CN209485536U - 一种基于手机的便携式多光谱成像装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型属于光谱成像技术领域，涉及一种基于手机的便携式多光谱成像装置，包括两种形式，一种是由手机、LCTF和光学镜头组成；手机、LCTF、光学镜头或光路转换器依次连接，光学镜头、LCTF和手机相机的光路共轴；另一种是由手机、LCTF、光学镜头和光路转换器组成；所述手机、LCTF、光学镜头和光路转换器依次连接，光学镜头、光路转换器、LCTF和手机相机的光路共轴；本实用新型公开的基于手机的便携式多光谱成像装置具有高精度、低功耗、高便捷性和优异的场景融入性等优势，可以应用于农产品检测、食品安全检测和医疗健康诊断等多个领域。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，具体涉及一种基于手机的便携式多光谱成像装置，可以应用于食品安全检测、健康诊断等领域。
背景技术
多光谱成像技术获得的光谱图像立方体中不仅包含待测物质高分辨率的二维形貌信息，而且所含的光谱信息又能反映出物质的化学组成成份。多光谱成像分析把成熟的图像分析方法和光谱分析方法结合起来，与单纯的图像分析或光谱分析方法相比，获得的信息量更大，功能更多，分析也更为灵活。目前，光谱成像分析技术的应用范围覆盖了遥感、生物、医药、农药、食品考古等诸多领域。
国外关于多光谱技术的发展始于20世纪80年代，主要应用于航空航天等遥感领域。典型的多光谱产品有：荷兰Quest-innovations公司研制的5CCD多光谱相机Condor5；Xybion Electroics公司开发的旋转滤光片轮式CCD多光谱相机系统等。我国的对多光谱成像技术的研究主要集中在机载传感器的研制方面；这些设备系统复杂，使用要求稳定性高且专业性很强，民用领域的推广应用程度很低。开发设备结构简单、便携易用的多光谱成像设备对于在农产品检测、食品安全检测和医疗健康诊断的应用意义重大。
滤光器式多光谱成像仪的滤光器包括固定滤光片轮、电可调谐滤光器等，其中电可调谐滤光器中最常用的有液晶可调谐滤光器(Liquid Crystal Tunable Filters，LCTF)。滤光片轮是由一系列具有不同固定波长的滤光片组合而成，通过手动转动滤光片轮来获得不同波长的光谱图像，其原理及构造较为简单，但是它具有一些缺点，如：扫描速度较慢，使用范围较小并且使用寿命较短。液晶可调谐滤光器是电可调谐的滤光器，具有调节波段范围广、调谐速度快、可调谐至使用范围内任意波段、可靠性高及体积较小、方便携带等优点。LCTF对所需衍射波段之外的光具有很高的抑制比，因此很容易获得较高质量的多光谱图像。
现有的便携式多光谱成像系统多为滤光片式多光谱成系统，例如申请公布号为CN103308466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、控制模块及计算机。申请公布号CN 107515045的专利文献公开了一种手机便携式多光谱成像方法和装置，利用手机自备的成像镜头、面阵探测器及配套电路，匹配配套的手动旋转式滤光片轮组，从而实现对不同波长光谱进行成像。但是以上公开的产品使用的滤光片只能覆盖有限的几个窄波段，而大多数情况下成像所需的光谱波段未知或波段数目较多，此时，这种类型的滤光方式扫描速度慢、适用范围小的局限性就显而易见。
发明内容
针对上述现有技术中组装滤光片轮的便携式多光谱系统扫描速度慢、自动化程度低的问题，本发明利用组装有蓝牙模块的LCTF作为分光装置，以手机作为成像装置、控制装置和数据处理器，实现基于手机调节LCTF、实时采集光谱图像和分析数据的便携式多光谱成像装置。
本发明提供一种基于手机的便携式多光谱成像装置，包括手机、LCTF和光学镜头；所述光学镜头的一端与手机的相机相连，另一端连接LCTF；所述光学镜头、LCTF和手机连接组成一个整体；所述光学镜头、LCTF和手机的相机的光路共轴。
本发明还提供一种基于手机的便携式多光谱成像装置，包括手机、LCTF、光学镜头和光路转换器；所述手机、光路转换器、LCTF和光学镜头依次连接，所述光学镜头、光路转换器、LCTF和手机连接组成一个整体；所述光学镜头、光路转换器、LCTF和手机相机的光路共轴；所述光学镜头为扩束光学镜头。
优选的，所述手机具有反向充电功能。
优选的，所述LCTF包括蓝牙模块和内置控制器；所述蓝牙模块与LCTF的内置控制器连接，用软件开发工具包(Software Development Kit,SDK)开发蓝牙通讯；所述蓝牙模块用于实现手机无线控制LCTF。
优选的，所述手机的相机采用互补金属氧化物半导体(Complementary MetalOxide Semiconductor,CMOS)传感器，像素分辨率为1280×1040；所述手机相机在400～1100nm波长范围内光谱响应度高。
优选的，所述LCTF的工作波段为400～1100nm，覆盖可见及近红外光区域，半峰全宽为10nm，工作口径为10-35nm，入射角为7.5°。
本发明还提供一种基于手机的便携式多光谱成像装置采集样品多光谱图像的方法，具体步骤如下：
上述实现手机无线控制LCTF的具体过程为：
S1：将LCTF控制器与蓝牙模块通过数据线进行连接，利用LCTF所提供的SDK开发包的数据传输接口与蓝牙模块进行通讯；
S2：建立手机和蓝牙模块间的无线通信，其步骤主要有：初始化蓝牙芯片、查询周边蓝牙地址、建立连接、数据传输、断开连接；
S3：利用LCTF提供的SDK的设备控制接口建立手机端与LCTF间的即时通信，通过手机端可实现对LCTF的扫描波长范围(最大范围为：400～1100nm)进行控制。
可选的，手机可以通过USB数据传输接口控制LCTF的工作参数。
使用多光谱成像装置采集样品多光谱图像的方法具体步骤如下:
S1:将成像装置固定在有照明光源或者自然光的拍摄位置，打开应用软件；
S2:利用手机软件设置图像釆集参数，指定扫描起始波长、终止波长(扫描和终止波长可选范围为400～1100nm之间，且起始波长应小于或等于终止波长)和波长增量参数(参数范围为10～20nm)，所有不同波长图像的釆集过程都在相同的参数和位置进行；
S3:通过控制相机曝光时间和数字增益相结合的方式对装置的光谱灵敏度进行逐波段的校正。首先采集漫发射标准白板的光谱图像W(λ)，然后关闭相机镜头盖进行图像采集得到黑板的标定图像B(λ)，调整相机曝光时间t，直到最高灵敏度波段的光谱强度饱和值的85％-90％，此时的相机曝光时间记为t0，然后计算每个波段下的积分时间t(λ)；
S4:通过手机软件向LCTF发出指令，按照波长从低到高的顺序进行n次扫描，在每一个需要采集的波长下按照软件自动设置的曝光时间采集样品光谱图像，构成样品反射光谱图像立方体I(λ)；
S5:按照两点校正法对每个波段釆集的样品光谱图像进行光平场校正，最终得到样品的相对反射光谱图像立方体R(λ)，得到多光谱图像文件。
上述应用软件可以实现对检测对象光谱及图像信息的采集，并能实现一些模型分析预测的功能。具体的，模型分析预测功能主要通过对光谱域和空间域进行处理实现的；首先，提取每一波长下的图像或每一像素点的光谱信息，借助预处理算法(如：PCA、ICA、SVD、WT等)对图像进行特征图像提取及光谱特征提取，然后针对不同检测对象分别建立相应定量或定性模型(常用算法如：遗传算法、神经网络、支持向量机等)，通过采集样品光谱信号，利用已建立好的模型实现检测对象内部成分或含量信息的预测。
并且，采集到的光谱图像数据可以上传至云服务器，云服务器会判断是否存在相应模型；如果是，则会将结果信息通过网络传输到手机客户端；若无，则会通知用户目前未建立该检测对象模型；同时，实验人员将会收集相关信息，逐步扩充不同检测对象模型数据库。
本发明的有益效果在于：
(1)本发明公开的基于手机的便携式多光谱成像装置采用LCTF滤光器，实现全波段范围快速任意地切换波长，无运动部件影响成像质量。
(2)本发明公开的基于手机的便携式多光谱成像装置，革新性设计去掉了外置的控制盒并采用蓝牙传输控制工作参数，结合手机的高精度成像能力，人性化的应用软件设计，连接云端数据模型，操作简单方便。
(3)本发明公开的基于手机的便携式多光谱成像装置具有高精度、低功耗、高便捷性和优异的场景融入性等优势，可以应用于农产品检测、食品安全检测和医疗健康诊断等多个领域。
附图说明
图1基于手机的便携式多光谱成像装置，其中(a)为手机、LCTF和光学镜头组成的多光谱成像装置，(b)为手机、LCTF、光学镜头和光路转换器组成的多光谱成像装置。
图2：多光谱检测系统APP部分界面，(a)光谱检测系统主界面，(b)光谱扫描界面，(c)数据处理与分析界面。
图3：采集到的螃蟹背部光谱图像信息，(a)为某一波长下采集到的图像信息，图3(b-d) 分别为蟹背、钳和脚部位对应的光谱图。
图中：1-手机、201-光学镜头一、202-光学镜头二、203-光路转换器、3-LCTF、301-内置控制器、4-蓝牙模块。
具体实施方式
为进一步说明本发明，以下结合附图及实施例进行具体示例描述。实施例及相应附图用于进一步解释说明本发明，并不用于限制本发明，本领域技术人员在无实质创造性工作而基于本发明改型形成的其他实施例，均在本发明的保护范围之内。
实施例1：
本实施例设计的基于LCTF的多光谱成像光学装置通常情况下，LCTF3作为分光元件。如图1(a)所示，该装置由手机1、LCTF3、光学镜头201、蓝牙模块4组成，光学镜头201、LCTF3和手机1的相机按照光路共轴的基准来进行组装。
将LCTF3置于装置后面，该设计的特点是结构简单，能准确调焦使成像清晰，但由于滤光片的孔径比镜头的光圈小且有一定厚度，而导致光强损失，使得图像边缘的光谱分辨率降低。
本实施例采用的手机1需支持反向充电，具体型号可以为华为畅享6、荣耀10、小米Max2 等，可以为LCTF3提供工作电源；手机1采用CMOS传感器的相机，具有1280×1040的像素分辨率，在400-1100nm范围内有较高的光谱响应度。
CRI公司生产的VariSpecTM液晶可调滤波器，透过的光波长可以通过电子信号控制，能够快速而且无振动地选择可见或者近红外光谱的任意波长，而且该产品附带内置的控制器 301、配套的SDK软件开发包和连接手机系统完整的串口指令集，方便改装产品的部件和开发新的使用途径。本实施例选用的液晶可调滤波器工作波段范围覆盖可见光的400-1100nm，中心波长750nm，半峰全宽为10nm，工作口径为10-35nm，入射角为7.5°，最大光通量500mW/cm2，镜头采用标准C接口，供电、控制为USB接口；蓝牙模块与滤波器的控制器连接，用SDK开发蓝牙通讯实现手机无线控制滤波器的工作参数。
一.手机1控制LCTF3调整参数可通过“桥梁”-蓝牙模块4实现，具体实现过程为：
(1)将LCTF内置控制器301与蓝牙模块4通过数据线进行连接，利用LCTF3所提供的SDK开发包的数据传输接口与蓝牙模块进行通讯；
(2)通过Android编程建立手机1和蓝牙模块4间的无线通信，其步骤主要有：初始化蓝牙芯片、查询周边蓝牙地址、建立连接、数据传输、断开连接等；
(3)利用LCTF3提供的SDK的设备控制接口建立手机端1与LCTF3间的即时通信，通过手机端1可实现对LCTF3的扫描波长范围进行控制。
二.使用多光谱成像装置采集样品多光谱图像的方法具体步骤如下：
将成像装置固定在有照明光源或者自然光的拍摄位置，打开应用APP；照明光源可以为在每个波段光强分布较均匀的卤钨灯，并在灯口添加光扩散板使光照均匀。再利用手机APP 设置图像釆集参数，指定扫描起始波长500nm、终止波长700nm以及波长增量10nm参数，所有不同波长图像的釆集过程都固定参数和固定位置进行。
由于在光谱强度低的波段由于信号较小，造成信噪比差的现象，所以通过控制相机曝光时间和数字增益相结合的方式对装置的光谱灵敏度进行逐波段的校正。首先采集漫发射标准白板的光谱图像W(λ)，然后关闭相机镜头盖进行图像采集得到黑板的标定图像B(λ)，调整相机曝光时间0.045s，直到最高灵敏度波段的光谱强度饱和值的90％，此时的相机曝光时间记为t0。然后取所得光谱图像中心的200×200像素大小的矩形区域，分别计算在各个波段下该区域内的平均灰度值m(λk)，其中最高灵敏度波段的平均灰度值记为M。那么在第k个波段下的积分时间t(λk)可用下式来计算:
其中Rmax为最大的积分时间倍数。接着，以光谱强度最大值为基准逐波段调整相机数字增益，以精度校正装置的光谱灵敏度，从而得到归一化的光谱，使光谱图像的信噪比提高。
通过手机蓝牙或USB向LCTF内置控制器发出指令，按照波长从低到高的顺序进行10 次扫描，在每一个需要采集的波长下按照软件自动设置的曝光时间采集样品光谱图像，构成样品反射光谱图像立方体I(λ)。
最后按照两点校正法对每个波段釆集的样品光谱图像进行光平场校正，校正公式如下：
最终得到样品的相对反射光谱图像立方体R(λ)，这就是最终得到的多光谱图像文件。
实施例2：
本实施例设计的基于LCTF的多光谱成像光学装置如图1(b)所示，该装置由手机1、LCTF3、光学镜头二202(即为扩束光学镜头)、光路转换器203和蓝牙模块4组成，扩束光学镜头202、光路转换器203、LCTF3和手机1的相机按照光路共轴的基准来进行组装。
将LCTF3置于扩束光学镜头202和手机相机1之间。该设计由于镜头和焦平面之间的光束口径通常小于镜头的入瞳口径，LCTF3的口径可以稍微小一点。
本实施例采用的手机1需支持反向充电，具体型号可以为华为畅享6、荣耀10、小米Max2 等，可以为LCTF3提供工作电源；手机1采用CMOS传感器的相机，具有1280×1040的像素分辨率，在400-1100nm范围内有较高的光谱响应度。
CRI公司生产的VariSpecTM液晶可调滤波器，透过的光波长可以通过电子信号控制，能够快速而且无振动地选择可见或者近红外光谱的任意波长，而且该产品附带内置的控制器 301、配套的SDK软件开发包和连接手机系统完整的串口指令集，方便改装产品的部件和开发新的使用途径。本实施例选用的液晶可调滤波器工作波段范围覆盖可见光的400-1100nm，中心波长750nm，半峰全宽为10nm，工作口径为10-35nm，入射角为7.5°，最大光通量500mW/cm2，镜头采用标准C接口，供电、控制为USB接口；蓝牙模块与滤波器的控制器连接，用SDK开发蓝牙通讯实现手机无线控制滤波器的工作参数。
一.手机1控制LCTF3调整参数可通过“桥梁”-蓝牙模块4实现，具体实现过程为：
(1)将LCTF内置控制器301与蓝牙模块4通过数据线进行连接，利用LCTF3所提供的SDK开发包的数据传输接口与蓝牙模块进行通讯；
(2)通过Android编程建立手机1和蓝牙模块4间的无线通信，其步骤主要有：初始化蓝牙芯片、查询周边蓝牙地址、建立连接、数据传输、断开连接等；
(3)利用LCTF3提供的SDK的设备控制接口建立手机端1与LCTF3间的即时通信，通过手机端1可实现对LCTF3的扫描波长范围进行控制。
二.使用多光谱成像装置采集样品多光谱图像的方法具体步骤如下：
将成像装置固定在有照明光源或者自然光的拍摄位置，打开应用APP；照明光源可以为在每个波段光强分布较均匀的卤钨灯，并在灯口添加光扩散板使光照均匀。再利用手机APP 设置图像釆集参数，指定扫描起始波长400nm、终止波长1100nm以及波长增量20nm参数，所有不同波长图像的釆集过程都固定参数和固定位置进行。
由于在光谱强度低的波段由于信号较小，造成信噪比差的现象，所以通过控制相机曝光时间和数字增益相结合的方式对装置的光谱灵敏度进行逐波段的校正。首先采集漫发射标准白板的光谱图像W(λ)，然后关闭相机镜头盖进行图像采集得到黑板的标定图像B(λ)，调整相机曝光时间0.045s，直到最高灵敏度波段的光谱强度饱和值的90％，此时的相机曝光时间记为t0。然后取所得光谱图像中心的200×200像素大小的矩形区域，分别计算在各个波段下该区域内的平均灰度值m(λk)，其中最高灵敏度波段的平均灰度值记为M。那么在第k个波段下的积分时间t(λk)可用下式来计算:
其中Rmax为最大的积分时间倍数。接着，以光谱强度最大值为基准逐波段调整相机数字增益，以精度校正装置的光谱灵敏度，从而得到归一化的光谱，使光谱图像的信噪比提高。
通过手机蓝牙或USB向LCTF内置控制器发出指令，按照波长从低到高的顺序进行10 次扫描，在每一个需要采集的波长下按照软件自动设置的曝光时间采集样品光谱图像，构成样品反射光谱图像立方体I(λ)。
最后按照两点校正法对每个波段釆集的样品光谱图像进行光平场校正，校正公式如下：
最终得到样品的相对反射光谱图像立方体R(λ)这就是最终得到的多光谱图像文件。
由于LCTF3的光线可接收角度范围为±7.5°，而生活中物体拍摄的入射角度经常会超过LCTF3的光线入射范围，所以为了保证拍照效果，在LCTF3的第二种连接方式中需要使用扩束光学镜头202将视场减小到LCTF3的可接收角度范围内；在图1(b)中使用的扩束光学镜头202是为了将来自目标光束的视场减小至LCTF3可接收的角度范围，同时将入射光束进行扩束后入射到LCTF3上；LCTF3利用液晶材料的电控双折射效应，实现对某一波长光信号的选择性透过；成像镜头将LCTF3选择透过的光通过扩束光学镜头202会聚到图像传感器上。
多光谱成像技术为实际应用广泛的一种光谱成像分析技术，它可以利用相机获取样品在某一窄带波段下的二维图像，然后依次改变窄带波段频率，并采集相应的图像，将各窄带波段下采集得到的图像组合起来即可得到三维光谱图像立方体。
实施例3：
将实例1中涉及的装置(a)结合手机APP对多光谱成像系统的软件具体应用做进一步说明：
(1)打开“多光谱检测系统”APP，登录系统后起始界面如图2(a)所示，点击“蓝牙连接”即可完成自动寻址、匹配并建立与LCTF间的连接，如果连接不成功，将弹出通知框提示“连接失败，请重新连接”字样。
(2)点击“扫描设置”，完成手机相机相关参数(如：灵敏度、曝光时间及对焦方式等)和LCTF相关参数(扫描起始波长、终止波长及波长扫描间隔等)的设置。如在本例中灵敏度设为4，曝光时间(秒)设为0.4，对焦方式设为自动，扫描起始波长为420nm，终止波长为780nm，波长扫描间隔10nm，设置完成后点击“确认”回到起始界面，如图2(a)所示。
(3)点击“模型选择”，可以选择已建立好的模型，用于步骤(4)中的“模型分析预测”，同时，针对不同检测对象，通过在服务器端不断建立新的定量、定性模型或优化已有模型，已到达快速、准确检测目标物的目的。
(4)点击“光谱扫描”转到如图2(b)所示的界面，在该界面可实现“背景采集与标定”、“光谱图像采集”、“数据处理与分析”、“保存数据”和“历史数据记录”等功能。点击“背景采集与标定”，此时需要利用标准漫反射白板，在单一波长下进行图像采集，系统将以此图像作为后续图像和光谱数据处理的背景文件。点击“光谱图像采集”，将调用手机相机和LCTF 控制器采集不同波长下的图像及光谱信息，波长范围(2)中的“扫描设置”参数为依据，其采集到的螃蟹背部图像光谱信息如图3所示，图3(a)为某一波长下采集到的图像信息，图 3(b-d)分别为蟹背、钳和脚部位对应的光谱图，这些图像和光谱包含了与螃蟹内部品质(如蟹黄、蟹膏的含量)有关的信息，通过对数据进行预处理及建立相应模型，可以实现对螃蟹品质好坏的鉴别和区分。
点击“数据处理与分析”，将转到如图2(c)所示的界面，在该界面中显示有采集到的光谱和图像数据。点击“图像预处理”或“光谱预处理”，将对图像或光谱进行预处理，预处理方法包括SG、SNV、MSC、VN、1ST及2VD等，点击“光谱图像处理”，将把预处理后的数据上传到云端服务器，由云端服务器对数据进行下一步分析。点击“模型分析预测”将调用云服务器已建立好的针对不同检测对象或数据的模型(如PCA、PLS、iPLS、BiPLS、SiPLS、 LS-SVM和BP-ANN等)进行处理，并对其结果进行预测。点击“保存数据”或“历史数据记录”可分别实现数据保存和查看历史数据的功能。
Claims (13)
1.一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，包括手机(1)、LCTF(3)和光学镜头一(201)；所述光学镜头一(201)的一端与手机(1)的相机相连，另一端连接LCTF(3)；所述光学镜头一(201)、LCTF(3)和手机(1)的相机的光路共轴。
2.根据权利要求1所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述LCTF(3)包括蓝牙模块(4)和内置控制器(301)；所述蓝牙模块(4)与内置控制器(301)连接，用SDK开发蓝牙通讯；所述蓝牙模块(4)用于实现手机(1)对LCTF(3)的无线控制。
3.根据权利要求1所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述手机(1)的相机采用CMOS传感器，像素分辨率为1280×1040。
4.根据权利要求1所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述手机(1)的相机在400～1100nm波长范围内光谱响应灵敏。
5.根据权利要求1所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述LCTF(3)的工作波段为400～1100nm，覆盖可见及近红外光区域，半峰全宽为10nm，工作口径为10-35nm，入射角为7.5°。
6.根据权利要求1所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述手机(1)具有反向充电功能。
7.一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，包括手机(1)、LCTF(3)、光学镜头二(202)和光路转换器(203)；所述手机(1)、光路转换器(203)、LCTF(3)和光学镜头二(202)依次连接，所述光学镜头二(202)、光路转换器(203)、LCTF(3)和手机(1)的相机的光路共轴。
8.根据权利要求7所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述光学镜头二(202)为扩束光学镜头。
9.根据权利要求7所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述LCTF(3)包括蓝牙模块(4)和内置控制器(301)；所述蓝牙模块(4)与内置控制器(301)连接，用SDK开发蓝牙通讯；所述蓝牙模块(4)用于实现手机(1)对LCTF(3)的无线控制。
10.根据权利要求7所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述手机(1)的相机采用CMOS传感器，像素分辨率为1280×1040。
11.根据权利要求7所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述手机(1)的相机在400～1100nm波长范围内光谱响应灵敏。
12.根据权利要求7所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述LCTF(3)的工作波段为400～1100nm，覆盖可见及近红外光区域，半峰全宽为10nm，工作口径为10-35nm，入射角为7.5°。
13.根据权利要求7所述的一种基于手机的便携式多光谱成像装置，其特征在于，所述手机(1)具有反向充电功能。
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