ES2316243B2 - Dispositivo para la calibracion espectral y espacial de espectrometros de imagen. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen.
Incorpora un cabezal (1) con una pluralidad de
fuentes de luz (2) y una unidad de procesado y control (3) con
capacidad, por un lado, de controlar a voluntad el encendido de las
fuentes de luz del cabezal, y por el otro, de capturar y procesar
la imagen captada por el espectrómetro que se desea calibrar. La
unidad de procesado y control comprende unos procedimientos que, en
conjunto, facilitan al usuario la calibración del instrumento,
además de determinar de forma automática la relación entre las
coordenadas de cada píxel de la imagen y su longitud de onda y
posición espacial asociadas.
La aplicación fundamental de la invención se
centra en la instalación y calibración de espectrómetros de
imagen.
Description
Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen.
La invención se encuadra en el sector de
instrumentación óptica y electrónica, más concretamente, de
instrumentos espectrométricos capaces de obtener el contenido
espectral de una radiación óptica en diferentes puntos del espacio
simultáneamente (formadores de imagen).
Los instrumentos conocidos como
"espectrómetros de imagen" se caracterizan por obtener
información espectral de la radiación óptica preveniente de
múltiples puntos del espacio simultáneos. Un tipo de estos
instrumentos, denominado cámara hiper-espectral, es
aquel en la que se obtienen múltiples imágenes de la zona
bidimensional a la que se dirige el instrumento. Cada una de estas
imágenes recoge la intensidad óptica de la radiación a una
determinada longitud de onda (o rango de longitudes de onda),
proporcionando de esta manera información sobre el contenido
espectral de la luz recogida en múltiples puntos del espacio, de
forma simultánea. La aplicación más común de estos instrumentos es
la observación de la tierra desde aviones o satélites [1].
Otro tipo particular de espectrómetro de imagen,
al que se refiere concretamente la invención, es el que proporciona
información espectral de la luz recogida a lo largo de una línea, y
que genera una imagen bidimensional en la que se codifica
simultáneamente la información espectral y espacial. Uno de los ejes
de la imagen generada se corresponde con la información espectral
(longitud de onda de la radiación incidente) y el otro con la
información espacial (posición a lo largo de la línea). Así, cada
punto de la imagen resultante presenta una intensidad proporcional a
la cantidad de radiación óptica de una determinada longitud de onda
y en una determinada posición espacial dentro de la línea.
Existe por tanto una correspondencia
bi-unívoca entre las coordenadas (x,y) de cada
punto de la imagen, y la longitud de onda (\lambda) y posición
espacial (r) a las que se refiere el punto. Sin embargo, es común
que el usuario de estos instrumentos pueda modificar tanto la
óptica de captación de luz como la cámara formadora de imagen que
incorporan, de forma que el instrumento pueda enfocar a diferentes
distancias y recoger luz a lo largo de líneas más o menos largas.
De esta forma, se hace necesario un procedimiento previo de
calibración que permita obtener la correspondencia buscada entre
las coordenadas (x,y) de cada punto de la imagen, y sus coordenadas
espectrales y espaciales (\lambda,r).
Un ejemplo de estos instrumentos es el producto
comercial "Imspector" [2], un dispositivo óptico difractivo
que se sitúa entre la óptica de captación y una cámara formadora de
imagen convencional, ambas a elegir por el usuario, y por tanto que
requiere obligatoriamente de una calibración previa que debe hacer
el propio usuario del instrumento cada vez que se modifiquen los
elementos mencionados o su configuración (por ejemplo, distancia de
enfoque, campo de visión, o longitud focal de la óptica).
Tradicionalmente, el proceso de calibración
comprende una serie de pasos que deben repetirse varias veces de
forma iterativa hasta obtener el ajuste y la información necesarios
para operar adecuadamente el instrumento: primero, dirigir el
instrumento a la zona que se desea analizar (de forma aproximada,
ya que no hay ayuda visual en la imagen capturada al incorporar
ésta un eje espectral que sustituye a uno de los ejes de visión
habituales); segundo, situar la salida de una fuente de luz de
parámetros espectrales conocidos y, preferentemente, monocromática,
sobre la zona a analizar y comprobar que aparece en la imagen;
tercero, mover el instrumento con mayor precisión a la zona deseada
y ajustar, también de forma aproximada, el enfoque; cuarto; ajustar
el ángulo entre la cámara y la óptica del instrumento para
garantizar la adecuada situación de los ejes espectral y espacial;
quinto, capturar la imagen con un ordenador y almacenarla; sexto,
situar la salida de una nueva fuente de luz, con longitud de onda
central de emisión diferente a la anterior, sobre la zona a analizar
y capturar esta segunda imagen; sexto, mediante un software
específico, determinar los parámetros de calibración
(correspondencia entre las coordenadas de los píxeles y su longitud
de onda y posición espacial asociadas).
La presente invención pretende facilitar el
procedimiento de calibración previo mediante un dispositivo que lo
realice automáticamente. Se han descrito en la literatura
científica (y comercializado) diversos sistemas que permiten la
calibración espectral de espectrómetros, utilizando fuentes de luz
y arquitecturas muy diversas (véase por el ejemplo el producto
"Calibration Cube" [3]), pero no así la calibración espectral
y espacial de forma simultánea y automática sin intervención del
usuario.
[1] F. Van der Meer y S.M. de
Jong, "Imaging Spectrometry: Basic Principles and
Prospective Applications (Remote Sensing and Digital Image
Processing)", Springer, 2002.
[2] Información comercial del producto
"Imspector"
http://www.specim.fi/products-imspector.html.
[3] Información comercial del producto
"Calibration Cube"
http://www.specim.fi/pdf/CalibrationCube.pdf
El problema técnico planteado es la calibración
espectral y espacial de espectrómetros de imagen, de la forma más
sencilla y rápida posible, y con la mínima intervención del
usuario.
Un espectrómetro de imagen incorpora una cámara
que produce una imagen formada por puntos (pixeles), cada uno con
coordenadas (x,y). Cada uno de estos píxeles se corresponde con un
punto del espacio (r) a lo largo de una línea, y con una
determinada longitud de onda (\lambda) de la luz proveniente de
ese punto del espacio. La relación entre las coordenadas del píxel
(x,y) y los parámetros (\lambda,r) es desconocida a
priori, ya que depende de la dirección a la que apunta el
instrumento, de la configuración de sus elementos internos (óptica
de captación, óptica difractiva, cámara) y de su posición relativa
(particularmente, de la posición entre la óptica difractiva y la
cámara). El interés de la invención radica en que el proceso de
calibración es largo y tedioso, y debe repetirse cada vez que se
modifique la dirección de apuntamiento del instrumento, los
elementos que lo forman, su configuración interna, etc., incluso si
hay cambios importantes de temperatura entre cada uso del
mismo.
En líneas generales, el dispositivo que se
plantea en la presente invención asigna, de manera sencilla y
rápida, una longitud de onda (\lambda) y una posición espacial (r)
a cada píxel de la imagen proporcionada por el espectrómetro.
Para ello, la presente invención incorpora dos
partes diferenciadas: en primer lugar, un cabezal con un conjunto
de fuentes de luz, preferentemente puntuales (tamaño de la zona de
emisión de luz pequeño) y monocromáticas (rango reducido de
longitudes de onda de emisión), situadas en línea sobre un plano,
formando una fila con un número mínimo de 2 fuentes de luz. Las
características espectrales de emisión de cada fuente de luz son
conocidas a priori, y su encendido y apagado puede ser
controlado de forma individual. Las fuentes de luz emitirán a
diferentes longitudes de onda dentro del rango de funcionamiento
del espectrómetro, preferentemente a longitudes de onda cercanas a
los límites inferior y superior del rango espectral de medida del
espectrómetro. Es así mismo interesante que el cabezal incorpore dos
o más fuentes de luz con idénticas características espectrales
(misma longitud de onda de emisión). Este cabezal se sitúa en la
zona que se desea analizar con el espectrómetro de imagen, y
presenta una longitud total y un número de fuentes de luz acordes
con las dimensiones de la zona que se desea analizar. El cabezal
incorpora un punto espacial de referencia, conocido de antemano y
situado preferentemente en la fuente de luz situada más a la
izquierda, y que se considera el origen de coordenadas (r=0) de la
zona de análisis.
Una segunda parte de la invención es la unidad
de procesado y control, conectada, por un lado, al conjunto de
fuentes de luz y con capacidad de controlar el encendido y apagado
de las mismas de forma individual; y por el otro, conectada a la
cámara del espectrómetro de imagen, y con capacidad de adquirir la
misma y procesarla adecuadamente. La unidad de procesado y control
ejecuta un programa que, sin intervención del usuario y de forma
automática, realiza serie de procesos consistentes básicamente en el
encendido selectivo y consecutivo de las diversas fuentes de luz y
el análisis de cada imagen resultante. El proceso de análisis, a
partir de la posición espacial y características espectrales de
cada fuente de luz (ambas informaciones conocidas a priori),
y las imágenes resultantes, proporciona la buscada relación entre
las coordenadas de los píxeles (x,y) y longitud de onda y posición
espacial asociadas (\lambda,r). Así mismo, el proceso de análisis
es capaz de suministrar información adicional de interés, como el
grado de enfoque de la imagen, la posición de la línea de análisis
respecto a la matriz de fuentes de luz, la longitud total de la
línea de análisis, o los movimientos necesarios para apuntar
correctamente el instrumento a la zona de análisis deseada.
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Los procedimientos que implementa la unidad de
procesado y control, son al menos:
- 1.
- Procedimiento 1: De estimación del píxel de intensidad máxima de la imagen: se encenderá una de las fuentes de luz y, mediante un procesado adecuado de la imagen captada, se estimará el píxel de mayor intensidad luminosa en la imagen. Como la posición espacial y la característica espectral de la fuente de luz encendida son conocidos a priori, este procedimiento permite conocer la posición del píxel asociado a dicha fuente de luz, y por tanto, su longitud de onda y posición espacial asociadas. Se contempla la posibilidad de determinar las coordenadas de máxima intensidad en la imagen con resolución sub-píxel, mediante algoritmos de estimación de máximos tales como el del centroide (Centroid Detection Algorithm, CDA), ajuste gausiano, operadores de fase lineal (Linear Phase Operador, LPO), o similares. Los algoritmos sub-píxel mejoran la precisión de la calibración resultante.
- 2.
- Procedimiento 2: De ayuda al apuntamiento: El usuario situará el cabezal de fuentes de luz en la zona que se desea analizar con el instrumento, y la unidad de procesado y control encenderá al menos dos de las fuentes de luz del cabezal, proporcionando una medida continua al usuario de la intensidad luminosa global captada por la cámara. El usuario ajustará la dirección de apuntamiento basándose en la medida proporcionada de intensidad luminosa global, ya que ésta será máxima cuando el instrumento esté alineado completamente con la fila de fuentes de luz.
- 3.
- Procedimiento 3: De ayuda al enfoque: La unidad de procesado y control encenderá al menos una de las fuentes de luz y proporcionará una medida continua al usuario del área total de la imagen que registra intensidad luminosa apreciable, a partir del análisis adecuado de la imagen captada por el instrumento. El usuario ajustará el enfoque de la cámara basándose en la medida proporcionada del área, ya que ésta será mínima cuando el enfoque del instrumento sea óptimo. Se contempla la posibilidad de usar métodos alternativos con el mismo fin, como puede ser la estimación de la anchura total a anchura mitad (FWHM, Full Width at Half Maximum) de la mancha de luz observada en la imagen, que será mínima cuando el enfoque sea óptimo.
- 4.
- Procedimiento 4: De ayuda al ajuste relativo entre la óptica difractiva y la cámara formadora de imagen: La unidad de procesado y control encenderá consecutivamente y de forma individual dos o más fuentes de luz, de las que incorpora el cabezal, que presenten iguales características espectrales de emisión. El análisis de las imágenes, de acuerdo al procedimiento 1 descrito, proporcionará las coordenadas del píxel de máxima intensidad en cada caso. Si la coordenada en el eje espectral es diferente para las diversas fuentes de luz, significa que existe un ángulo de desalineamiento entre la óptica difractiva y la cámara que debe corregir el usuario. La unidad de procesado y control proporcionará información al usuario de los ajustes a realizar, a partir de la diferencia de localización en el eje espectral de los píxeles de máxima intensidad en cada imagen.
- 5.
- Procedimiento 5: De calibración espectral: la unidad de procesado y control encenderá consecutivamente todas las fuentes de luz, de forma individual, procesando la imagen resultante en cada caso, y obteniendo, mediante el procedimiento 1 descrito, la posición de cada píxel (x_{i},y_{i}) y su longitud de onda y posición especial asociada (\lambda_{t},r_{i}), para cada fuente de luz i. A partir de los valores obtenidos para todas las fuentes de luz, mediante un procedimiento de regresión u otro equivalente, se obtiene la buscada información de calibración, que consiste en un función f_{calibración} que relaciona las coordenadas de la imagen (x,y) con su longitud de onda y posición espacial (\lambda,r):
(\lambda,r) =
f_{calibración}(x,y)
- La función de calibración será, típicamente, una relación polinómica entre la coordenada x del píxel y su posición espacial r, así como entre la coordenada y del píxel y su longitud de onda \lambda:
r = a + b
\cdot x + c \cdot x^{2} +
...
\lambda = d +
e \cdot y + f \cdot y^{2} +
...
- Siendo precisamente los valores de los coeficientes (a, b, c, ...) los que se determinan automáticamente mediante el dispositivo objeto de la presente invención.
\vskip1.000000\baselineskip
Figura 1: Muestra el cabezal con el conjunto de
las fuentes de luz (1) y la unidad de procesado y control (2).
Ambas se encuentran unidas por un cable (3) que transmite las
órdenes de la unidad de procesado y control, aunque se contempla la
posibilidad de una comunicación inalámbrica.
El cabezal incluye un conjunto de fuentes de luz
(10 en la figura, pero se contempla un número de ellas igual o
superior a 2), situadas a lo largo de una línea, equiespaciadas,
con una separación total L entre la primera fuente (4) y la última
(5). La fuente de luz situada más a la izquierda actúa como origen
de coordenadas (r=0) en la línea de análisis. Las fuentes de luz
son preferiblemente puntuales (pequeño área de emisión) y
monocromáticas (rango reducido de longitudes de onda de emisión),
tales como diodos LED ó diodos láser. El cabezal (1) incluye en su
interior la electrónica necesaria para recibir las órdenes de la
unidad de procesado y control, y encender o apagar cada fuente de
luz de forma individual.
La unidad de procesado y control (2) incluye un
mecanismo (6) para notificar al usuario el resultado de sus
procesos de análisis, que puede ser una pantalla alfanumérica o
gráfica, así como un dispositivo de introducción de datos (7) que
permita al usuario solicitar el tipo de análisis requerido. Este
dispositivo puede ser un teclado alfanumérico, como se indica en la
figura. La unidad de procesado y control incorpora los elementos
electrónicos necesarios para ejecutar los procesos de análisis
descritos, así como para enviar ordenes al cabezal. Dispone también
una conexión (8) a la cámara del espectrómetro de imagen, conexión
que permite capturar la imagen captada por la cámara y puede ser
cualquiera de las disponibles por las cámaras convencionales, tales
como vídeo analógico en banda base, conexión USB (Universal
Serial Bus) o IEEE-1394 (Firewire), entre
otros.
Figura 2: Muestra un posible uso de la
invención, en el que el cabezal (9) se ha colocado sobre la zona
que se desea analizar, zona a la que se dirige un espectrómetro de
imagen formado, en su configuración típica, por una lente de
captación de imagen (11), un elemento óptico difractivo (12) y una
cámara formadora de imagen (13), ésta última conectada a la unidad
de procesado y control (10), que en la figura está implementada
mediante un ordenador convencional.
\newpage
En la figura 3 se muestra una posible
realización de la invención. El cabezal (14) está construido sobre
una placa de circuito impreso (15), y emplea un total de 6 fuentes
de luz (16), tipo LED, con encapsulado de 3 mm. Las fuentes de luz
están posicionadas de forma equi-espaciada cada 10
mm, a lo largo de una línea, con ayuda de una placa opaca y rígida
(17) que sirve de sujeción a las fuentes de luz. La zona de emisión
de luz de cada fuente está limitada espacialmente, para mejorar la
resolución espacial de la calibración, mediante perforaciones
cilíndricas de la placa opaca de soporte de pequeño diámetro (18).
La fuente de luz número uno (19) se considera el origen de
coordenadas (r=0) del eje espacial resultante de la calibración. Las
fuentes de luz emiten en dos longitudes de onda diferentes, por
ejemplo, las fuentes 1, 3 y 5 en 450 nm y las fuentes 2, 4 y 6 a
650 nm. Con la realización mostrada, es posible calibrar
espectrómetros de imagen con un rango espectral de anchura entre 200
y 400 nm aproximadamente, siempre que entre las longitudes de onda
que son capaces de analizar se encuentren las dos seleccionadas
para las fuentes de luz. Otra selección de las longitudes de onda de
las fuentes, en una realización equivalente, permitiría la
calibración de cualquier rango espectral. Por otro lado, la
realización mostrada permite calibrar espectrómetros de imagen
configurados para una dimensión de la zona de análisis (longitud de
la línea) tan pequeña como 10 mm o tan larga como 50 mm. Otras
longitudes son posibles con una disposición y número de fuentes
diferente. El cabezal se conecta mediante un cable (20) al puerto
USB de un ordenador convencional, que implementa los procedimientos
de análisis descritos anteriormente.
El ordenador se conecta igualmente mediante un
puerto IEEE-1394 (Firewire) a la cámara del
espectrómetro de imagen, si bien cualquier tipo de conexión
alámbrica o inalámbrica que permita el control de las fuentes de
luz del cabezal por un lado, y la captura de la imagen de la cámara
del espectrómetro de imagen, por el otro, se considera
equivalente.
En la figura 4 se muestra una posible
realización del circuito electrónico del cabezal. El circuito
incorpora un dispositivo microcontrolador o microprocesador (21),
con un puerto tipo USB (22) conectado al ordenador, así como un
conjunto de puertos digitales de control (23). Estos puertos
permiten manejar un conjunto de fuentes de corriente programables
(24), conectadas a las fuentes de luz (25). El microcontrolador
incorpora un programa que, a partir de las órdenes recibidas de la
unidad de procesado y control, maneja la intensidad luminosa de las
fuentes de luz.
Claims (12)
1. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que consiste en un cabezal
(1) con varias fuentes de luz situadas a lo largo de una línea, y
una unidad de procesado y control (2) con capacidad para variar la
intensidad luminosa de las fuentes de luz del cabezal a voluntad y
de procesar la imagen resultante de un espectrómetro de imagen,
caracterizado porque la unidad de procesado y control es
capaz de ejecutar una serie de procedimientos que permiten la
calibración automática del espectrómetro de imagen a él conectado,
proporcionando, entre otra información, la asignación entre las
coordenadas de cada píxel de la imagen con su longitud de onda y
posición espacial a lo largo de la línea de fuentes de luz,
respecto a un origen predefinido.
2. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 1, comprende un cabezal formado por un número de
fuentes de luz preferentemente puntuales (tamaño de la zona de
emisión de luz pequeño) y monocromáticas (rango reducido de
longitudes de onda de emisión), en número igual o superior a 2,
dispuestas sobre un plano y a lo largo de una línea, cuya distancia
entre fuentes y número de ellas depende del tamaño de la zona de
análisis deseado, y con longitudes de onda centrales de emisión
diferentes para cada fuente y dependientes del rango espectral de
análisis del espectrómetro de imagen.
3. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 2, se caracteriza porque comprende al menos
dos fuentes de luz de iguales características espectrales de
emisión.
4. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 1, comprende una unidad de procesado y control,
conectada de forma alámbrica o inalámbrica al cabezal por un lado,
y a la cámara del espectrómetro de imagen por el otro, y
caracterizada por ser capaz de controlar a voluntad la
intensidad luminosa de emisión de las fuentes de luz del cabezal, de
forma individual, así como de recoger y procesar la imagen capturada
por la cámara del espectrómetro.
5. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 4, está caracterizado porque la unidad de
procesado y control incorpora un interfaz de entrada con el usuario
para la ejecución selectiva de los procedimientos de calibración
que incorpora, y otro interfaz de salida para mostrar al usuario el
resultado de los mismos.
6. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 4, está caracterizado porque la unidad de
procesado y control incorpora un procedimiento de encendido
selectivo de una de las fuentes de luz y posterior estimación de
las coordenadas del píxel de intensidad máxima de la imagen.
7. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 6, está caracterizado porque la unidad de
procesado y control incorpora un procedimiento de estimación de las
coordenadas del píxel de intensidad máxima de la imagen con
resolución sub-píxel, mediante algoritmos de
estimación de máximos tales como el del centroide (Centroid
Detection Algorithm, CDA), ajuste gausiano, operadores de fase
lineal (Linear Phase operador, LPO), o similares.
8. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 4, está caracterizado porque la unidad de
procesado y control incorpora un procedimiento de ayuda al
apuntamiento, consistente en el encendido de dos o más fuentes de
luz simultáneamente, y en la estimación de la intensidad global de
la imagen, información que se suministra al usuario en tiempo real
para facilitar el apuntamiento óptimo del espectrómetro sobre la
línea de fuentes de luz.
9. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 4, está caracterizado porque la unidad de
procesado y control incorpora un procedimiento de ayuda al enfoque,
consistente en el encendido selectivo de una de las fuentes de luz,
y la estimación en tiempo real de un parámetro relacionado con el
grado de enfoque de la imagen, como puede ser el área iluminada de
la misma o la medida de la anchura total a altura mitad (Full Width
at Half Maximum, FWHM) de la mancha de iluminación presente en la
imagen, o algoritmos similares.
10. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con las
reivindicaciones 4, 6 y 7, está caracterizado porque la
unidad de procesado y control incorpora un procedimiento de ayuda al
ajuste de la posición relativa entre la óptica difractiva y la
cámara, consistente en el encendido individual y consecutivo de dos
o más fuentes de luz, que presenten características espectrales de
emisión idénticas, en la estimación de las coordenadas del píxel de
máxima intensidad en cada caso, y del análisis de las diferentes
coordenadas obtenidas para estimar el posible ángulo de
desalineamiento entre ambos elementos.
11. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con las
reivindicaciones 4, 6 y 7, está caracterizado porque la
unidad de procesado y control incorpora un procedimiento de
calibración, consistente en el encendido individual y consecutivo
de todas las fuentes de luz, y de la estimación de las coordenadas
del píxel de máxima intensidad en cada caso, y del posterior
análisis, a partir de las diferentes coordenadas, mediante técnicas
de regresión o similares, para obtener los coeficientes de una
función polinómica que relaciona las coordenadas de cada píxel en
la imagen con su longitud de onda y posición espacial
asociadas.
12. Dispositivo para la calibración espectral y
espacial de espectrómetros de imagen, que de acuerdo con la
reivindicación 11, se caracteriza por obtener la relación
buscada entre las coordenadas de los píxeles y su longitud de onda y
posición espacial asociadas mediante funciones no polinómicas.
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