CN204859430U - 一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统，属于光学成像领域。其结构及使用方法如下：光源参数设置模块通过光源控制模块对光源的色温及光通量进行调控；光源探测模块通过对光源温度、颜色的探测对光源进行调控；单色相机的信号输出端口将每一帧图像曝光开始与结束的电平信号或者计算机指令传输给光源控制模块或光源参数设置模块使光源发光时刻与曝光时刻完全同步，单色相机分别拍摄三张图片并激发已设定光源的红、绿、蓝光依次同步发光，将三种分量图片在单色相机内部合成一张彩色图片，在外部设备进行显示或存储。它具有完整、快速、精确的交互性，实现了对物体的标准图像信息的高速、实时、高分辨率精确采集和标定。

Description

一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统

技术领域

本发明涉及光学成像领域，具体地，涉及一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统。

背景技术

对感兴趣的物体或者场景进行数字成像后的输出图像一般有两种形式：黑白图像与彩色图像。黑白图片是使用未加有滤光片的图像传感器(比如CCD、CMOS等)对物体、环境进行感光而获得的。由于图像传感器本身无法识别光响应区间内的不同波长的光，也就是对其而言没有“颜色”的概念，因此只能记录光强的明暗信息，最终得到单色的黑白图像。

彩色图片的获得一般是通过在图像传感器的像元表面加上一块RGB滤光片阵列(Bayer滤波片)，阵列中滤光片会通过与自己颜色相同的光而过滤掉其他光；结合该滤光片阵列的信息，图像传感器就能够“识别”像元中接收到的光的颜色或波长信息，从而奠定彩色成像的基础。但是在这一过程中滤光片中被滤掉的其他光的信息只能从其他区域中推算出来，这个方式称为“解码”或者“色彩还原”。目前的色彩解码算法已经能较好地反应被拍摄物的色彩信息，但是，与光强信息未损失的单色图像传感器相比，带有Bayer滤波阵列的彩色图像传感器的分辨率、信噪比、光响应灵敏度都会下降。

为了使成像设备同时具有单色相机高分辨率、高信噪比以及高灵敏度等优点以及彩色成像的功能，目前可以有如下几种方式：(1)单个相机内包含三个图像传感器，每个图像传感器前面分别有一块红色、绿色、蓝色的滤光片，入射光被分成红色、绿色、蓝色的分量再分别被三个图像传感器所接收；其优点是彩色的信息几乎被完整的保留下来，不需要进行解码，能够实时显示彩色图片；缺点是价格昂贵，需要三个图像传感器，并且由于要进行三张图片的叠加，对稳定性与精密性有较大要求；(2)机械轮换切换RGB三个滤光片以依次获得R、G、B三个光分量，再用单个图像传感器分别对三个光分量依次成像，通过软件再将三张灰度图片合成彩色图片；这类方法同样能保留较完整的彩色信息，优点是不需要使用三个图像传感器，但其缺点为：通过机械切换光源后，形成三张灰度图片，拍摄拍摄耗费时间很长，且彩色图片通过软件合成，无法高速实时显示，效率过低。

通过解码或者软件合成的彩色图片尽管比较真实地反映了物体的色彩信息，但其实往往会跟人眼所看到的不一致。人类的视觉系统具有颜色恒常性的特点，在不同的光照条件下观察到的物体的颜色是不变的，但相机并不具备这样的自适应能力，比如，相机拍摄到的红色灯光照射下的白纸将会呈现出红色而不是白色。因此，为获得与人体视觉系统所看到的相同的认为是正确的图像信息，消除光源颜色或者更确切的是光源的色温对成像的影响，在彩色相机对原始图像进行解码或者色彩还原后还需要进行“白平衡”的处理。白平衡的实质是将照射光(环境)的色温转化为标准白光的色温。目前的白平衡算法包括了灰度颜色世界算法，白色块算法，颜色相关性算法，色域映射算法等，从白平衡操作方式上也可以分为区域法、白纸法、标准卡片校准法以及自动白平衡等方式。这些算法和操作方式在实际效果和应用范围内各有优劣，不同的白平衡可能会导致显著不同的结果和差异。并且，实际上，很多拍摄的光线是非常复杂的，包含了不同的色温区间。实质上白平衡后对应的图像的色温是不确定且不统一的，无法保证获得的跟人眼完全相同的图像。

因此，存在一个问题：如何获得一个物体的标准彩色图像信息，在很多实际过程中，物体的标准彩色图像信息具有非常重要的意义。比如，在病理切片的采样分析中，彩色信息是作为诊断的重要依据；在对牙模的配色时，需要对原有的牙齿样品进行颜色采样；对壁画书法等文物、刑侦证据的影像拍摄时，要求能够完整复制其信息；在图像拼接等图像处理领域中，要求离散的图像在同一个环境条件下进行拍摄以便能够获得一个统一的图像。综上所述，克服目前“色彩还原”以及“色温白平衡”的各种问题，提供一种用单个图像传感器在已知光源色温下进行高速实时成像拍摄的应用系统意义重大。

中国发明专利，公开号：CN102192729A，公开日：2011.9.21，公开了一种成像系统，用于高速彩色检测，包括一光源装置、一相机装置、一数据采集及处理装置、一同步装置，该光源装置包括若干个不同光色的发光二极管，该相机装置与数据采集及处理装置信号连接，该同步装置用于向光源装置及相机装置同步发送高频控制信号，用于控制该光源装置的不同光色的发光二极管依次循环闪烁，并与相机装置的拍摄动作保持一致，该相机装置将拍摄后的图像发送给数据采集及处理装置进行合成处理得到彩色图像。该发明的彩色成像方法，成本低、成像效果好，并适用于高速拍摄及检测。其不足之处是：(1)没有光源参数控制功能，无法对不同光色发光二极管进行色温以及光通量的控制，即无法调节总光源的色温从而获得在某一色温条件物体的标准颜色信息，导致拍摄物体的颜色出现偏差，不可作为物体图像定标的装置；(2)缺乏光源探测模块，无法对光源进行实时校正；(3)增加了同步装置，使交互复杂性提高，该同步装置可省略，由相机负责同步功能；(4)拍摄后的图像需要发送到外部处理设备合成彩色图片，无法在相机内部硬件实现，将会耗费较多时间。

中国发明专利，公告号：CN101150732B，公告日：2010.08.11，公开了一种用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置，在饱和度调节因子取值范围为：0.5～3；亮度增益取值范围为0.5～3时，在不受外界光影响或外界光影响可忽略的环境以及被拍摄物体在合成彩色图像的一轮拍摄过程中相对相机静止条件下，能通过光源发光强度调节电路实现红色LED灯环形光源祖、绿色LED灯环形官员组、蓝色LED灯环形光源组亮度单独可调来调节白平衡；在拍摄时，能通过光源发光顺序控制电路实现各组光源单独关闭和打开；在光源准备好后，能通过控制电路实现触发相机拍摄图像。通过采用上述方法和结构，就可提供一种颜色逼真、无需滤光片、对光灵敏度高、能够满足尖端应用、成本低的用黑白相机拍摄彩色图像的成像方法和装置。其不足之处为：(1)需要进行白平衡的设置，且设置过程非常繁琐，需要手动不断调整R、G、B分量的强度值，时间花费大，精确度低，无法获得物体的标准颜色信息；(2)无光源探测模块，无法实时校正光源状态；(3)拍摄过程为手动拍摄，需要手动改变光源并开始拍摄，耗费时间长，交互性较差；(4)三张R、G、B图要输出外相机外通过软件合成彩色图片，无法实时合成并进行显示。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

针对现有技术中彩色成像性价比高，无法实时显示，效率低，白平衡效果不准确，无法获得正确的彩色图像的问题，提出了一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统。它实现了在光源色温可控、可调条件下，通过相机同步控制光源，无需白平衡，实现微秒级高速实时彩色成像显示与拍摄。

2.技术方案

为解决上述问题，本发明提供的技术方案为：

一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统，包括单色相机、图像处理模块和光源，它还包括触发信号输出模块、相机控制模块、光源控制模块、光源探测模块、光源参数设置模块和外部设备；

其中，所述的单色相机内设有图像处理模块和触发信号输出模块；所述的相机控模块的输出端分别与所述的单色相机的输入端、所述的触发信号输出模块的输入端和所述的光源参数设置模块的输入端连接，相机控制模块控制单色相机进行曝光拍照的同时，能够控制触发信号输出模块瞬时输出曝光触发信号到光源控制模块，所述的触发信号输出模块的输出端、所述的光源参数设置模块的输出端和所述的光源探测模块的输出端均与所述的光源控制模块的输入端连接，所述的光源控制模块的输出端与所述的光源连接，光源控制模块激发光源的RGB三分量进行同步发光，无需时间间隔与手动操作，所述的单色相机曝光拍照，所述的光源探测模块的输入端与所述的光源连接；

所述的单色相机的输出端与所述的图像处理模块的输入端连接，所述的图像处理模块将所述的单色相机拍摄到的三张分量图片合成彩色图片，所述的图像处理模块的输出端与所述的外部设备的输入端连接；所述的图像处理模块将三张分量图片合成彩色图片以及合成的彩色图片传输给外部设备，从而实现微秒级的高速实时彩色图像采集；

所述的光源参数设置模块和所述的相机控制模块均设置在所述的外部设备内。

所述的单色相机和光源之间通过触发传输电缆连接，所述的光源与所述的外部设备之间通过数据/指令传输线连接，所述的外部设备与所述的单色相机之间也通过数据/指令传输线连接。

各个组件均通过计算机指令或者电平信号联系在一起，具备完整、快速、精确的交互性。

通过光源参数设置软件、光源控制硬件模块与光源探测模块能够获得特定性质的光源，避免彩色成像所需要的白平衡操作。

相机控制模块控制单色相机进行曝光拍照的同时能够瞬时输出曝光触发信号到光源控制模块激发光源的RGB三分量进行同步发光，无需时间间隔与手动操作，并将三张分量图片合成彩色图片进行输出，从而实现微秒级的高速实时彩色图像采集。

优选地，所述的相机控制模块上设置有用于设置单色相机曝光时间的曝光时间模块、用于设置单色相机增益模式的增益模式模块、用于设置单色相机拍摄模式的拍摄模式模块。所述的相机控制模块与触发信号输出模块连接，即将曝光开始与结束的指令通过触发信号输出模块同时发送给光源控制模块，光源控制模块控制光源的红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯同步发光，实现光源光照时刻与相机的曝光时刻达到完全同步，时间误差在微秒量级。

优选地，所述的光源由红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯三种灯组成；所述的光源探测模块的输入端分别与所述的光源中的三种灯连接，所述的光源中的三种灯均与所述的光源控制模块的输出端连接，所述的光源的三种灯红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯依次分别对应为：R、G、B三种大功率LED贴片灯珠，R、G、B三种灯珠混合交叉排列。以达到最佳的混合白光效果，从而减小色差。

优选地，为实现光源的色温、光通量可控且连续可调，要对R、G、B光源进行合成计算与测试，通过LED光电测试系统对光源进行LED灯的光电参数测试得到如下数据：R、G、B三种LED单色光的电流/电压大小与色坐标的关系；R、G、B三种LED单色光的电流/电压大小与光通量的关系；不同色温的混合光的色坐标以及对应的R、G、B三种LED单色光分量的比例；根据下列公式得到混合光在任意色温任意光通量下的R、G、B三种LED单色光的控制参数：

其中，L_w＝L_r+L_g+L_b，(x_r,y_r,z_r)、(x_g,y_g,z_g)、(x_b,y_b,z_b)分别为R、G、B三种LED单色光的色坐标，(x_w,y_w,z_w)为目标混合光的色坐标，L_r、L_g、L_b分别为R、G、B三种LED单色光的光通量，L_w为目标混合光的光通量，任意色温对应的R、G、B三灯的L_r、L_g、L_b的比值由黑体辐射曲线决定；将所获得的不同色温下，所需要的R、G、B三种LED单色光的光通量所对应的电流/电压大小与色坐标的关系，提供给光源参数设置模块用于设置光源的控制参数。

用LED光电探测系统对光源进行LED灯的光电参数测试的目的是为探测LED灯在不同电流或者电压下的色坐标以及光通量，这样在设计软件的时候才能提供合适的参数去控制光源从而获得想要的某个色温某个光通量的光源，保证光源的性能参数稳定，为系统提供可靠的光源，保证系统的光源稳定可靠的持续工作。

优选地，光源参数设置模块对目标混合光的色温以及光通量进行设置，共有两种设置方法：①分别调控红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯的色坐标和光通量，合成目标混合光的色温和光通量；②调节目标混合光的色温和光通量，自动分配红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯的色坐标和光通量值。光源参数设置模块设置参数发送到光源控制模块对光源的红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯的发光光通量进行更改。

优选地，所述的光源控制模块的控制算法包括两种：①脉冲振幅调制，在脉冲占空比不变的情况下，通过改变红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯三灯的电压/电流，改变目标混合光的色温与光通量；②脉冲宽度调制，在红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯三灯的电压/电流不变的情况下，通过改变占空比来调节目标混合光的色温与光通量。

优选地，所述的触发信号输出模块包括：①软件触发信号输出模块，位于光源参数设置模块中；②硬件触发信号输出模块，位于单色相机内；软件触发信号输出模块的数据输入端与光源参数设置模块的输入端连接，软件触发信号输出模块的数据输出端与硬件触发信号输出模块的输入端连接，所述的硬件触发信号输出模块的输出端与光源控制模块的输入端连接。具体地，当单色相机曝光开始时，触发信号输出模块发出一个计算机指令或者电平信号指示光源控制模块激发对应的LED灯开始发光；当单色相机曝光结束时，触发信号输出模块再发出一个计算机指令或者电平信号指示光源控制模块关闭对应的LED灯。其中，触发信号输出模块有两种类型：①软件触发信号输出模块，位于光源参数设置模块中，在电脑端接收单色相机的曝光开始与结束指令，并即时发送给光源控制模块；②硬件触发信号输出模块，位于单色相机内，通过输出插座的三个管脚分别将电平信号发送给光源控制模块，实现对红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯三种LED灯的分别控制。

优选地，所述的光源探测模块主要包括温度传感器和光谱传感器，温度传感器通过探测光源的工作温度反馈给光源控制模块，根据R、G、B三种LED单色光的电流/电压大小与色坐标的关系，光源控制模块分别调节三种灯的电流/电压大小对色坐标进行调整；光谱传感器通过探测光源的实时光通量，将数据反馈给光源控制模块，光源控制模块通过脉冲振幅调制或脉冲宽度调制调节占空比从而对光通量进行调整。其作用是使红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯的光源发出的光的色温以及光通量处于正确、稳定的状态，光源控制模块同时控制光源探测模块与光源同步工作，对光源的发光行为进行实时探测。

优选地，所述的外部设备为计算机。

一种物体标准颜色信息的彩色成像系统的使用方法，其步骤如下：

A、构建以上所述的系统；

B、打开光源的电源，将物体放置于光源下，调节单色相机的焦距，使单色相机对物体清晰成像；

C、通过LED光电测试系统对光源进行LED光电参数测试，测试R、G、B三种LED单色光的电流/电压大小与光通量、色坐标的关系，不同色温的目标混合光的色坐标以及对应的R、G、B分量的比例，从而获得光源参数的设定关系；

D、打开外部设备，打开光源参数设置模块；光源控制模块接收光源参数设置模块的红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯的光通量控制参数，根据上文所述的两种控制算法，调节混合光的色温与光通量；该组件与步骤的目的是提供一个色温已定的光源去照射物体，通过该方式，能够避免单色相机在一个光源色温未知的条件下进行白平衡和拍摄，导致图像的颜色误差，从而获得物体标准的颜色信息；

E、根据物体所需要拍摄的光源色温条件，在光源参数设置模块中设置光源(2)的目标混合光的色温与光通量，或者对R、G、B三个分量的色温与光通量分别进行设置；

F、打开相机控制模块；

G、在相机控制模块上设置单色相机的曝光时间、增益模式、拍摄模式；为获得一张彩色图片，需要分别拍摄红色、绿色、蓝色三张分量图片，单色相机开始工作时，首先拍摄红色分量，在曝光开始的那一时刻，通过触发信号输出模块(软件或者硬件)将计算机指令或者电平信号即时传输给光源控制模块触发红光LED灯开始发光照射在物体上，当曝光结束时，触发信号输出模块(软件或者硬件)再将计算机指令或者电平信号即时传输给光源控制模块触发红光LED灯关闭，完成红色分量的拍摄后，单色相机对该图像进行保存并且立即以相同方式开始绿色分量图像的拍摄与保存，最后，再以相同方式获得蓝色分量图像。此外，光源开启的过程中，光源探测模块实时对光源的温度以及光通量进行探测，将信息反馈给光源控制模块对光源进行调控，通过上述连接方式，单色相机与光源之间具备很高的交互能力，曝光开始(或结束)与光源启动(或关闭)的时间延迟在微秒量级，结束一帧图像的曝光与开始新一帧图像的时间间隔在微秒量级。

H、单色相机接收到曝光拍摄命令后，进行拍摄，单色相机内部的图像处理模块将所获得的三张分量图片合成为一张彩色图片，并将这四张图片输出到外部设备上进行显示或存储；通过上述步骤可知，由于三个颜色分量分别独立获得，因此图像具备高分辨率特性；此外，相机获得一张具备物体标准颜色信息的彩色图像的时间即约为单张曝光时间的三倍，无需长时间等待或者操作，能够实现微秒级的高速成像。

I、如果还需要其他色温与光通量条件下的物体标准颜色信息，在光源参数设置模块中重新设置光源的目标混合光的色温与光通量，或者设置R、G、B三个分量的色温与光通量；按照步骤F、G和H，即可得其他色温与光通量条件下的物体标准颜色信息；

J、关闭光源和外部设备。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

(1)本发明相机控制模块控制单色相机进行曝光拍照的同时，能够控制触发信号输出模块瞬时输出曝光触发信号到光源控制模块，光源控制模块激发光源的RGB三分量进行同步发光，无需时间间隔与手动操作，所述的单色相机曝光拍照，单色相机的输出端与所述的图像处理模块的输入端连接，所述的图像处理模块将所述的单色相机拍摄到的三张分量图片合成彩色图片，所述的图像处理模块的输出端与所述的外部设备的输入端连接；所述的图像处理模块将三张分量图片合成彩色图片以及合成的彩色图片传输给外部设备，从而实现微秒级的高速实时彩色图像采集；

(2)本发明所述的外部设备为计算机或者显示器，所述的单色相机和光源之间通过触发传输电缆连接，所述的光源与所述的外部设备之间通过数据/指令传输线连接，所述的外部设备与所述的单色相机之间也通过数据/指令传输线连接；各个组件均通过计算机指令或者电平信号联系在一起，具备完整、快速、精确的交互性；通过光源参数设置软件、光源控制硬件模块与光源探测模块能够获得特定性质的光源，避免彩色成像所需要的白平衡操作；

(3)本发明所述的光源由红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯三种灯组成；所述的光源探测模块的输入端分别与所述的光源中的三种灯连接，所述的光源中的三种灯均与所述的光源控制模块的输出端连接，所述的光源的三种灯红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯依次分别对应为：R、G、B三种大功率LED贴片灯珠，R、G、B三种灯珠混合交叉排列；以达到最佳的混合白光效果，从而减小色差；

(4)本发明为实现光源的色温、光通量可控且连续可调，要对R、G、B光源进行合成计算与测试，LED光电测试系统对光源进行LED灯的光电参数测试，检测光源的LED灯的性能参数，在不同电流或者电压下的色坐标以及光通量，这样在设计软件的时候才能提供合适的参数去控制光源从而获得想要的某个色温某个光通量的光源，保证光源的性能参数稳定，为系统提供可靠的光源，保证系统的光源稳定可靠的持续工作；

(5)本发明当单色相机曝光开始时，触发信号输出模块发出一个计算机指令或者电平信号指示光源控制模块激发对应的LED灯开始发光；当单色相机曝光结束时，触发信号输出模块再发出一个计算机指令或者电平信号指示光源控制模块关闭对应的LED灯。其中，触发信号输出模块有两种类型：①软件触发信号输出模块，位于光源参数设置模块中，在电脑端接收单色相机的曝光开始与结束指令，并即时发送给光源控制模块；②硬件触发信号输出模块，位于单色相机内，通过输出插座的三个管脚分别将电平信号发送给光源控制模块，实现对红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯三种LED灯的分别控制；

(6)本发明光源控制模块接收光源参数设置模块的红光LED灯、绿光LED灯和蓝光LED灯的光通量控制参数，根据文中所述的两种控制算法，调节混合光的色温与光通量；该组件与步骤的目的是提供一个色温已定的光源去照射物体，通过该方式，能够避免单色相机在一个光源色温未知的条件下进行白平衡和拍摄，导致图像的颜色误差，从而获得物体标准的颜色信息；

(7)本发明为获得一张彩色图片，需要分别拍摄红色、绿色、蓝色三张分量图片；单色相机开始工作时，首先拍摄红色分量，在曝光开始的那一时刻，通过触发信号输出模块(软件或者硬件)将计算机指令或者电平信号即时传输给光源控制模块触发红光LED灯开始发光照射在物体上，当曝光结束时，触发信号输出模块(软件或者硬件)再将计算机指令或者电平信号即时传输给光源控制模块触发红光LED灯关闭，完成红色分量的拍摄后，单色相机对该图像进行保存并且立即以相同方式开始绿色分量图像的拍摄与保存；最后，再获得蓝色分量图像。此外，光源开启的过程中，光源探测模块实时对光源的温度以及光通量进行探测，将信息反馈给光源控制模块对光源进行调控。通过上述连接方式，单色相机与光源之间具备很高的交互能力；曝光开始(或结束)与光源启动(或关闭)的时间延迟在微秒量级，结束一帧图像的曝光与开始新一帧图像的时间间隔在微秒量级；

(8)本发明三个颜色分量分别独立获得，因此图像具备高分辨率特性；此外，相机获得一张具备物体标准颜色信息的彩色图像的时间即约为单张曝光时间的三倍，无需长时间等待或者操作，能够实现微秒级的高速成像；

(9)本发明应用广泛，可用于显微成像、工业检测、牙模配色、文物数字化、病理切片分析、刑侦侦测等方面；根据不同的应用设计不同的光源结构，避免外界光线的影响。

附图说明

图1为本发明系统装置连接图；

图2为本发明的系统工作流程示意图。

图中：

1、单色相机；11、图像处理模块；12、触发信号输出模块；121、软件触发信号输出模块；122、硬件触发信号输出模块；13、相机控制模块；2、光源；201、红光LED灯；202、绿光LED灯；203、蓝光LED灯；21、光源控制模块；22、光源探测模块；221、温度传感器；222、光谱传感器；23、光源参数设置模块；3、外部设备。

具体实施方式

为进一步了解本专利的内容，结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1-2，一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统，包括单色相机1、图像处理模块11、光源2、触发信号输出模块12、相机控制模块13、光源控制模块21、光源探测模块22、光源参数设置模块23和外部设备3；

其中，单色相机1内设有图像处理模块11和触发信号输出模块12；相机控模块13的输出端分别与单色相机1的输入端、触发信号输出模块12的输入端和光源参数设置模块23的输入端连接，相机控制模块13上设置有用于设置单色相机1曝光时间的曝光时间模块、用于设置单色相机1增益模式的增益模式模块、用于设置单色相机1拍摄模式的拍摄模式模块。相机控制模块13与触发信号输出模块12连接，即将曝光开始与结束的指令通过触发信号输出模块12同时发送给光源控制模块21，光源控制模块21控制光源2的红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203同步发光，实现光源2光照时刻与相机的曝光时刻达到完全同步，时间误差在微秒量级。

相机控制模块13控制单色相机1进行曝光拍照的同时，能够控制触发信号输出模块12瞬时输出曝光触发信号到光源控制模块21，触发信号输出模块12的输出端、光源参数设置模块23的输出端和光源探测模块22的输出端均与光源控制模块21的输入端连接，光源控制模块21的输出端与光源2连接，光源控制模块21激发光源2的RGB三分量进行同步发光，无需时间间隔与手动操作，单色相机1曝光拍照，光源探测模块22的输入端与光源2连接；

光源2由红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203三种灯组成；光源探测模块22的输入端分别与光源2中的三种灯连接，光源2中的三种灯均与光源控制模块21的输出端连接，光源2的三种灯红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203依次分别对应为：R、G、B三种大功率LED贴片灯珠，R、G、B三种灯珠混合交叉排列。以达到最佳的混合白光效果，从而减小色差。

为实现光源的色温、光通量可控且连续可调，要对光源进行合成计算与测试，通过LED光电测试系统对光源2进行LED灯的光电参数测试得到如下数据：R、G、B三种LED单色光的电流/电压大小与色坐标的关系；R、G、B三种LED单色光的电流/电压大小与光通量的关系；不同色温的混合光的色坐标以及对应的R、G、B三种LED单色光分量的比例；根据下列公式得到混合光在任意色温任意光通量下的R、G、B控制参数：

其中，L_w＝L_r+L_g+L_b，(x_r,y_r,z_r)、(x_g,y_g,z_g)、(x_b,y_b,z_b)分别为红、绿、蓝三基色LED的色坐标，(x_w,y_w,z_w)为目标混合光的色坐标，L_r、L_g、L_b分别为三种LED单色光的光通量，L_w为目标混合光的光通量，任意色温对应的R、G、B三灯的L_r、L_g、L_b的比值由黑体辐射曲线决定；将所获得的不同色温下，所需要的R、G、B三种LED单色光的光通量所对应的电压与电流关系，提供给光源参数设置模块23用于设计光源的控制参数。

用LED光电探测系统对光源进行LED灯的光电参数测试的目的是为探测LED灯在不同电流或者电压下的色坐标以及光通量，这样在设计软件的时候才能提供合适的参数去控制光源从而获得想要的某个色温某个光通量的光源，保证光源的性能参数稳定，为系统提供可靠的光源，保证系统的光源稳定可靠的持续工作。

光源控制模块21的控制算法包括两种：①脉冲振幅调制，在脉冲占空比不变的情况下，通过改变红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203三灯的电压/电流，来改变目标混合光的色温与光通量；②脉冲宽度调制，在红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203三灯的电压/电流不变的情况下，通过改变占空比来调节目标混合光的色温与光通量。

单色相机1的输出端与图像处理模块11的输入端连接，图像处理模块11将单色相机1拍摄到的三张分量图片合成彩色图片，图像处理模块11的输出端与外部设备3的输入端连接；图像处理模块11将三张分量图片合成彩色图片以及合成的彩色图片传输给外部设备3，从而实现微秒级的高速实时彩色图像采集；

触发信号输出模块12包括：①软件触发信号输出模块121，位于光源参数设置模块23中；②硬件触发信号输出模块122，位于单色相机1内；软件触发信号输出模块121的数据输入端与光源参数设置模块23的输入端连接，软件触发信号输出模块121的数据输出端与硬件触发信号输出模块122的输入端连接，硬件触发信号输出模块122的输出端与光源控制模块21的输入端连接。具体地，当单色相机1曝光开始时，触发信号输出模块12发出一个计算机指令或者电平信号指示光源控制模块21激发对应的LED灯开始发光；当单色相机1曝光结束时，触发信号输出模块12再发出一个计算机指令或者电平信号指示光源控制模块21关闭对应的LED灯。其中，触发信号输出模块12有两种类型：①软件触发信号输出模块121，位于光源参数设置模块23中，在电脑端接收单色相机1的曝光开始与结束指令，并即时发送给光源控制模块21；②硬件触发信号输出模块122，位于单色相机1内，通过输出插座的三个管脚分别将电平信号发送给光源控制模块21，实现对红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203三种LED灯的分别控制。

光源探测模块22主要包括温度传感器221和光谱传感器222，温度传感器221通过探测光源2的工作温度反馈给光源控制模块21，根据R、G、B三种LED单色光的电流/电压大小与色坐标的关系，光源控制模块21调节灯的电流/电压对色坐标进行调整；光谱传感器222通过探测光源2的实时光通量，将数据反馈给光源控制模块21，光源控制模块21通过脉冲振幅调制或脉冲宽度调制调节占空比从而对光通量进行调整。其作用是使红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203的光源发出的光的色温以及光通量处于正确、稳定的状态，光源控制模块21同时控制光源探测模块22与光源2同步工作，对光源2的发光行为进行实时探测。

光源参数设置模块23和相机控制模块13均设置在外部设备3内。

光源参数设置模块23对混合光的色温以及光通量进行设置，共有两种设置方法：①分别调控红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203的光通量值合成混合光的色坐标和光通量；②调节混合光的色温和光通量，自动分配红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203的光通量值。光源参数设置模块23设置参数发送到光源控制模块21对光源2的红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203的发光光通量进行更改。

所述的外部设备3为计算机，单色相机1和光源2之间通过触发传输电缆连接，光源2与外部设备3之间通过数据/指令传输线连接，外部设备3与单色相机1之间也通过数据/指令传输线连接。

各个组件均通过计算机指令或者电平信号联系在一起，具备完整、快速、精确的交互性；通过光源参数设置软件、光源控制硬件模块与光源探测模块能够获得特定性质的光源，避免彩色成像所需要的白平衡操作；

相机控制模块13控制单色相机1进行曝光拍照的同时能够瞬时输出曝光触发信号到光源控制模块21激发光源2的RGB三分量进行同步发光，无需时间间隔与手动操作，并将三张分量图片合成彩色图片进行输出，从而实现微秒级的高速实时彩色图像采集。

一种物体标准颜色信息的彩色成像系统的使用方法，其步骤如下：

A、根据上述，构建所述的一种物体标准颜色信息的彩色成像系统；

B、打开光源2的电源，将物体放置于光源2下，调节单色相机1的焦距，使单色相机1对物体清晰成像；

C、通过LED光电测试系统对光源2进行LED光电参数测试，测试R、G、B三种LED单色光的电流/电压与光通量、色坐标的关系，不同色温的目标混合光的色坐标以及对应的R、G、B分量的比例，从而获得光源参数的设定关系；

D、打开外部设备3，打开光源参数设置模块23；光源控制模块21接收光源参数设置模块23的红光LED灯201、绿光LED灯202和蓝光LED灯203的光通量控制参数，以上所述的两种控制算法，调节目标混合光的色温与光通量；该组件与步骤的目的是提供一个色温已定的光源2去照射物体，通过该方式，能够避免单色相机1在一个光源色温未知的条件下进行白平衡和拍摄，导致图像的颜色误差，从而获得物体标准的颜色信息；

E、根据物体所需要拍摄的光源色温条件，在光源参数设置模块中设置光源的目标混合光的色温与光通量，或者对R、G、B三个分量的色温与光通量分别进行设置；

F、打开相机控制模块13；

G、在相机控制模块13上设置单色相机1的曝光时间、增益模式、拍摄模式；为获得一张彩色图片，需要分别拍摄红色、绿色、蓝色三张分量图片，单色相机1开始工作时，首先拍摄红色分量，在曝光开始的那一时刻，通过触发信号输出模块12(软件或者硬件)将计算机指令或者电平信号即时传输给光源控制模块21触发红光LED灯201开始发光照射在物体上，当曝光结束时，触发信号输出模块12(软件或者硬件)再将计算机指令或者电平信号即时传输给光源控制模块21触发红光LED灯201关闭，完成红色分量的拍摄后，单色相机1对该图像进行保存并且立即以相同方式开始绿色分量图像的拍摄与保存，最后，再以相同方式获得蓝色分量图像；此外，光源2开启的过程中，光源探测模块22实时对光源2的色温以及光通量进行探测，将信息反馈给光源控制模块21对光源2进行调控；通过上述连接方式，单色相机1与光源2之间具备很高的交互能力，曝光开始(或结束)与光源2启动(或关闭)的时间延迟在微秒量级，结束一帧图像的曝光与开始新一帧图像的时间间隔在微秒量级。

H、单色相机1接收到曝光拍摄命令后，进行拍摄，单色相机1内部的图像处理模块11将所获得的三张分量图片合成为一张彩色图片，并将这四张图片输出到外部设备3上进行显示或存储；通过上述步骤可知，由于三个颜色分量分别独立获得，因此图像具备高分辨率特性。此外，相机获得一张具备物体标准颜色信息的彩色图像的时间即约为单张曝光时间的三倍，无需长时间等待或者操作，能够实现微秒级的高速成像。

I、如果还需要其他色温与光通量条件下的物体标准颜色信息，在光源参数设置模块23中重新设置R、G、B三个分量的色温与光通量，或者设置R、G、B三个分量的色温与光通量；按照步骤F、G和H，即可得其他色温与光通量条件下的物体标准颜色信息；

J、关闭光源2和外部设备3。

本发明应用广泛，可用于显微成像、工业检测、牙模配色、文物数字化、病理切片分析、刑侦侦测等方面；根据不同的应用设计不同的光源2结构，避免外界光线的影响。

实施例2

作为一个优选例子，将本实施方案应用于拍摄暗场下的显微样品，结构及方法步骤同实施例1。所采用的显微镜为倒置显微镜，将设计的R、G、B三种LED光源替代显微镜的反射式光源组件箱。温度传感器221固定在LED散热板后方，光谱传感器222固定于目标混合光的传播路径上。光源2与单色相机1的外部均有USB接口、电源接口以及触发信号传输接口。如图1所示，光源2、单色相机1与外部设备3的计算机通过USB数据传输线相连进行数据与指令传输，通过电源适配器接通电源。此外，光源2与单色相机1的外部触发信号传输接口通过传输电缆进行连接。

将洋葱表皮切片细胞样品放置于显微镜样品台上，用遮光罩遮住显微镜，避免外界光的影响。如图2所示，开始如下操作工作：

接通光源2的电源后，在未打开光源参数设置模块23时，R、G、B三灯同时发光，以默认的色温值和光通量进行发光。打开光源参数设置模块23，设置光源2的色温为6500K，总光照度为45lm，命令将会下发给光源控制模块21，光源控制模块21接收到命令后，将R、G、B三灯分别的光照度设置为9.0，33.5，2.5lm。

启动相机控制模块13，设置曝光时间为200μs，增益模式为35dB，拍摄模式为彩色模式，启动“实时观测”，相机控制模块13将拍摄命令发送至单色相机1。

单色相机1接收到曝光拍摄命令后，开始曝光的同时通过和硬件触发信号输出模块122的传输端口将电平信号传输给光源控制模块21，或者通过软件触发信号输出模块121的传输端口将计算机指令传输给光源控制模块21，光源控制模块21接收到电平或计算机指令后开始触发红色LED灯发光，当曝光结束后，通过硬件触发信号输出模块122的数据传输端口将电平信号或计算机指令传输给光源控制模块21触发红色LED灯关闭，单色相机1完成红色分量图像的拍摄并将图片存储到单色相机1内部存储器中。

随后，单色相机1立即开始新的一轮的曝光，过程与拍摄红色分量图像类似，曝光的同时绿色LED开启，单色相机1完成绿色分量图像的拍摄并将图片存储到单色相机1内部存储器中。

随后，单色相机1立即开始新的一轮的曝光，过程与拍摄红色分量图像类似，曝光的同时蓝色LED开启，单色相机1完成蓝色分量图像的拍摄并将图片存储到单色相机1内部存储器中。

红、绿、蓝三张分量图片获得后单色相机1内部的图像处理模块11将三者合成一张彩色图片并输出到计算机进行实时显示或者存储。

在光源2与单色相机1的工作过程中，光源探测模块22中的温度传感器221通过探测光源工作温度反馈给光源控制电路21对色坐标进行实时调整；光谱传感器222通过探测光源的实时光通量将数据反馈给光源控制电路21对占空比进行实时调整，从而对光通量进行调整。

进行图像拍摄，单色相机1将输出一张彩色图片以及三张分量图片，取该图像中的某个固定点的R、G、B分量作为参考点，以采用标准颜色卡片校准方式拍摄的洋葱表皮细胞颜色信息为基准，与采用本发明的方案和其他白平衡方式的相机作比较，如表1所示：

表1在6500K色温光源下洋葱表皮细胞颜色信息的R、G、B分量值

	标准值	本发明	自动白平衡	区域白平衡	白纸法
						R分量值	36	37	40	46	34
G分量值	95	95	88	120	100
						B分量值	101	102	112	108	108

由上表可知，本发明所获得的图像R、G、B值的误差远小于其他彩色成像方法，能够用于物体标准颜色的采集与定标。

类似地，改变光源2色温，即可获得在其他色温下的物体的标准彩色信息图片，在上述过程中，单张图像曝光时间为200μs，三张照片之间的间隔时间约为1μs，无需切换等待，能够进行快速实时显示与存储。

表2彩色图像拍摄时间

本发明

一般彩色相机

RGB滤光轮

其他三基色

			拍摄设备	光源拍摄设备
					时间消耗	～100微秒	～50微秒	～10秒	～1分钟

与其他彩色成像设备的最短时间消耗对比如表2，从彩色图像拍摄时间的角度上来讲，本发明进行图像拍摄的所需的最短时间为一般彩色相机的三倍，但仍为微秒级别的高速拍摄。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统，包括单色相机(1)、图像处理模块(11)和光源(2)，其特征在于，它还包括触发信号输出模块(12)、相机控制模块(13)、光源控制模块(21)、光源探测模块(22)、光源参数设置模块(23)和外部设备(3)；

其中，所述的单色相机(1)内设有图像处理模块(11)和触发信号输出模块(12)；所述的相机控制模块(13)的输出端分别与所述的单色相机(1)的输入端、所述的触发信号输出模块(12)的输入端和所述的光源参数设置模块(23)的输入端连接，所述的触发信号输出模块(12)的输出端、所述的光源参数设置模块(23)的输出端和所述的光源探测模块(22)的输出端均与所述的光源控制模块(21)的输入端连接，所述的光源控制模块(21)的输出端与所述的光源(2)连接，所述的光源探测模块(22)的输入端与所述的光源(2)连接；

所述的单色相机(1)的输出端与所述的图像处理模块(11)的输入端连接，所述的图像处理模块(11)的输出端与所述的外部设备(3)的输入端连接；

所述的光源参数设置模块(23)和所述的相机控制模块(13)均设置在所述的外部设备(3)内。

2.根据权利要求1所述的一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统，其特征在于，所述的相机控制模块(13)上设置有用于设置单色相机(1)曝光时间的曝光时间模块、用于设置单色相机(1)增益模式的增益模式模块、用于设置单色相机(1)拍摄模式的拍摄模式模块。

3.根据权利要求1所述的一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统，其特征在于，所述的光源(2)由红光LED灯(201)、绿光LED灯(202)和蓝光LED灯(203)三种灯组成；所述的光源探测模块(22)的输入端分别与所述的光源(2)中的三种灯连接，所述的光源(2)中的三种灯均与所述的光源控制模块(21)的输出端连接，所述的光源(2)的三种灯红光LED灯(201)、绿光LED灯(202)和蓝光LED灯(203)依次分别对应为：R、G、B三种大功率LED贴片灯珠，R、G、B三种灯珠混合交叉排列。

4.根据权利要求1所述的一种采集物体标准颜色信息的彩色成像系统，其特征在于，所述的光源探测模块(22)主要包括温度传感器(221)和光谱传感器(222)，温度传感器(221)通过探测光源(2)的工作温度反馈给光源控制模块(21)，根据R、G、B三种LED单色光的电流/电压大小与色坐标的关系，光源控制模块(21)分别调节三种灯的电流/电压大小对色坐标进行调整；光谱传感器(222)通过探测光源(2)的实时光通量，将数据反馈给光源控制模块(21)，光源控制模块(21)通过脉冲振幅调制或脉冲宽度调制调节占空比，从而对光通量进行调整。