高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法及裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提出一種高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法及裝置，高光譜采集系統(tǒng)包括灰度相機(jī)、分光器件和空間采樣裝置，其中光譜譜線定標(biāo)方法包括以下步驟：利用單色儀提供多種單色光，并用高光譜采集系統(tǒng)采集多種單色光分別對(duì)應(yīng)的多幅灰度圖像；選定多幅灰度圖像中相同位置的同一周期的圖像區(qū)域進(jìn)行分析，記錄多幅灰度圖像中各自的亮度最大的峰值點(diǎn)坐標(biāo)，并繪制單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線；將單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。本發(fā)明的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法及裝置可以利用少量波段即可完成高精度的光譜譜線定標(biāo)，具有算法簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，對(duì)光譜成像的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。
【專利說(shuō)明】高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法及裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及高光譜視頻采集領(lǐng)域，尤其涉及一種高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]計(jì)算攝像學(xué)中一個(gè)重要研究方向是在光譜域上對(duì)于傳統(tǒng)的成像技術(shù)進(jìn)行擴(kuò)展，SP高光譜技術(shù)。當(dāng)前大多數(shù)成像攝影技術(shù)都是基于紅、綠、藍(lán)三色信息對(duì)于場(chǎng)景影像進(jìn)行記錄的，雖然三色傳感成像技術(shù)符合人類視覺(jué)系統(tǒng)的成像需求，然而從物理原理的角度出發(fā)，現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景并非只有三色信息這么簡(jiǎn)單。從光源發(fā)出或經(jīng)物體反射的光線具有豐富的波長(zhǎng)，其中可見(jiàn)光覆蓋從390nm直至780nm的廣泛區(qū)域，包含了大量的信息。場(chǎng)景光線光譜正是指在這段波長(zhǎng)范圍內(nèi)光線光強(qiáng)的分布，這種光譜信息能夠反應(yīng)出光源、物體以及場(chǎng)景的自然屬性，因此光譜采集技術(shù)已成為了進(jìn)行科學(xué)研究與工程應(yīng)用的有效工具。
[0003]根據(jù)技術(shù)要求和采集條件的不同，現(xiàn)有的多光譜采集系統(tǒng)可以分為兩類:掃描式光譜成像儀和瞬時(shí)拍攝型拍攝光譜成像儀。各種技術(shù)解決方案都是通過(guò)犧牲空間或時(shí)間分辨率的方式對(duì)于光譜分辨率進(jìn)行補(bǔ)償，以采集多光譜信息。2011年初，一種基于混合相機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行多光譜采集系統(tǒng)被提出，其在犧牲空間分辨率獲得附加光譜分辨率的同時(shí)，使用雙路采集的技術(shù)對(duì)空間分辨率進(jìn)行補(bǔ)償，從得到的多路數(shù)據(jù)中重構(gòu)出高時(shí)空分辨率的多光譜視頻，實(shí)現(xiàn)了空間、時(shí)間、光譜三個(gè)維度的采集。圖1是混合相機(jī)系統(tǒng)的原理圖，該系統(tǒng)采用兩路相機(jī)，一路RGB相機(jī)采集高空間分辨率低光譜分辨率圖像，另一路灰度相機(jī)采集通過(guò)掩膜下采樣和棱鏡分光后的高光譜分辨率低空間分辨率的圖像。將兩路不同特點(diǎn)的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)齊以獲取灰度相機(jī)上的空間采樣點(diǎn)在RGB相機(jī)采集到的圖像上的空間位置關(guān)系，再利用光譜傳播算法將灰度相機(jī)上空間采樣稀疏的光譜信息傳播到RGB相機(jī)上的空間分辨率高的圖像上。如圖2所示，在高光譜采集的一路中，由于在感光平面上展開(kāi)的光譜并非隨著波長(zhǎng)進(jìn)行線性分布，所以我們并不能直接獲得每個(gè)波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)值，需要對(duì)獲得的光譜進(jìn)行光譜譜線定標(biāo)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的旨在于提出一種簡(jiǎn)單且準(zhǔn)確度高的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法及裝置。
[0005]根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法，所述高光譜采集系統(tǒng)包括灰度相機(jī)、分光器件和空間采樣裝置，所述光譜譜線定標(biāo)方法包括以下步驟:利用單色儀提供多種單色光，并用所述高光譜采集系統(tǒng)采集所述多種單色光分別對(duì)應(yīng)的多幅灰度圖像；選定所述多幅灰度圖像中相同位置的同一周期的圖像區(qū)域進(jìn)行分析，記錄所述多幅灰度圖像中各自的亮度最大的峰值點(diǎn)坐標(biāo)，并繪制單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線；將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。
[0006]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法可以利用少量波段即可完成高精度的光譜譜線定標(biāo)，具有算法簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，對(duì)光譜成像的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。
[0007]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0008]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，通過(guò)最小二乘法將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。
[0009]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括:將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線與所述高次多項(xiàng)式擬合曲線比較，挑選出誤差較小點(diǎn)；根據(jù)所述誤差較小點(diǎn)重新進(jìn)行擬合成高次多項(xiàng)式精確擬合曲線。
[0010]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述單色儀提供390nm-930nm可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)步長(zhǎng)為IOnm的55種單色光。
[0011]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述分光器件為棱鏡或光柵，所述空間采樣裝置為具有周期性特征的多孔掩膜或多縫狹縫裝置。
[0012]根據(jù)本發(fā)明第一方面實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置，所述高光譜采集系統(tǒng)包括灰度相機(jī)、分光器件和空間采樣裝置，所述光譜譜線定標(biāo)裝置包括以下部分:單色儀，所述單色儀用于提供多種單色光，以便于所述高光譜采集系統(tǒng)采集所述多種單色光分別對(duì)應(yīng)的多幅灰度圖像；曲線繪制模塊，所述曲線繪制模塊用于選定所述多幅灰度圖像中相同位置的同一周期的圖像區(qū)域進(jìn)行分析，記錄所述多幅灰度圖像中各自的亮度最大的峰值點(diǎn)坐標(biāo)，并標(biāo)繪制單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線；曲線擬合模塊，所述曲線擬合模塊用于將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。
[0013]根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置可以利用少量波段即可完成高精度的光譜譜線定標(biāo)，具有算法簡(jiǎn)單，準(zhǔn)確度高，對(duì)光譜成像的發(fā)展具有重要指導(dǎo)意義。
[0014]另外，根據(jù)本發(fā)明上述實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置還可以具有如下附加的技術(shù)特征:
[0015]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，曲線擬合模塊通過(guò)最小二乘法將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。
[0016]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，還包括:曲線比較模塊，所述曲線比較模塊用于將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線與所述高次多項(xiàng)式擬合曲線比較，挑選出誤差較小點(diǎn)；所述曲線再擬合模塊，所述曲線再擬合模塊用于根據(jù)所述誤差較小點(diǎn)重新進(jìn)行擬合成高次多項(xiàng)式精確擬合曲線。
[0017]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述單色儀提供390nm-930nm可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)步長(zhǎng)為IOnm的55種單色光。
[0018]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，所述分光器件為棱鏡或光柵，所述空間采樣裝置為具有周期性特征的多孔掩膜或多縫狹縫裝置。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中:[0020]圖1是混合相機(jī)系統(tǒng)的原理圖。
[0021]圖2是高光譜采集系統(tǒng)的原理圖。
[0022]圖3是本發(fā)明實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法的流程圖。
[0023]圖4是具有周期性特征的多孔掩膜的示意圖。
[0024]圖5是520nm單色光在高光譜采集系統(tǒng)下成像的灰度圖像。
[0025]圖6是單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線。
[0026]圖7是光譜譜線定標(biāo)的高次多項(xiàng)式擬合曲線。
[0027]圖8是本發(fā)明實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置的結(jié)構(gòu)框圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，旨在用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。
[0029]本發(fā)明旨在提出一種高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法及裝置。其中該高光譜采集系統(tǒng)如圖2所示，可以包括:灰度相機(jī)、分光器件和空間采樣裝置。分光器件可以為棱鏡或光柵等等?？臻g采樣裝置可以為具有周期性特征的多孔掩膜或多縫狹縫裝置等等。
[0030]如圖3所示，本發(fā)明實(shí)施例的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法可以包括以下步驟:
[0031]S1.利用單色儀提供多種單色光，并用所述高光譜采集系統(tǒng)采集所述多種單色光分別對(duì)應(yīng)的多幅灰度圖像。
[0032]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，單色儀提供390nm-930nm可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)步長(zhǎng)為IOnm的55種單色光。相對(duì)應(yīng)地，高光譜采集系統(tǒng)也采集到了 55幅灰度圖像。需要說(shuō)明的是，為減少自然光照對(duì)實(shí)驗(yàn)的影響，盡量選在晚上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。以及需要說(shuō)明的是，由于單色儀發(fā)出的不同波長(zhǎng)的單色光亮度可能存在差異，可以通過(guò)調(diào)整高光譜采集系統(tǒng)的曝光時(shí)間，以使多幅灰度圖像的平均亮度均在合適范圍，避免圖像過(guò)亮或圖像過(guò)暗而帶來(lái)誤差。
[0033]在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，由于高光譜采集系統(tǒng)中的空間采樣裝置選用圖4所示的周期排列的多個(gè)孔的掩膜，故其得到的灰度圖像如圖5所示，也呈現(xiàn)出周期性特征，后續(xù)進(jìn)行圖像分析的時(shí)候僅對(duì)某一個(gè)周期的圖像區(qū)域進(jìn)行分析即可。
[0034]S2.選定所述多幅灰度圖像中相同位置的同一周期的圖像區(qū)域進(jìn)行分析，記錄所述多幅灰度圖像中各自的亮度最大的峰值點(diǎn)坐標(biāo)，并繪制單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線。
[0035]具體地，對(duì)于波長(zhǎng)為λ單色光的灰度圖像，讀取出該周期中的亮度最大的峰值點(diǎn)坐標(biāo)記為Χλ，當(dāng)作波長(zhǎng)λ所對(duì)應(yīng)的光譜位置。將測(cè)試到的(λ，Χλ)原始數(shù)據(jù)繪制成對(duì)應(yīng)的繪制單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線。例如:在一次實(shí)驗(yàn)中測(cè)得數(shù)據(jù)如表I所示，繪制的原始曲線如圖6所示。
[0036]表I不同波長(zhǎng)的單色光的峰值點(diǎn)坐標(biāo)數(shù)據(jù)表
[0037]
【權(quán)利要求】
1.一種高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法，其特征在于，所述高光譜采集系統(tǒng)包括灰度相機(jī)、分光器件和空間采樣裝置，所述光譜譜線定標(biāo)方法包括以下步驟: 利用單色儀提供多種單色光，并用所述高光譜采集系統(tǒng)采集所述多種單色光分別對(duì)應(yīng)的多幅灰度圖像； 選定所述多幅灰度圖像中相同位置的同一周期的圖像區(qū)域進(jìn)行分析，記錄所述多幅灰度圖像中各自的亮度最大的峰值點(diǎn)坐標(biāo)，并繪制單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線；將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法，其特征在于，通過(guò)最小二乘法將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法，其特征在于，還包括: 將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線與所述高次多項(xiàng)式擬合曲線比較，挑選出誤差較小點(diǎn)； 根據(jù)所述誤差較小點(diǎn)重新進(jìn)行擬合成高次多項(xiàng)式精確擬合曲線。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法，其特征在于，所述單色儀提供390nm-930nm可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)步長(zhǎng)為IOnm的55種單色光。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)方法，其特征在于，所述分光器件為棱鏡或光柵，所述空間采樣裝置為具有周期性特征的多孔掩膜或多縫狹縫裝置。
6.一種高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置，其特征在于，所述高光譜采集系統(tǒng)包括灰度相機(jī)、分光器件和空間采樣裝置，所述光譜譜線定標(biāo)裝置包括以下部分: 單色儀，所述單色儀用于提供多種單色光，以便于所述高光譜采集系統(tǒng)采集所述多種單色光分別對(duì)應(yīng)的多幅灰度圖像； 曲線繪制模塊，所述曲線繪制模塊用于選定所述多幅灰度圖像中相同位置的同一周期的圖像區(qū)域進(jìn)行分析，記錄所述多幅灰度圖像中各自的亮度最大的峰值點(diǎn)坐標(biāo)，并標(biāo)繪制單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線； 曲線擬合模塊，所述曲線擬合模塊用于將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置，其特征在于，曲線擬合模塊通過(guò)最小二乘法將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)原始曲線擬合成高次多項(xiàng)式擬合曲線。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置，其特征在于，還包括: 曲線比較模塊，所述曲線比較模塊用于將所述單色光波長(zhǎng)-峰值點(diǎn)坐標(biāo)的原始曲線與所述高次多項(xiàng)式擬合曲線比較，挑選出誤差較小點(diǎn)； 所述曲線再擬合模塊，所述曲線再擬合模塊用于根據(jù)所述誤差較小點(diǎn)重新進(jìn)行擬合成高次多項(xiàng)式精確擬合曲線。
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置，其特征在于，所述單色儀提供390nm-930nm可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍內(nèi)步長(zhǎng)為IOnm的55種單色光。
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的高光譜采集系統(tǒng)的光譜譜線定標(biāo)裝置，其特征在于，所述分光器件為棱鏡或光柵，所述空間采樣裝置為具有周期性特征的多孔掩膜或多縫狹縫裝置。
【文檔編號(hào)】G01J3/28GK103940511SQ201410134348
【公開(kāi)日】2014年7月23日 申請(qǐng)日期:2014年4月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月3日
【發(fā)明者】戴瓊海, 姚添宇, 廖智宏 申請(qǐng)人:清華大學(xué)