一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法及设备技术

本发明专利技术主要提供了一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法及设备，属于光谱成像图像校准技术领域，本发明专利技术的校准方法基于所搭建的校准模型，首先采集均匀分布的特定样本及大参考白板的光谱图像数据，归一化计算样本不同入射角的光谱反射率及基准反射率，形成数据集合并建立相应的映射关系，形成训练样本集合，输入到校准模型中对其进行训练，得到最终的校准模型，模型搭建完成后采集待检测样本并计算获取新的光谱数据集合输入到校准模型中，对光谱数据进行校准。本发明专利技术提高了法布里珀罗干涉腔光谱相机的识别准确率，消除了中心波长偏移的影响，方法设计巧妙，易于实现；同时，不需要重新建立光谱应用模型，实现成本更低，效率更高。率更高。率更高。

【技术实现步骤摘要】
一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法及设备


[0001]本专利技术属于光谱成像图像校准
，尤其涉及一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法及设备。

技术介绍

[0002]中心波长偏移是法布里珀罗干涉腔(法珀腔)固有的物理特性，只要入射光不能够准直地进入法布里珀罗干涉腔，那么任何基于法布里珀罗干涉腔实现的多光谱或者高光谱成像系统都会存在中心波长偏移的问题，并且跟法布里珀罗干涉腔的技术实现方式(静电式/压电式/其他方式)无关。目前现有的基于法布里珀罗干涉腔实现的多光谱或者高光谱成像系统都无法做到让入射光完全准直地进入法布里珀罗干涉腔，因此必定会存在中心波长偏移的问题。
[0003]现有的技术方案中更多的是设计和修改光谱成像的光学系统来达到让光线尽可能的准直地进入法布里珀罗干涉腔，但是目前已知的基于法布里珀罗实现的光谱成像的光学系统中还无法做到100％让所有光线都能够准直的进入法布里珀罗干涉腔，并且由此会导致光谱相机的FOV变小，通光率降低等等问题，同时修改光学系统的技术难度和实现成本也会更高。
[0004]同时也有技术方案尝试在光谱图像中增加光谱空间特征，来消除中心波长偏移的影响，使后期的光谱应用模型以正确的波长看待光谱反射率数据，其虽然可以解决中心波长偏移对光谱应用模型的影响，但是需要重新建立光谱应用模型，增加了新的问题。

技术实现思路

[0005]针对上述问题，本专利技术专利提出了一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准模型搭建方法，包括以下步骤：
[0006]步骤1，使用法布里珀罗干涉腔的光谱相机拍摄采集均匀分布的特定样本光谱图像数据；所述均匀分布的特定样本，是在光谱图像范围内，每个入射角度θ都分布有特定样本物质；所述光谱图像成像数据是一种三维形式的光谱立方体，包含二维的图像信息m行*n列和一维的光谱信息k个谱段；
[0007]使用法布里珀罗干涉腔的光谱相机拍摄获取大标准漫反射参考白板的光谱图像数据，所述大标准漫反射参考白板的光谱图像数据也是一种三维形式的光谱立方体，包含二维的图像信息和一维的光谱信息k个谱段；
[0008]步骤2，使用获取的大标准漫反射参考白板的光谱立方体对特定样本的光谱立方体进行归一化处理，获取每个入射角度θ下特定样本物质的反射率，以及图像中心位置0度垂直入射时特定样本物质的基准光谱反射率；
[0009]步骤3，将每个入射角度θ及其对应特定样本物质的反射率建立数据集集合X
θ
，同时，建立k个谱段的基准光谱反射率集合Y；
[0010]X
θ
＝[Reflection_1,Reflection_2,...,Reflection_k,入射角度θ][0011]Reflection_k表示在第k个谱段的角度θ时的反射率；
[0012]Y＝[Reflection_0_1,Reflection_0_2,...,Reflection_0_k]Reflection_0_k表示在第k个谱段的入射角度为0时的基准光谱反射率；
[0013]步骤4，建立X
θ
与Y之间的映射关系，并形成训练样本数据集；
[0014]步骤5，初始化校准模型的参数，输入训练样本数据集，经过多次迭代后，在预测误差降低到设置的阈值时停止迭代，得到最终的校准模型。
[0015]优选的，所述使用获取的大标准漫反射参考白板的光谱立方体对特定样本的光谱立方体进行归一化处理，归一化公式如下：
[0016][0017]Cube_norm表示大小为m*n*k的三维矩阵，代表归一后的目标物光谱立方体，可以获取光谱立方体二维图像中的每一个像素点分别在k个谱段中的反射率值Reflection；Cube_target表示大小为m*n*k的三维矩阵，代表归一前的特定样本的光谱立方体；Cube_white表示大小为m*n*k的三维矩阵，代表大标准漫反射参考白板的光谱立方体。
[0018]优选的，还考虑黑参考的影响，所述步骤1中还要获取拍摄的大黑参考光谱立方体，即将相机的镜头盖合上，确保周围没有环境光，然后进行拍摄；所述归一化公式进一步变形为：
[0019][0020]Cube_dark表示大小为m*n*k的三维矩阵，代表大黑参考光谱立方体。优选的，所述入射角度θ的计算公式为：
[0021]θ＝arctan(w/h)
[0022]入射角度θ根据偏离相机镜头光学中心轴的水平距离w和特定样本与镜头中心的垂直距离h计算得到。
[0023]优选的，所述校准模型采用神经网络模型、支持向量机模型、逻辑回归模型或贝叶斯分类模型中的任意一种。
[0024]本专利技术第二方面提供了一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法，包括以下过程：
[0025]获取通过法布里珀罗干涉腔的光谱相机拍摄的待检测特定样本的光谱图像数据，即光谱立方体；
[0026]使用获取的大标准漫反射参考白板的光谱立方体对待检测特定样本的光谱立方体进行归一化处理，获取其在k个谱段的反射率及对应的入射角度θ，建立数据集合；
[0027]将建立的数据集合输入到如第一方面所述的模型搭建方法所搭建的校准模型中进行校准；
[0028]输出校准后的正确的待检测特定样本的反射率数据集合以进行光谱曲线绘制。
[0029]本专利技术第三方面还提供了一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准设备，所述设备包括至少一个处理器和至少一个存储器；所述存储器中存储有计算机执行程序；所述处理器执行所述存储器中存储的执行程序时，可以使处理器执行如第二方面所述的光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法。
[0030]本专利技术第四方面提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质中存储有计算机执行程序，所述计算机执行程序被处理器执行时，用于实现如如第二方面所述的光谱成像中心波长入射角度偏移的校准方法。
[0031]本专利技术的有益效果：现有的技术方案中更多的是设计和修改光谱成像的光学系统来达到让光线尽可能的准直地进入法布里珀罗干涉腔，但由此会导致光谱相机的FOV变小，通光率降低等等问题，同时修改光学系统的技术难度和实现成本也会更高，而本专利技术所述校准方法无需改变已有的光谱成像系统，通过获取均匀分布的特定样本光谱图像数据，并通过大标准漫反射参考白板进行归一化，获取光谱图像每个谱段二维空间坐标中对应的每个角度的实际反射率与每个谱段的基准反射率，建立映射关系得到数据集训练样本，通过训练搭建一种不同入射角和0度入射角的光谱反射率映射机器学习模型，可以对再次拍摄的待检测样本的对应谱段的反射率进行校准，从而可以绘制出准确的反射率光谱曲线，提高了识别的准确率，消除了中心波长偏移的影响，方法设计巧妙，易于实现；同时，不需要重新建立光谱应用模型，实现成本更低，效率更高，普适和通用性更强。
附图说明
[0032]图1为法布里珀罗干涉腔原理图。
[0033]图2为实验实际观测到的中心波长偏移原理图。
[0034]图3为中心波长偏本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准模型搭建方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1，使用法布里珀罗干涉腔的光谱相机拍摄采集均匀分布的特定样本光谱图像数据；所述均匀分布的特定样本，是在光谱图像范围内，每个入射角度θ都分布有特定样本物质；所述光谱图像成像数据是一种三维形式的光谱立方体，包含二维的图像信息m行*n列和一维的光谱信息k个谱段；使用法布里珀罗干涉腔的光谱相机拍摄获取大标准漫反射参考白板的光谱图像数据，所述大标准漫反射参考白板的光谱图像数据也是一种三维形式的光谱立方体，包含二维的图像信息和一维的光谱信息k个谱段；步骤2，使用获取的大标准漫反射参考白板的光谱立方体对特定样本的光谱立方体进行归一化处理，获取每个入射角度θ下特定样本物质的反射率，以及图像中心位置0度垂直入射时特定样本物质的基准光谱反射率；步骤3，将每个入射角度θ及其对应特定样本物质的反射率建立数据集集合X
θ
，同时，建立k个谱段的基准光谱反射率集合Y；X
θ
＝[Reflection_1,Reflection_2,...,Reflection_k,入射角度θ]Reflection_k表示在第k个谱段的角度θ时的反射率；Y＝[Reflection_0_1,Reflection_0_2,...,Reflection_0_k]Reflection_0_k表示在第k个谱段的入射角度为0时的基准光谱反射率；步骤4，建立X
θ
与Y之间的映射关系，并形成训练样本数据集；步骤5，初始化校准模型的参数，输入训练样本数据集，经过多次迭代后，在预测误差降低到设置的阈值时停止迭代，得到最终的校准模型。2.如权利要求1所述的一种光谱成像中心波长入射角度偏移的校准模型搭建方法，其特征在于：所述使用获取的大标准漫反射参考白板的光谱立方体对特定样本的光谱立方体进行归一化处理，归一化公式如下：Cube_norm表示大小为m*n*k的三维矩阵，代表归一后的目标物光谱立方体，可以获取光谱立方体二维图像中的每一个像素点分别在k个谱段中的反射率值Reflection；Cube_t...

【专利技术属性】
技术研发人员：李江漫，方鹏程，冯超，
申请(专利权)人：优尼科青岛微电子有限公司，
类型：发明
国别省市：