一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法技术方案

本发明专利技术公开了一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法，系统包括反射光获取装置、高光谱探测装置及平移装置；方法包括步骤S1：通过高光谱数据采集，测量标准物体的发射谱，对波长与像素的关系进行标定；通过单一波长下相邻像素的响应值，确定该波长峰值所在的像素位置，波长峰值与对应像素点建立多项式关系，再利用拟合出的多项式计算出其余像素点对应的波长；步骤S2：获取标准物体对应光谱响应值，对光谱响应值求和取平均值，通过测量已知光谱反射率的标准物体的光谱响应值，建立光谱在相同条件下，测量待测样本的光谱响应值，获得待测样本的光谱反射率，建立光谱响应值与标准物体光谱反射率的对应关系，进行光谱反射率定标。进行光谱反射率定标。进行光谱反射率定标。

【技术实现步骤摘要】
一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法


[0001]本专利技术涉及颜色测量
，尤其是涉及一种高光谱颜色测量定标系统及定标方法。

技术介绍

[0002]现有技术中分光测色仪有较好的测量稳定性和较高的测量精度，但是空间分辨率低，实 际应用中只能对纯色区域测量，无法应对具有复杂颜色图案的场景；彩色相机有很高的空间 分辨率，但是光谱分辨率低，不适用于精确的颜色测量和颜色传递。因此，将高光谱成像技 术把成像技术和光谱分析技术进行融合，能够更有效的满足图像测色得需求。
[0003]但是高光谱图像数据采集完成后，需要将图像中每一点的光谱响应值，转化为光谱反射 率数据。这需要经过两个步骤：
[0004]1、波长定标，获取光谱维中波长与像素的对应关系。波长的准确性将影响最终的测色结 果，因此，需要一个有效的波长定标方法，准确寻找波长。
[0005]2、光谱反射率定标，将空间维中每个空间通道的光谱响应值与光谱反射率建立关系。高 光谱颜色测量系统中，高光谱相机采集的仅是样本在各个波长下的反射光强的信号量，需要 通过一个有效的方法，提取出色度计算所需的400
‑
700nm之间每间隔10nm波长的响应值数 据，再将光谱响应值数据转化为光谱反射率。
[0006]而在图像颜色测量的研究中，所获取的图像质量也是关注的重点，高光谱颜色测量系统 既有较高的图像空间分辨率，又具有较高的光谱分辨率。对高光谱相机的性能有较高的要求， 而高光谱相机各组件的选型与装配对最终的成像质量有很大的影响，影响主要表现在谱线弯 曲和色畸变上。谱线弯曲导致的单色像弯曲称作Smile效应，色畸变导致的不同视场的光谱 曲线弯曲称作Keystone效应。
[0007]在对高光谱相机的各组件选型时，考虑到了分光组件的谱线弯曲和色畸变的大小与CCD 像敏单元的尺寸匹配问题，当像敏单元的大小是谱线弯曲大小两倍时，即使有Smile和 Keystone效应存在，狭缝的单色像任能被同一行像素接收，不会对最终的数据产生影响。但 是镜头并不是分光组件设计匹配的像方远心光路，因此，高光谱相机整体仍会有较大的Smile 和Keystone效应产生。Keystone和Smile效应在高光谱成像技术中会造成相邻空间点的光谱 匹配错误和不同空间位置的光谱响应值不一致，这会影响最终的成像质量。

技术实现思路

[0008]为解决现有技术的不足，实现光谱维中波长与像素对应，提取色度计算波长的响应值数 据进行光谱反射率，以及避免Keystone和Smile效应提高图像质量的目的，本专利技术采用如下 的技术方案：
[0009]一种高光谱颜色测量定标系统，反射光获取装置和高光谱探测装置，为高光谱探测装置 配合设置平移装置；
[0010]反射光获取装置采集标准物体的发射谱，通过高光谱探测装置设有的狭缝，将平
面像进 行剪切，得到狭缝尺寸的一维空间图像信息，将一维空间位置上的每一点的光信息色散分光， 对于垂直于狭缝方向的每列像素，采集来自同一空间点的不同波长信息，每列像素作为一个 空间通道，每个空间通道包含标准物体的所有波长信息及标准物体在空间中一点的位置信息， 同一波长单色像的每行像素作为一个光谱通道，每个光谱通道包含狭缝视场内的所有空间位 置信息及一个波段下的光谱信息，将包含所有空间位置信息的方向作为光谱维，将包含所有 光谱信息的方向作为空间维，在不考虑光学系统像差的情况下，各个空间通道采集的光谱数 据一致，选取空间维中间位置的空间通道进行波长定标，并用获得的波长与像素关系表示空 间维其余各空间通道的波长与像素的关系，进行波长定标；
[0011]标准物体随平移装置移动，高光谱探测装置的每个空间通道，通过狭缝获取标准物体对 应狭缝区域的光谱响应值，对光谱响应值求和取平均值，从而消除光谱反射率定标环节中， 标准板本身的不均匀以及瑕疵对系统采集的光谱响应值的影响，通过测量已知光谱反射率的 标准物体在系统中的光谱响应值，建立系统光谱在相同条件下，测量待测样本在系统中的光 谱响应值，获得待测样本的光谱反射率，建立系统光谱响应值与标准物体光谱反射率的对应 关系，进行光谱反射率定标。
[0012]进一步地，构建一组标准板，用于放置光谱反射率呈阶梯下降的标准物质，为了减小系 统光能量与电信号之间非线性关系的影响，提高光谱反射率与光谱响应值的拟合精度，对每 个空间通道的光谱响应值与标准板的光谱反射率进行分段线性拟合，获取系统的光谱响应值 与光谱反射率的关系。
[0013]进一步地，光源的光谱分布会随着温度和驱动电流的变化而变化，即光源的光谱会发生 波动，这会影响短期测量的重复性，采用双光路法消除光源的波动性，使用两束光路同时测 量，一束光路采集待测样品反射光信号，一束光路采集标准白板对光源的反射光信号，光源 在某个波长下的发光强度发生波动时，样品的反射光强会发生同样的波动，通过待测光信号 与光源光信号之比消除光源波动带来的影响。所述反射光获取装置包括积分球，所述高光谱 探测装置，在成像时，其视场包括积分球的采样口及采样口周围的积分球内壁，将采样口作 为测试区域，将反射光源信息的采样口周围的积分球内壁作为参考区域，参考区域内的数据 来自积分球内壁，积分球内壁表面喷涂的硫酸钡呈颗粒状，单个像素的信噪比差，为了准确 采集光源波动性的数据，参考区域的范围不应过小，应由多个空间通道的数据累加求平均获 得，光源波动性的消除算法如下：
[0014][0015]其中，t表示第t次采样，λ表示波长，j表示第j个像素，φ
o
(t,λ,j)表示测试区域内每个 像素相应波长下的响应值；表示参考区域内相应波长下多个像素响应值的平均值； φ(t,λ,j)表示测试区域与参考区域的每次采样数据的比值，通过该方法可消除光源波动性的 影响。
[0016]进一步地，所述高光谱探测装置包括成像组件和面阵CCD(Charge Coupled Device，电 荷耦合器件)，面阵CCD的感光面与成像面重合，同时，狭缝的单色像与面阵CCD的每一行 像素完全平行，用于获取空间位置信息和光谱信息，单个像素的光电转化能力弱，信噪比较 差，采用像素合并的方式，将相邻几个像素的响应值求和取平均后输出为一
个响应值，提高 信噪比和数据传输速度，但是像素合并会降低空间分辨率和光谱分辨率，在进行像素合并时 需要保证空间分辨率和光谱分辨率满足系统的需求，成像组件的分辨率高于面阵CCD的像素 尺寸，从而使最终获取图像的额空间分辨率由像素尺寸决定，通过面阵CCD空间维的长度与 成像视场的比值，得到放大倍率，通过单个像素的尺寸与放大倍率的比值，得到单个像素对 应的空间分辨率，在空间分辨率满足测量系统需求，波长间隔高于色度计算需求的前提下， 合并空间维像素和/或光谱维像素，从而在满足系统需求的情况下，极大的提高了信噪比，减 少了数据量。
[0017]引入黑白校准数据改善系统长期测量稳定性，面阵CCD每个像素之间的光电转化效率有 所差异，即使在相同光照下像敏单元的响应值也有本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高光谱颜色测量定标系统，反射光获取装置和高光谱探测装置，其特征在于：为所述高光谱探测装置配合设置平移装置；反射光获取装置采集标准物体的发射谱，通过高光谱探测装置设有的狭缝，将平面像进行剪切，得到狭缝尺寸的一维空间图像信息，将一维空间位置上的每一点的光信息色散分光，对于垂直于狭缝方向的每列像素，采集来自同一空间点的不同波长信息，每列像素作为一个空间通道，每个空间通道包含标准物体的所有波长信息及标准物体在空间中一点的位置信息，同一波长单色像的每行像素作为一个光谱通道，每个光谱通道包含狭缝视场内的所有空间位置信息及一个波段下的光谱信息，将包含所有空间位置信息的方向作为光谱维，将包含所有光谱信息的方向作为空间维，选取空间维中间位置的空间通道进行波长定标，并用获得的波长与像素关系表示空间维其余各空间通道的波长与像素的关系，进行波长定标；标准物体随平移装置移动，高光谱探测装置的每个空间通道，通过狭缝获取标准物体对应狭缝区域的光谱响应值，对光谱响应值求和取平均值，通过测量已知光谱反射率的标准物体在系统中的光谱响应值，建立系统光谱在相同条件下，测量待测样本在系统中的光谱响应值，获得待测样本的光谱反射率，建立系统光谱响应值与标准物体光谱反射率的对应关系，进行光谱反射率定标。2.根据权利要求1所述的一种高光谱颜色测量定标系统，其特征在于：构建一组标准板，用于放置光谱反射率呈阶梯下降的标准物质，对每个空间通道的光谱响应值与标准板的光谱反射率进行分段线性拟合，获取系统的光谱响应值与光谱反射率的关系。3.根据权利要求1所述的一种高光谱颜色测量定标系统，其特征在于：所述反射光获取装置包括积分球，所述高光谱探测装置，在成像时，其视场包括积分球的采样口及采样口周围的积分球内壁，将采样口作为测试区域，将采样口周围的积分球内壁作为参考区域，光源波动性的消除算法如下：其中，t表示第t次采样，λ表示波长，j表示第j个像素，φ
o
(t,λ,j)表示测试区域内每个像素相应波长下的响应值；表示参考区域内相应波长下多个像素响应值的平均值；φ(t,λ,j)表示测试区域与参考区域的每次采样数据的比值。4.根据权利要求1所述的一种高光谱颜色测量定标系统，其特征在于：所述高光谱探测装置包括成像组件和面阵CCD，面阵CCD的感光面与成像面重合，同时，狭缝的单色像与面阵CCD的每一行像素完全平行，用于获取空间位置信息和光谱信息，采用像素合并的方式，将相邻几个像素的响应值求和取平均后输出为一个响应值，成像组件的分辨率高于面阵CCD的像素尺寸，通过面阵CCD空间维的长度与成像视场的比值，得到放大倍率，通过单个像素的尺寸与放大倍率的比值，得到单个像素对应的空间分辨率，在空间分辨率满足测量系统需求，波长间隔高于色度计算需求的前提下，合并空间维像素和/或光谱维像素。5...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁琨，王坚，
申请(专利权)人：彩谱科技浙江有限公司，
类型：发明
国别省市：