一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法技术

本发明专利技术涉及一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法，包括以下步骤：S1、选取LED光源，标定LED光源的光谱辐射功率分布；S2、调整LED光源出射面与相机的距离；S3、设置LED光源各个光谱通道的相对强度和相机的曝光参数；S4、对光谱可调LED光源的每种光源进行拍摄成像，获取RAW图像；S5、根据相机Bayer阵列排布提取RGB各个通道的所有像素响应值；S6、对RGB各个通道的所有像素响应值取平均，得出RGB各通道的响应均值；S7、结合LED光源的光谱辐射功率和RGB三通道的响应值，通过循环优化算法计算出相机RGB三通道的光谱敏感度。本发明专利技术的主要用途是提供一种标定过程简洁有序，标定效率高，标定结果精确的基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法。

【技术实现步骤摘要】
一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法
本专利技术涉及一种相机光谱敏感度的标定方法，特别是涉及一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法。
技术介绍
商用RGB相机的成像过程是：光线经过镜头成像入射到感光元件，并经过感光元件上的拜耳(Bayer)滤光片阵列过滤后，分为红、绿、蓝三个通道后分别使不同位置处的感光单元感光，之后相机读取所有像素的响应数据(影像领域称之为RAW图像，意指直接读取感光元件所得、尚未经过图像处理运算的原始数据)，最后相机对此RAW图像经过一系列图像处理运算，生成呈现给用户观看的图片RGB数据。在此过程中，RGB相机的红、绿、蓝三通道对入射光线的光谱响应特性称为光谱敏感度特性。光谱敏感度特性决定了相机获得的RAW图像数据，而由于相机间硬件的差异(包括成像系统、拜耳滤光片、感光元件)，此特性在不同相机之间的差异很大，这导致了即使拍摄同一场景、采用同一曝光参数，不同相机获得的RAW图像也并不相同，继而导致最终呈现的图片也会有明显差异。通常，位于上游的传感器厂家会提供传感器的光谱敏感度数据，但是到达成品阶段，由于整个相机系统的复杂性和用户设置导致的差异，一般相机厂家不会提供整机的光谱敏感度曲线。根本的解决方案是对RGB相机进行光谱敏感度曲线标定。实现这一目的的传统方法是采用单色仪，通过使用待标定相机拍摄单色仪生成的单个波长的光源，得到相机在每个波长处的响应，继而得出相机的三通道敏感度曲线，这种方法虽然可以得到精确的光谱响应曲线，但它需要昂贵的设备，标定过程耗时长，一般只在专业的实验室中才可能采用。近年来，研究者也提出了多种新方法获得相机光谱敏感度曲线。经检索，中国专利号201910815273.4，申请公开日为2020年1月10日，专利技术创造名称为：一种基于窄带LED光源估计相机光谱灵敏度的方法，该申请案包括以下步骤：1、选取N个LED光源；2、设置被测数码相机的参数，参数包括曝光时间、光圈大小和ISO值，固定相机的位置；3、在每种光源下拍摄一组图像，获取每个光源下图像颜色值；4、用PCA对已有的相机光谱灵敏度数据库做分析，获取每个相机通道的灵敏度函数主要特征向量；5、根据所有像素点的颜色值、光谱反射比和光源的光谱功率分布，通过优化算法计算得到相机三个通道灵敏度函数对应的特征系数；6、根据步骤5得到的特征系数与步骤4得到的主要特征向量，最终得到相机光谱灵敏度防止了由低维信息预测高维变量引发的误差。并且优化算法后面加上了平滑项，使得估算得到的灵敏度函数更加符合实际；但该申请案中所述方法一般要求测量多种光源的光谱功率分布，而且被摄色卡的反射比也需要事先测量，同时需要测光、测色仪器，成本高昂；同时，其基于大量现有商用相机的光谱敏感度曲线数据库，应用PCA主元分析并对光谱灵敏度降维的方法，虽然对设备要求低，但强烈依赖于相机光谱敏感度曲线数据库的选择，对于采用型号差异较大的感光元件的相机，或者非传统RGGB拜耳阵列的相机则无法适用。
技术实现思路
为了克服现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种整体标定过程简洁有序、操作方便，标定效率高，标定结果精确的基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法。为解决上述问题，本专利技术所采用的技术方案如下：一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法，包括以下步骤：S1、选取光谱可调的LED光源，标定LED光源的光谱辐射功率分布；S2、调整LED光源出射面与相机的距离，使LED光源出射面相对相机形成的成像角为相机视场角的1/10-1/5；S3、设置LED光源各个光谱通道的相对强度，并设置相机的曝光参数；S4、对光谱可调LED光源的每种光源进行拍摄成像，获取RAW图像；S5、根据相机Bayer阵列排布提取成像区域内RGB三通道中各个通道的所有像素响应值；S6、对RGB三通道中各个通道的所有像素响应值取平均，即可得出RGB三通道中各通道的响应均值；S7、结合LED光源的光谱辐射功率和RGB三通道的响应均值，通过循环优化算法计算出相机RGB三通道的光谱敏感度。进一步地，步骤S1中所述LED光源的光谱通道数为至少10个，所述LED光源的光谱波段覆盖相机380nm-730nm范围内的响应波段。进一步地，步骤S2中所述LED光源经过匀光处理，且出射面亮度偏差小于1％。进一步地，步骤S3中相机的曝光参数包括曝光时间、光圈大小和ISO值，调整上述的曝光参数使相机在同一曝光参数下，对每种光源的曝光量均为最大曝光量的80％-90％。进一步地，步骤S7中分别对R、G、B三通道依次进行优化计算，具体计算过程中，RGB三通道中单通道的响应值表示为R(k，n)，LED光源出射光的光谱辐射功率表示为SPD(λ，k)，通过公式(1)求解相机RGB三通道中单通道的光谱敏感度S(λ，n)，R(k，n)＝SPD(λ，k)*S(λ，n)(1)其中，k为LED光源序号，λ为波长，n＝1，2，3，分别代表R，G，B三个通道，光谱敏感度S(λ，n)＞0；由于相机的光谱波段的数量大于LED光源的波段数量，因此公式(1)的方程组为欠定方程组，需要通过公式(2)对S(λ，n)进行多项式降维，其中p为降维后的维度，且p＜dim(λ)；再将公式(2)得出的S(λ，n)代入公式(3)中，通过带非负约束的最小二乘法计算出光谱敏感度的均方根误差(RMSE)最小解，即为相机的初始光谱敏感度值Sseed(λ，n)，Sseed(λ，n)＝(SPD(λ，k)TSPD(λ，k))-1SPD(λ，k)TR(k，n)(3)其中，Sseed(λ，n)＞0。进一步地，步骤S7中循环优化算法采用罚函数dE(n)的计算公式，罚函数dE(n)表征了相机光谱敏感度函数的准确性，dE(n)越小，说明S(λ，n)精准度越高，罚函数dE(n)的计算公式表示为公式(4)，其中，m为LED光源可调光谱的数量。进一步地，步骤S7中循环优化算法的循环层级分为两级，一级循环过程中，λ在LED光源的光谱波段范围内以一定间隔遍历取值，并记当前波长为λc，将λc代入公式(5)中对Sseed(λ，n)进行调制并将调制后的S′(λ，n)代入公式(4)中计算罚函数dE(n)，公式(5)中采用的钟形调制函数X(λ，n)表示为公式(6)，S′(λ，n)＝Sseed(λ，n)×X(λ，n)(5)X(λ，n)＝1±N(λ，μ，σ2)(6)公式(6)中的N(λ，μ，σ2)为以λ为变量的正态分布函数，N(λ，μ，σ2)的计算公式表示为公式(7)，其中，位置参数μ＝λc，即当前调制的中心波长；二级循环过程中，以待优化的决定调制幅度的形态参量σ作为目标变量，在σ＜1区间内，公式(6)中的钟形调制函数X(λ，n)具体表示为公式(8)，将公式(8)中的X(λ，n)代入公式(5)中对Sseed(λ，n)实现压缩，<本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、选取光谱可调的LED光源，标定LED光源的光谱辐射功率分布；/nS2、调整LED光源出射面与相机的距离，使LED光源出射面相对相机形成的成像角为相机视场角的1/10-1/5；/nS3、设置LED光源各个光谱通道的相对强度，并设置相机的曝光参数；/nS4、对光谱可调LED光源的每种光源进行拍摄成像，获取RAW图像；/nS5、根据相机Bayer阵列排布提取成像区域内RGB三通道中各个通道的所有像素响应值；/nS6、对RGB三通道中各个通道的所有像素响应值取平均，即可得出RGB三通道中各通道的响应均值；/nS7、结合LED光源的光谱辐射功率和RGB三通道的响应均值，通过循环优化算法计算出相机RGB三通道的光谱敏感度。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、选取光谱可调的LED光源，标定LED光源的光谱辐射功率分布；
S2、调整LED光源出射面与相机的距离，使LED光源出射面相对相机形成的成像角为相机视场角的1/10-1/5；
S3、设置LED光源各个光谱通道的相对强度，并设置相机的曝光参数；
S4、对光谱可调LED光源的每种光源进行拍摄成像，获取RAW图像；
S5、根据相机Bayer阵列排布提取成像区域内RGB三通道中各个通道的所有像素响应值；
S6、对RGB三通道中各个通道的所有像素响应值取平均，即可得出RGB三通道中各通道的响应均值；
S7、结合LED光源的光谱辐射功率和RGB三通道的响应均值，通过循环优化算法计算出相机RGB三通道的光谱敏感度。


2.根据权利要求1所述的一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法，其特征在于：步骤S1中所述LED光源的光谱通道数为至少10个，所述LED光源的光谱波段覆盖相机380nm-730nm范围内的响应波段。


3.根据权利要求1所述的一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法，其特征在于：步骤S2中所述LED光源的出射光经过匀光处理，且出射面亮度偏差小于1％。


4.根据权利要求1所述的一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法，其特征在于：步骤S3中相机的曝光参数包括曝光时间、光圈大小和ISO值，调整上述的曝光参数使相机在同一曝光参数下，对每种光源的曝光量均为最大曝光量的80％-90％。


5.根据权利要求2所述的一种基于光谱可调LED光源的RGB相机光谱敏感度标定方法，其特征在于：步骤S7中分别对R、G、B三通道依次进行优化计算，具体计算过程中，RGB三通道中单通道的响应值表示为R(k，n)，LED光源出射光的光谱辐射功率表示为SPD(λ，k)，通过公式(1)求解相机RGB三通道中单通道的光谱敏感度S(λ，n)，
R(k，n)＝SPD(λ，k)*S(λ，n)(1)
其中，k为LED光源序号，λ为波长，n＝1，2，3，分别代表R，G，B三个通道，光谱敏感度S(λ，n)＞0；
由于相机的光谱波段的数量大于LED光源的波段数量，因此公式(1)的方程组为欠定方程组，需要通过公式(2)对S(λ，n...

【专利技术属性】
技术研发人员：何灿栋，黄庭纬，冯晶，熊鑫，罗明，
申请(专利权)人：常州千明智能照明科技有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32