高光谱采集系统的光谱提取方法及装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种高光谱采集系统的光谱提取方法及装置，高光谱采集系统包括狭缝、智能手机、分光模块和准直模块，其中该方法包括：通过单色仪提供多种单色光通过狭缝入射到准直模块以平行光出射到分光模块后再通过汇聚镜接着通过智能手机的相机镜头汇聚到阵列探测器获得多幅RGB图像；获取多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值；将实际物体采集的RGB图像转为灰度图后结合全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线；根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线。该方法能够完成高精度的光谱提取，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。
【专利说明】
高光谱采集系统的光谱提取方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及图像采集技术领域，尤其涉及一种高光谱采集系统的光谱提取方法及
目.0
【背景技术】
[0002]计算摄像学中一个重要研究方向是在光谱域上对于传统的成像技术进行扩展，SP高光谱技术。当前大多数成像摄影技术都是基于红、绿、蓝三色信息对于场景影像进行记录的，虽然三色传感成像技术符合人类视觉系统的成像需求，然而从物理原理的角度出发，现实场景并非只有三色信息这么简单。从光源发出或经物体反射的光线具有丰富的波长，其中可见光覆盖从390nm直至780nm的广泛区域，包含了大量的信息。场景光线光谱正是指在这段波长范围内光线光强的分布，这种光谱信息能够反应出光源、物体以及场景的自然属性，因此光谱采集技术已成为了进行科学研究与工程应用的有效工具。
[0003]传统的光谱仪的研究已经比较的成熟，光谱分辨率已经做得很高，但是庞大的体积、苛刻的使用条件、昂贵的价格是阻碍其应用范围的重要因素，目前的传统式光谱仪仍然只能在实验室中使用。因此，光谱仪的微型化成为了当代光谱仪的一个重要的发展方向。微型光谱仪具有体积小、便于携带、使用简便等优点。然而无可避免地，光谱仪体积的缩小会以牺牲部分性能为代价，但微小型光谱仪的分辨率和准确率等性能参数足以应付一般应用领域的检测要求，而小体积、高集成度的优点则能为光谱仪开拓出广阔的应用前景，手持式光谱设备是一个非常有发展前景的方向。
[0004]智能手机已经广泛普及，在手机和光谱仪的结合方面，目前的产品主要都是利用无线蓝牙模块与手机完成通讯，借助云端算法完成较快的数据计算。真正借助手机摄像头的光谱仪完成高精度的光谱提取在世界范围内还非常少见。
【发明内容】
[0005]本发明的目的旨在至少在一定程度上解决上述的技术问题之一。
[0006]为此，本发明的第一个目的在于提出一种高光谱采集系统的光谱提取方法，该方法能够完成高精度的光谱提取，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。
[0007]本发明的第二个目的在于提出一种高光谱采集系统的光谱提取装置。
[0008]为达上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种高光谱采集系统的光谱提取方法，所述高光谱采集系统包括狭缝、智能手机、分光模块和准直模块，其中光谱提取方法包括以下步骤:通过单色仪提供多种单色光，所述多种单色光通过所述狭缝入射到所述准直模块以平行光出射到所述分光模块后再通过汇聚镜接着通过所述智能手机的相机镜头汇聚到阵列探测器获得多幅RGB图像;获取所述多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值;将实际物体采集的RGB图像转为灰度图后结合所述全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线；以及根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对所述光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线。
[0009]根据本发明实施例的高光谱采集系统的光谱提取方法，通过单色仪提供多种单色光，并用高光谱采集系统采集多种单色光分别对应的多幅RGB图像，获取多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值，将实际物体采集的转为灰度图后结合全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线，最后根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线，该方法能够完成高精度的光谱提取，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。
[0010]在本发明的一个实施例中，所述实际的光谱透射率为Κ(λ)=Α(λ)*Β(λ)*Α(λ)*〇(λ)，其中，Α(λ)为保护银凹面反射镜的光谱反射率，Β(λ)为衍射光栅CR25-1850的光谱反射率，C(A)为手机镜头的光谱透射率，λ为波长。
[0011]在本发明的一个实施例中，所述单色仪提供在400nm到750nm可见光波长范围内步长为1nm的36种单色光。
[0012]在本发明的一个实施例中，所述曲线拟合算法为最小二乘法。
[0013]在本发明的一个实施例中，所述准直模块为凹面反射镜或者凸透镜，所述分光模块为平面反射光栅、透射光栅和棱镜中一种或多种。
[0014]为达上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种高光谱采集系统的光谱提取装置，所述高光谱采集系统包括狭缝、智能手机、分光模块和准直模块，其中光谱谱线定标装置包括:采集模块，通过单色仪提供多种单色光，所述多种单色光通过所述狭缝入射到所述准直模块以平行光出射到所述分光模块后再通过汇聚镜接着通过所述智能手机的相机镜头汇聚到阵列探测器获得多幅RGB图像;处理模块，用于获取所述多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值;转换模块，用于将实际物体采集的RGB图像转为灰度图；绘制模块，用于将所述灰度图结合所述全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线;补偿绘制模块，用于根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对所述光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线。
[0015]根据本发明实施例的高光谱采集系统的光谱提取装置，采集模块通过单色仪提供多种单色光，并用高光谱采集系统采集多种单色光分别对应的多幅RGB图像，处理模块获取多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值，转换模块将实际物体采集的RGB图像转为灰度图，绘制模块结合灰度图和全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线，最后补偿绘制模块根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线，该装置能够完成高精度的光谱提取，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。
[0016]在本发明的一个实施例中，所述实际的光谱透射率为Κ(λ)=Α(λ)*Β(λ)*Α(λ)*〇(λ)，其中，Α(λ)为保护银凹面反射镜的光谱反射率，Β(λ)为衍射光栅CR25-1850的光谱反射率，C(A)为手机镜头的光谱透射率，λ为波长。
[0017]在本发明的一个实施例中，所述单色仪提供在400nm到750nm可见光波长范围内步长为1nm的36种单色光。
[0018]在本发明的一个实施例中，所述曲线拟合算法为最小二乘法。
[0019]在本发明的一个实施例中，所述准直模块为凹面反射镜或者凸透镜，所述分光模块为平面反射光栅、透射光栅和棱镜中一种或多种。
[0020]本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
【附图说明】
[0021]本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中，
[0022]图1为根据本发明一个实施例的高光谱采集系统的光谱提取方法的流程图；
[0023]图2为根据本发明一个实施例的高光谱采集系统结构示意图；
[0024]图3为根据本发明一个实施例的多种单色光采集系统结构示意图；
[0025]图4为根据本发明一个实施例的氙灯光源实际采集图的示意图；
[0026]图5为根据本发明一个实施例的400nm波长的光的光谱采集图；
[0027]图6为根据本发明一个实施例的560nm波长的光的光谱采集图；
[0028]图7为根据本发明一个实施例的660nm波长的光的光谱采集图；
[0029]图8为根据本发明一个实施例的保护银凹面反射镜的光谱反射率示意图；
[0030]图9为根据本发明一个实施例的衍射光栅CR25-1850的光谱反射率示意图；
[0031]图10为根据本发明一个实施例的实际待测物体的光谱曲线示意图；
[0032]图11为根据本发明一个实施例的高光谱采集系统的光谱提取装置示意图。
【具体实施方式】
[0033]下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
[0034]下面参考附图描述本发明实施例的高光谱采集系统的光谱提取方法及装置
[0035]图1为根据本发明一个实施例的高光谱采集系统的光谱提取方法的流程图。
[0036]如图1所示，该光谱提取方法可以包括:
[0037]SI，通过单色仪提供多种单色光，多种单色光通过狭缝入射到准直模块以平行光出射到分光模块后再通过汇聚镜接着通过智能手机的相机镜头汇聚到阵列探测器获得多幅RGB图像。
[0038]需要说明的是，在本发明的实施例中，高光谱采集系统包括智能手机、分光器件和准直模块。高光谱采集系统结构示意图如图2所示:光源通过待测样本通过孔径光阑(即狭缝)，光学入射到凹面反射镜上以平行光出射到分光模块(即衍射光栅)；相同波长的光会以平行光形式出射;通过汇聚镜(凹面反射镜或凸透镜)成像在智能手机CCD(阵列探测器)上。
[0039]需要说明的是，在本发明的实施例中，准直模块为凹面反射镜或者凸透镜，分光模块为平面反射光栅、透射光栅和棱镜中一种或多种。
[0040]可以理解的是，图2中颜色深浅代表的是不同的波长与光谱区无关。
[0041]需要说明的是，在本发明的实施例中，单色仪提供在400nm到750nm可见光波长范围内步长为1nm的36种单色光。
[0042]根据高光谱采集系统了解到采集光路的原理，利用单色仪加积分球的组合，将复合光中的单色光提取出来。如图3所示，在智能手机的阵列探测器获得多幅RGB图像。
[0043]举例而言，例如氙灯光源实际采集图如图4所示。图5、6和7分别是400、560和660nm波长的光的光谱采集图。
[0044]S2，获取所述多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值。
[0045]举例而言，可以在400nm到750之间每1nm采集一张图，将每张图中最亮的点作为各光谱谱线所在的位置，再平均插值得到光谱谱线位移值。
[0046]S3，将实际物体采集的RGB图像转为灰度图后结合全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线。
[0047]举例而言，可以利用公式Gray= (R*299+G*587+B*l 14+500)/1000，将图4转化为灰度图，取图中中间行，将灰度值与之前所得的光谱谱线位移值对应，绘制光谱曲线。
[0048]S4，根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线
[0049]需要说明的是，在本发明的实施例中，曲线拟合算法为最小二乘法。
[0050]在本发明的实施例中，实际的光谱透射率Κ(λ)=Α(λ)*Β(λ)*Α(λ)*(:(λ)，其中，A(λ)为保护银凹面反射镜的光谱反射率，Β(λ)为衍射光栅CR25-1850的光谱反射率，C(A)为手机镜头的光谱透射率。可以理解的是，Α(λ)为保护银凹面反射镜的光谱反射率如图8所示。Β(λ)为衍射光栅CR25-1850的光谱反射率如图9所示。
[0051]最后利用曲线拟合算法得到实际待测物体的光谱曲线如图10所示。
[0052]根据本发明实施例的高光谱采集系统的光谱提取方法，通过单色仪提供多种单色光，并用高光谱采集系统采集多种单色光分别对应的多幅RGB图像，获取多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值，将实际物体采集的RGB图像转为灰度图后结合全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线，最后根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线，该方法能够完成高精度的光谱提取，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。
[0053]与上述实施例提供的高光谱采集系统的光谱提取方法相对应，本发明的一种实施例还提供一种高光谱采集系统的光谱提取装置，由于本发明实施例提供的高光谱采集系统的光谱提取装置与上述实施例提供的高光谱采集系统的光谱提取方法相对应，因此在前述高光谱采集系统的光谱提取方法的实施方式也适用于本实施例提供的高光谱采集系统的光谱提取装置，在本实施例中不再详细描述。图11为根据本发明一个实施例的高光谱采集系统的光谱提取装置的结构示意图。如图11所示，该光谱提取装置可以包括:采集模块10、处理模块20、转换模块30、绘制模块40和补偿绘制模块50。
[0054]其中，采集模块10通过单色仪提供多种单色光，多种单色光通过狭缝入射到准直模块以平行光出射到分光模块后再通过汇聚镜接着通过智能手机的相机镜头汇聚到阵列探测器获得多幅RGB图像。
[0055]处理模块20用于获取多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值。
[0056]转换模块30用于将实际物体采集的RGB图像转为灰度图。
[0057]绘制模块40用于将灰度图结合全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线。
[0058]补偿绘制模块50用于根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线。
[0059]在本发明的实施例中，所述实际的光谱透射率Κ(λ)=Α(λ)*Β(λ)*Α(λ)*(:(λ)，其中，Α(λ)为保护银凹面反射镜的光谱反射率，Β(λ)为衍射光栅CR25-1850的光谱反射率，C(λ)为手机镜头的光谱透射率。第四处理单元24用于利用曲线拟合算法得到实际待测物体的光谱曲线。
[0000]在本发明的实施例中，单色仪提供在400nm到750nm可见光波长范围内步长为1nm的36种单色光。
[0061 ]在本发明的实施例中，曲线拟合算法为最小二乘法。
[0062]在本发明的实施例中，准直模块为凹面反射镜或者凸透镜，分光模块为平面反射光栅、透射光栅和棱镜中一种或多种。
[0063]根据本发明实施例的高光谱采集系统的光谱提取装置，采集模块通过单色仪提供多种单色光，并用高光谱采集系统采集多种单色光分别对应的多幅RGB图像，处理模块获取多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值，转换模块将实际物体采集的RGB图像转为灰度图，绘制模块结合灰度图和全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线，最后补偿绘制模块根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线，该装置能够完成高精度的光谱提取，具有算法简单，准确度高，对光谱成像的发展具有重要指导意义。
[0064]在本发明的描述中，需要理解的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
[0065]在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
[0066]尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
【主权项】
1.一种高光谱采集系统的光谱提取方法，其特征在于，所述高光谱采集系统包括狭缝、智能手机、分光模块和准直模块，其中光谱提取方法包括以下步骤: 通过单色仪提供多种单色光，所述多种单色光通过所述狭缝入射到所述准直模块以平行光出射到所述分光模块后再通过汇聚镜接着通过所述智能手机的相机镜头汇聚到阵列探测器获得多幅RGB图像； 获取所述多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值； 将实际物体采集的RGB图像转为灰度图后结合所述全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线；以及 根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对所述光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线。2.如权利要求1所述的高光谱采集系统的光谱提取方法，其特征在于， 所述实际的光谱透射率为Κ(λ)=Α(λ)*Β(λ)*Α(λ)*(:(λ)，其中，Α(λ)为保护银凹面反射镜的光谱反射率，Β(λ)为衍射光栅CR25-1850的光谱反射率，C(A)为手机镜头的光谱透射率，λ为波长。3.如权利要求1所述的高光谱采集系统的光谱提取方法，其特征在于， 所述单色仪提供在400nm到750nm可见光波长范围内步长为1nm的36种单色光。4.如权利要求1所述的高光谱采集系统的光谱提取方法，其特征在于， 所述曲线拟合算法为最小二乘法。5.如权利要求1所述的高光谱采集系统的光谱提取方法，其特征在于， 所述准直模块为凹面反射镜或者凸透镜，所述分光模块为平面反射光栅、透射光栅和棱镜中一种或多种。6.一种高光谱采集系统的光谱提取装置，其特征在于，所述高光谱采集系统包括狭缝、智能手机、分光模块和准直模块，其中光谱谱线定标装置包括: 采集模块，通过单色仪提供多种单色光，所述多种单色光通过所述狭缝入射到所述准直模块以平行光出射到所述分光模块后再通过汇聚镜接着通过所述智能手机的相机镜头汇聚到阵列探测器获得多幅RGB图像； 处理模块，用于获取所述多幅RGB图像中每一幅RGB图像中最亮的点作为光谱谱线的位置，并用插值法确定全部光谱谱线的位移值； 转换模块，用于将实际物体采集的RGB图像转为灰度图； 绘制模块，用于将所述灰度图结合所述全部光谱谱线的位移值绘制光谱曲线； 补偿绘制模块，用于根据实际的光谱透射率，利用曲线拟合算法对所述光谱曲线进行补偿绘制出实际光谱曲线。7.如权利要求6所述的高光谱采集系统的光谱提取装置，其特征在于，所述实际的光谱透射率为Κ(λ)=Α(λ)*Β(λ)*Α(λ)*(:(λ)，其中，Α(λ)为保护银凹面反射镜的光谱反射率，B(λ)为衍射光栅CR25-1850的光谱反射率，C(A)为手机镜头的光谱透射率，λ为波长。8.如权利要求6所述的高光谱采集系统的光谱提取装置，其特征在于，所述单色仪提供在400nm到750nm可见光波长范围内步长为1nm的36种单色光。9.如权利要求6所述的高光谱采集系统的光谱提取装置，其特征在于，所述曲线拟合算法为最小二乘法。10.如权利要求6所述的高光谱采集系统的光谱提取装置，其特征在于，所述准直模块为凹面反射镜或者凸透镜，所述分光模块为平面反射光栅、透射光栅和棱镜中一种或多种。
【文档编号】G01J3/28GK105865624SQ201610165434
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年3月22日
【发明人】季向阳, 姚添宇, 张晶, 戴琼海
【申请人】清华大学