道的图像数据组成多光谱图像数据，为图像处理提供更多的信息量，在遥感、环境监测、食品安全、生物医疗、颜色信息处理等当面的应用。

目前，按照分光方式的不同，多光谱成像技术主要有色散型、干涉型和滤光片型等，色散型多光谱成像技术以棱镜或光栅作为色散元件，将通过狭缝的入射光按波长分散开来，再由成像系统将狭缝按波长成像在探测器的不同位置上；干涉型以干涉仪作为色散元件，利用双光束干涉原理获得入射狭缝的干涉图，然后通过傅立叶变换从干涉图中复原出狭缝的光谱。色散型和干涉型多光谱成像技术都是通过推扫或摆扫的方式获得二维目标的三维光谱图像信息，对平台的稳定性要求很高，且在同一次曝光中获得所有谱段光谱信息。采用滤光片的多光谱成像系统是在照相系统光路中加入滤光片，主要采用两种方式：第一种是将多个相同的相机放置在一起，镜头前分别放置不同波长的滤光片，这种方式能并行获取多个波长图像，但是给图像配准带来困难，且体积庞大；第二种方式是将不同种滤光片安装在一个转轮上，通过转轮切换滤光片，例如申请公布号为CN 103308466 A的专利文献公开了一种便携式滤光片色轮型多光谱成像系统及其光谱图像处理方法，包括成像仪镜头、滤光片色轮、步进电机、滤光片组、黑白图像传感器CCD、控制模块及光谱图像处理分析模块；控制模块的信号传输端口分别与步进电机、黑白图像传感器CCD及光谱图像处理分析模块的信号传输端口相接。传统的滤光片设置在一个滤光片色 轮上，当设置多个滤光片式，传统的单个滤光片色轮的结构庞大，且对系统结构稳定性要求高。

实用新型内容

本实用新型提供了一种便携式智能多光谱成像检测装置，该装置体积小、重量轻、功耗小。

本实用新型同时提供了一种多光谱成像检测方法，该方法能够快速实现对多种植物检测结果分析，实现对不同特征的多光谱特征的自能识别。

一种便携式智能多光谱成像检测装置，包括滤光单元、摄像单元、以及用于接收摄像单元图像数据的数据收发模块，所述滤光单元包括若干同轴且可独立转动的滤光片转盘，每个滤光片转盘上设有若干安装有滤光片的安装孔和至少一个避让孔，安装孔、避让孔和摄像单元的镜头的中心轴距离滤光片转盘中心轴的距离相等。

摄像单元一般包括相机以及镜头等部件，实现对图像的采集，所述相机一般为CCD工业相机。

作为优选，所有的滤光片的直径D必须比摄像单元的镜头的直径d大，不能遮住进入摄像单元的镜头的光线；每一个滤光片的透过光波带宽均在1nm-10nm之间，具体数值根据测量要求可更换。使用时，保证非转动的滤光片转盘都是空白的圆孔与摄像单元的镜头同轴相对，即摄像单元的镜头前面只有当前滤光片转盘上的一个滤光片。

作为优选，还包括照明模块，所述照明模块与滤光单元可拆卸连接。在自然光满足要求时，可将照明模块拆卸，进一步降低整机体积，提高实用性。

作为优选，所述照明模块为立方体结构；所述立方体结构顶面与摄像单元的镜头对正设置，该侧内壁设有LED阵列；所述立方体结构与LED阵列相对的一侧设有标准漫反射白板；所述立方体结构的其他四个侧壁内壁为反射镜。

作为优选，所述LED阵列为轴对称和中心对称分布。为标准漫反射白板提供均匀的光照。

作为优选，还包括与数据收发模块进行信息传输的移动终端以及与移动终端实现通讯的远程云共享服务器。所述移动终端可选择手机等。

作为优选，所述数据收发模块上集成有蓝牙收发模块、wifi收发模块和zigbee收发模块。进一步提高整个检测装置的智能化。

本实用新型还提供了几种进行多光谱成像检测方法，分别为：

一种利用上述便携式智能多光谱成像检测装置进行多光谱成像检测方法，包括：

(1)利用标准漫反射白板，进行标准反射率标定；

(2)将叶片夹持在标准漫反射白板上，对准摄像单元的镜头；

(3)转动其中一个滤光片转盘，使该滤光片转盘上的某一滤光片与摄像单元的镜头同轴，且其他滤光片转盘的避让孔与摄像单元的镜头同轴，获取该滤光片透射波段的光谱图；依次转动滤光片转盘，完成对所有滤光片透射波段的光谱图。

上述技术方案适于自然光满足检测要求的场合，对于自然光偏暗的场合，优选的技术方案如下：

一种利用上述便携式智能多光谱成像检测装置进行多光谱成像检测方法，包括：

(1)打开照明模块，利用标准漫反射白板，进行标准反射率标定；

(2)将叶片夹持在标准漫反射白板上，对准摄像单元的镜头；

(3)转动其中一个滤光片转盘，使该滤光片转盘上的某一滤光片与摄像单元的镜头同轴，且其他滤光片转盘的避让孔与摄像单元的镜头同轴，获取该滤光片透射波段的光谱图；依次转动滤光片转盘，完成对所有滤光片透射波段的光谱图。

为进一步实现全自动检测，作为优选的技术方案为：

一种利用上述便携式智能多光谱成像检测装置进行多光谱成像检测方法，包括：

(1)利用移动终端打开照明模块，利用标准漫反射白板，进行标准反射率标定；

(2)将叶片夹持在标准漫反射白板上，对准摄像单元的镜头；

(3)转动其中一个滤光片转盘，使该滤光片转盘上的某一滤光片与摄像单元的镜头同轴，且其他滤光片转盘的避让孔与摄像单元的镜头同轴，获取该滤光片透射波段的光谱图；依次转动滤光片转盘，完成对所有滤光片透射波段的光谱图；

(4)通过数据收发模块将光谱图至移动终端，通过移动终端将光谱图发送到远程云共享服务器，远程云共享服务器将接收的光谱图与系统预存的数据库对比，判断被测植物的生理状态。

作为优选，所述移动终端同时将当前的光谱图和生理状态信息存入远程云共享服务器中。完成对数据的自学习。

本实用新型的目的是为了实现多光谱测量装置体积小、重量轻、功耗小，并且实现对多种植物检测结果进行训练、分析，实现对不同特征的多光谱特征的智能识别。

本实用新型中，所述镜头一般为变焦距镜头，所述变焦距镜头为含有多项式非球面透镜组成的畸变较小的连续变焦镜头。优选的变焦距镜头为1.5mm至30mm变焦镜头，镜头为F＝1.4，含有多个非球面镜片。

所述的远程云共享服务器包含了多种植物的各种生理状态的数据库。数据库可采用直接将现有数据输入，也可通过系统机器学习自行得到。从而实现对多种植物检测结果进行训练、分析，实现对不同特征的多光谱特征的自能识别。

与现有技术相比，本实用新型的优点是：

本实用新型的便携式智能多光谱成像检测装置，以高度集成化的滤光片转盘和集成化的变焦距摄像方式，实现了装置的便携化、小型化；以白光LED作为主动照明光源，实现了光谱仪的低功耗化；脱离了传统的笔记本，以移动终端的通讯方式获取高光谱图像，并利用远程云共享服务器分析、处理高光谱的数据。

附图说明

图1是本实用新型的便携式智能多光谱成像检测装置的结构组成示意图；

图2是图1中的照明模块的组成示意图；其中(a)为照明模块立方体构造立体图，(b)为照明模块AA1BB1侧的正视图；

图3是图2中照明模块中LED的排布示意图；

图4是图1中滤光片转盘阵列与变焦距镜头、CCD工业相机的布置示意图；

图5是图4中滤光片转盘的示意图；

图6是野外自然光条件下的多光谱测量示意图；

图7是智能终端与多光谱数据收发模块、远程云共享服务器无线通信的示意图。

上述附图中：

1-均匀照明模块；101-白板；2-数据收发模块；3-滤光片转盘阵列；301-滤光片转盘；31-圆孔；32-圆孔；33-圆孔；34-圆孔；35-圆孔；36-圆孔；4-变焦距镜头；5-CCD工业相机；6-手柄；7-LED阵列；9-远程云共享服务器。

具体实施方式

如图1所示，便携式智能多光谱成像检测装置包括便携式智能多光谱成像检测装置包括：均匀照明模块1、数据收发模块2、滤光片转盘阵列3、变焦距镜头4、CCD工业相机5、手柄6。

如图2所示，均匀照明模块1为立方体构造，其中四侧内壁为反射镜，靠近变焦距镜头4的一侧CC1DD1为铝基板，铝基板内壁具有优化设计排布的LED阵列，正对该侧的一侧AA1BB1为一个标准漫反射白板101，由硫酸钡或者氧化镁均匀喷涂制备得到。

如图3所示，优化设计排布的LED阵列7满足轴对称和中心对称分布，以实现对标准漫反射白板101提供均匀的光照。

作为一种优选的方案，均匀照明模块1与滤光片转盘阵列3之间可选择可拆卸联系，当外界光线较好，满足测量要求时，可直接将均匀照明模块1拆卸。

如图4和图5所示，滤光片转盘阵列3由N层滤光片转盘301组成， N由测量要求确定，每个滤光片转盘301上设有若干通孔，所有通孔均为圆孔，所有圆孔的圆心均位于一个与滤光片转盘301同轴的圆周上，每个滤光片转盘上均有一个圆孔是没有滤光片的，即作为空白圆孔，如图5中，圆孔31不设置滤光片，圆孔32-36均设有不同透过光波带宽的滤光片，每一个滤光片的透过光波带宽均在1nm-10nm之间，具体数值根据测量要求可更换；所有的滤光片的直径D必须比变焦距镜头4的直径d大，不能遮住进入镜头的光线。N层滤光片转盘301可单独自由转动。使用时，保证非转动的滤光片转盘都是空白的圆孔与变焦距镜头4同轴相对，工作的滤光片转盘的对应滤光片所在的圆孔与变焦距镜头4同轴相对，即镜头前面只有一个滤光片。

本实施例中，优选的变焦距镜头4为1.5mm至30mm变焦镜头，镜头为F＝1.4，含有多个非球面镜片；

CCD工业相机5用于生成图像，并将图像储存在数据收发模块2中。

手柄6为实现对整个检测装置的定位，方便使用者使用。

如图7，作为进一步优选的实施例，本实用新型的便携式智能多光谱成像检测装置还可实现与手机等移动终端、远程云共享服务器的互动：

所述的数据收发模块2集成了蓝牙收发模块、wifi收发模块和zigbee收发模块，同时可在数据收发模块2上设置数据传输接口；

所述的远程云共享服务器9包含了多种植物的各种生理状态的数据库。测量获得的高光谱图像完成多光谱图像的融合和人为选定特征区域的光谱图像处理，并可以选择性地将处理后的融合光谱图和特征光谱图传输到远程云共享服务器中，与数据库中的植物的各种生理状态进行比对、分析，判被测植物的生理状态，然后将结果从终端输出；同时通过手机等移动终端可实现对便携式智能多光谱成像检测装置的参数设定和控制。

本如图6和图7，实用新型提出的测量植物多光谱数据的方法分为主动照明方式和自然光测量方式；

主动照明方式下，使用者通过移动终端激活均匀照明模块1中的LED阵列7，然后利用标准漫反射白板101，对200nm-900nm的光谱进行标准反射率标定，标定由移动终端上的软件自动完成。完成标准反射率标定后， 将待测的叶片夹持在标准漫反射白板101上，保持LED阵列7正常照明，转动滤光片转盘301，使滤光片(比如滤光片32)与变焦距镜头4同轴，获取所有滤光片透射波段的光谱图，光谱图总数为一个滤光片转盘301上滤光片数量与滤光片转盘301总数量的乘积。

自然光测量方式下，使用者无需激活LED阵列7，并可卸掉均匀照明模块1，并根据成像的距离要求更换不同焦距的成像镜头。调整装置完毕后，首先利用标准漫反射白板，在所处的自然状态下，进行标准反射率标定。完成标准反射率标定后，则转动滤光片转盘301，使滤光片比如滤光片32)与变焦距镜头同轴，获取所有滤光片透射波段的光谱图。

Claims (6)

1.一种便携式智能多光谱成像检测装置，包括滤光单元、摄像单元、以及用于接收摄像单元图像数据的数据收发模块，其特征在于，所述滤光单元包括若干同轴且可独立转动的滤光片转盘，每个滤光片转盘上设有若干安装有滤光片的安装孔和至少一个避让孔，安装孔、避让孔和摄像单元的镜头的中心轴距离滤光片转盘中心轴的距离相等。

2.根据权利要求1所述的便携式智能多光谱成像检测装置，其特征在于，还包括照明模块，所述照明模块与滤光单元可拆卸连接。

3.根据权利要求2所述的便携式智能多光谱成像检测装置，其特征在于，所述照明模块为立方体结构；所述立方体结构顶面与摄像单元的镜头对正设置，该侧内壁设有LED阵列；所述立方体结构与LED阵列相对的一侧设有标准漫反射白板；所述立方体结构的其他四个侧壁内壁为反射镜。

4.根据权利要求3所述的便携式智能多光谱成像检测装置，其特征在于，所述LED阵列为轴对称和中心对称分布。

5.根据权利要求2所述的便携式智能多光谱成像检测装置，其特征在于，还包括与数据收发模块进行信息传输的移动终端以及与移动终端实现通讯的远程云共享服务器。

6.根据权利要求5所述的便携式智能多光谱成像检测装置，其特征在于，所述数据收发模块上集成有蓝牙收发模块、wifi收发模块和zigbee收发模块。