一种皮肤高光谱图像采集单元及标定方法技术

本发明专利技术涉及皮肤高光谱图像采集处理领域，尤其涉及一种皮肤高光谱图像的采集单元及标定方法。包括电源、光源组件、高光谱相机、光学隔离罩；所述光学隔离罩上设置有一采集孔，光源组件及高光谱相机设置在所述光学隔离罩内；皮肤采集区域经过采集孔，在所述光源组件的照射下，经高光谱相机拍照获得皮肤高光谱图像；所述电源单元连接光源组件为其供电；还包括有标准物组件；实现对采集的皮肤光谱图像在平面维度及光谱维度上的校正。本发明专利技术通过降噪设计，提高了系统的准确性；保证了采集平面内、每次采集以及不同设备之间的采集光谱数据的一致性，解决了一致性问题。并解决了采集孔定制定面积(30mmx25mm)内光照均匀，使系统具有了形态学分析能力。

A skin hyperspectral image acquisition unit and calibration method

The invention relates to the field of skin hyperspectral image acquisition and processing, in particular to a collection unit and calibration method of a hyperspectral image of the skin. Including the power supply, a light source component, hyperspectral camera, optical isolation cover; the optical isolation cover is provided with a sampling hole, light source component and a hyperspectral camera is arranged on the optical isolation hood; skin collecting area after collecting hole in the light source component under the irradiation of the hyperspectral camera to obtain the skin hyperspectral image; the power supply unit is connected with the light source module for the power supply; including standard components; achieve the correction in the plane dimension and spectral dimension of skin spectral image acquisition. The invention improves the accuracy of the system through the design of noise reduction, and ensures the consistency of the acquired spectral data between the acquisition plane and the different devices, and solves the consistency problem. It also solved the uniformity of light in the set area (30mmx25mm) of the collection hole, so that the system has the ability of morphological analysis.

【技术实现步骤摘要】
一种皮肤高光谱图像采集单元及标定方法
本专利技术涉及皮肤高光谱图像采集处理领域，尤其涉及一种皮肤高光谱图像的采集单元及标定方法。
技术介绍
“皮肤光谱预测”模型提出了由若干种物质成分不同含量的组合虚拟其皮肤光谱的数学方法。籍于此模型，可以渲染皮肤的视觉效果，在这里，我们称之为正向关系。而“皮肤高光谱量化分析”则是“皮肤光谱预测”的逆向过程，即由人皮肤的测量光谱计算出皮肤的生物学成分含量。显然，逆向过程是正向关系的迭代优化问题，需要解决适用场景中的精准建模和巨量计算技术。对于定量分析类医疗器械，关键指标是计算的精度和速度，要能够达到临床应用的要求。高光谱图像技术在以无创、非接触的方式分辨皮肤生物学成分信息方面具有的独特优势。皮肤高光谱图像是基于可见光(400-700nm)、定距光路系统设计条件下所采集的。通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有一定面积的图像信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。由于光谱分辨率达到了nm级(几个nm),能够充分、细致地反映出其生物学成分的特征，在可见光全谱段上，呈现出了“不同物不同谱，同物一定同谱”的特性，具备了物质“指纹”的效用，并且可以区分同类目标的细微差异，可作为定量分析的研究基础。相较于多光谱，它具备了全谱段的仿真精度,消除了“异物同谱”和“同谱异物”现象；相较于单点光谱，它具备了形态学分析能力、避免了单点特异性和对采集操作要求苛刻的长处，为对光谱数据进行更为有效的分析处理提供了可能。然而，由于目标光谱不同的表现和组合方式可以转化为不同的特征，需要建立包含完整的生物学成分、多维度的数学模型，才能够实现全波段仿真、精细拟合。一般情况下可见光波段(400-700)所采用的光源多为钨灯类光源。但钨灯光源在400-500nm波长区间的光谱辐强较低，信噪比比较低，导致基于高光谱皮肤定量分析的误差比较大，难以作为定量分析的基础信号。高光谱图像技术在皮肤分析领域还没有得到实际的应用。传统的皮肤分析主要采用组织形态病理学方法进行分析，皮肤是有创采集，一般采集面只有几个毫米，无法满足整体形态学方面观察的需要。如果采用光谱仪采集方式，采集面同样只有几个毫米。高光谱图像技术可以满足大面积分析的需要，但为定量分析的基础信号，需要解决统一计量和均匀性问题。
技术实现思路
针对
技术介绍
中的问题，本专利技术的目的在于：(1)提供一种皮肤高光谱采集单元，通过多光源配置和LED光源单波长辐强可调、全谱段辐强均衡技术，使采集单元达到降噪的目的，从而提高皮肤高光谱量化分析系统的准确性。(2)提供一种皮肤高光谱采集单元，通过光路设计，解决均匀性问题(30mmx25mm的采集面)，使皮肤高光谱量化分析系统具有了形态学分析能力。(3)提供一种两级标准校正方法，解决了系统的一致性问题，统一了计量。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种皮肤高光谱图像采集单元，包括电源、光源组件、高光谱相机、光学隔离罩；所述光学隔离罩上设置有一采集孔，光源组件及高光谱相机设置在所述光学隔离罩内；皮肤采集区域经过采集孔，在所述光源组件的照射下，经高光谱相机拍照获得皮肤高光谱图像；所述电源单元连接光源组件为其供电；其特征在于：还包括有标准物组件；所述标准物组件包括套装白板及梯度反射板，所述套装白板实现对采集的皮肤光谱图像在平面维度上的校正，所述梯度反射板实现对采集的皮肤光谱图像在光谱维度上的校正。进一步的，所述光源组件采用多光源配置，包括钨灯光源及LED灯光源；所述LED灯光源为一组波长范围在395-500nm之间的LED灯珠。进一步的，所述LED灯光源每间隔5nm波长设置一个,由12个LED灯珠组成，共计4组对称排列设置。进一步的，所述电源单元与每个波长的LED灯珠连接的电源均采用定制电源，该定制电源的电压、电流单独调节。进一步的，所述套装白板包括两部分，一部分是正方形边框，随机附着于采集方孔内部，每次采集目标物时边框也同时被采集；另一部分是方形白板，覆盖于采集孔上，采集目标位置的平面数据，实现分析平面的校正；所述反射率梯度板为不同反射率的8块标准板，分别贴合于采集孔外侧，采集测得采集面内各点实测数值，实现光谱维度的校正。进一步的，所述8块梯度反射板的标称反射率分别100％、80％、60％、40％、20％、10％、5％、2％。进一步的，所述采集单元实际采集面积去除阴影部分后的有用区域包括三部分：1)有效白板校正区域，随机标准白板的的一部分，为外边100mmx100mm，内边95mmx95mm；2)有效观察区域，为50mmx50mm；3)有效分析区域，为30mmx25mm。一种用于皮肤高光谱图像采集单元的标定方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：(1)第一级校正：依据方形白板与边框白板之间的相对关系，对分析对区域中的各点、各次的采集进行对标，归一化修正，形成一级修正参数表；(2)第二级校正：通过一套梯度反射板来校正，对每块梯度反射率下的标准物进行实测，在实测值与标准值之间建立关系，形成设备相关的实际的覆盖可见光全谱段的反射率检测值与计量值之间的关系，即二级修正参数表；对每台设备、每次测量的结果进行归一化修正，统一到计量机构的计量标准上。进一步的，所述步骤(1)中，归一化修正时，修正密度为170px150p，共计25500个修正点；步骤(2)中，修正密度间隔为10nm,共计31个修正点。进一步的，所述梯度反射板的标称反射率分别100％、80％、60％、40％、20％、10％、5％、2％。本专利技术相对于现有技术的有益效果在于：(1)通过降噪设计，提高了系统的准确性。采用一组不同波长的LED灯珠对395-500nm波长范围进行补光，每5nm间隔取一LED灯珠,一组由12个LED灯珠组成，共采用4组，从而对可见光谱段内390-500波长区间的辐强进行拉升；同时，为每个波长的LED灯珠定制电压、电流可调电源，可对各波长LED灯珠电压和电流单独调节，整个可见光谱段的辐强总体均衡，即适宜于数据处理，又保证了较高的信噪比。(2)通过两级标准校正，保证了采集平面内、每次采集以及不同设备之间的采集光谱数据的一致性，统一定标，解决了一致性问题。(3)通过光路设计，解决了采集孔定制定面积(30mmx25mm)内光照均匀，使系统具有了形态学分析能力。附图说明图1是本专利技术的采集单元的结构示意图；图2是本专利技术的多光源配置示意图；图3是本专利技术采集单元的降噪对比图；图4是本专利技术标定方法的二级标定修正图。图中，1-光源组件，2-高光谱相机，3-光学隔离罩，4-采集孔，5-钨灯光源，6-LED灯光源。图3中，横轴代表波长(单位nm)，纵轴为相对辐强(无单位)；B线段代表钨灯发射光谱，A线段代表钨灯及LED灯的组合光源发射光谱。图4中，横轴为实测反射率，纵轴为标准发射率；线段1代表未校准的测量—标定反射率关系曲线，线段2代表校准后的测量—标定反射率对应关系曲线。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式，对本专利技术的具体实施方案作详细的阐述。这些具体实施方式仅供叙述而并非用来限定本专利技术的范围或实施原则，本专利技术的保护范围仍以权利要求为准，包括在此基础上所作出的显而易见的变化或变动等。如图1、2所示，一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种皮肤高光谱图像采集单元，包括电源、光源组件、高光谱相机、光学隔离罩；所述光学隔离罩上设置有一采集孔，光源组件及高光谱相机设置在所述光学隔离罩内；皮肤采集区域经过采集孔，在所述光源组件的照射下，经高光谱相机拍照获得皮肤高光谱图像；所述电源单元连接光源组件为其供电；其特征在于：还包括有标准物组件；所述标准物组件包括套装白板及梯度反射板，所述套装白板实现对采集的皮肤光谱图像在平面维度上的校正，所述梯度反射板实现对采集的皮肤光谱图像在光谱维度上的校正。

【技术特征摘要】
1.一种皮肤高光谱图像采集单元，包括电源、光源组件、高光谱相机、光学隔离罩；所述光学隔离罩上设置有一采集孔，光源组件及高光谱相机设置在所述光学隔离罩内；皮肤采集区域经过采集孔，在所述光源组件的照射下，经高光谱相机拍照获得皮肤高光谱图像；所述电源单元连接光源组件为其供电；其特征在于：还包括有标准物组件；所述标准物组件包括套装白板及梯度反射板，所述套装白板实现对采集的皮肤光谱图像在平面维度上的校正，所述梯度反射板实现对采集的皮肤光谱图像在光谱维度上的校正。2.根据权利要求1所述的一种皮肤高光谱图像采集单元，其特征在于：所述光源组件采用多光源配置，包括钨灯光源及LED灯光源；所述LED灯光源为一组波长范围在395-500nm之间的LED灯珠。3.据权利要求1所述的一种皮肤高光谱图像采集单元，其特征在于：所述LED灯光源每间隔5nm波长设置一个,由12个LED灯珠组成，共计4组对称排列设置。4.根据权利要求2所述的一种皮肤高光谱图像采集单元，其特征在于：所述电源单元与每个波长的LED灯珠连接的电源均采用定制电源，该定制电源的电压、电流单独调节。5.根据权利要求1所述的一种皮肤高光谱图像采集单元，其特征在于：所述套装白板包括两部分，一部分是正方形边框，随机附着于采集方孔内部，每次采集目标物时边框也同时被采集；另一部分是方形白板，覆盖于采集孔上，采集目标位置的平面数据，实现分析平面的校正；所述反射率梯度板为不同反射率的8块标准板，分别贴合于采集孔外侧，采集测得采集面内各点实测数值，实现光谱维度的校正。6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈威，王学凯，
申请(专利权)人：皑高森德医疗技术北京有限责任公司，
类型：发明
国别省市：北京,11