专利名称：基于掩膜与双阿米西棱镜的高分辨率多光谱采集系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及计算摄像学领域，特别涉及一种多光谱采集系统及方法。
背景技术：
近年来，计算摄像学已经成为交叉视觉、图形学、摄像学、信号处理等领域的国际前沿热点研究，如何对于真实场景的高维信息进行计算采集和重构引起了广泛的关注。开展场景多光谱信息的相关研究工作对于遥感监测、安全侦查、数字娱乐等领域具有重要意义。传统的数字摄像学是对高维场景信号(常用七维全光函数表示)的二维投影子空间进行采样，将高维场景信息投影到相机二维采样子空间上进行采集。可以看出，传统的数字摄像学会产生全光函数其它维度上信息的丢失与耦合问题，包括角度信息丢失、场景深度信息丢失、多光谱信息丢失、曝光时间内场景信息积分耦合等等。计算摄像学中一个很重要的方向是在光谱域上对于传统的成像技术进行扩展，即多光谱技术。从多光谱与视觉的技术原理说来，人眼球中有三种不同视锥细胞对光谱中不同波段的信号进行感应，使真实场景中的光线以红、绿、蓝三种颜色的形式被人所感知，而与此相对应，传统意义上的相机也是从人眼的认知原理出发，通过电荷耦合元件(Charge-coupled Device, CO))不同的颜色积分曲线去捕捉场景的红绿蓝(RGB)三通道信息。但是实际上，能够看到的场景光线具有一个完整的光谱，仅仅捕捉RGB三个通道则失去了光谱维度上的大量细节。而光谱中丰富的细节信息往往能够揭示物体和场景光线的很多特质，有了这些光谱信息，也能在很多计算机视觉领域的工作中获得长足的进展。计算摄像学领域中的多光谱工作基本上是针对场景的多光谱信息进行采集与重构的研究。根据技术要求和采集条件的不同，现有的多光谱采集系统可以分为三类光谱分析仪、扫描式光谱成像仪和单次拍摄成像光谱仪。各种技术解决方案都是通过牺牲空间或时间分辨率的方式对于光谱分辨率进行补偿，以采集多光谱信息。2011年初，一种基于混合相机系统的进行多光谱采集系统被提出，其在牺牲空间分辨率获得附加光谱分辨率的同时，使用双路采集的技术，对场景进行双路采集，从得到的多路数据中重构出高时空分辨率的多光谱视频，实现了一种多光谱采集技术。这些工作都说明了多光谱采集的重要意义，但是虽然多光谱采集工作已经成为近期计算摄像学的热点，如何获得高时间分辨率、高空间分辨率、高光谱分辨率的场景信息仍然是一个难题，上述提到的工作也存在景深范围狭窄，光通量过低等缺陷。因此，这个方向上的研究非常重要而且有广泛的应用。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决上述技术问题之一或至少提供一种有用的商业选择。为此，本发明的第一个目的在于提出一种多光谱采集系统，可以实现更大景深范围和光通量的高分辨率多光谱数据采集。本发明的第二个目的在于提出一种多光谱采集方法。为达到上述目的，本发明的实施例提出了一种多光谱采集系统，包括成像物镜装置，用于将场景光线经过一次汇聚透射以生成透射光线，其中，所述成像物镜装置包括第一透镜和第二透镜；采样掩膜装置，位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的成像平面处，用于对场景进行空间采样；棱镜分光装置，位于所述成像物镜装置的后端，用于将通过所述成像物镜装置的所述透射光线色散为多个波长上的光谱；拍照装置，位于所述棱镜分光装置的后端，用于将所述色散为多个波长上的光谱进行成像以生成待标定图像；光谱采集标定装置，位于所述拍照装置的后端，用于对所述待标定图像进行采样点标定和采样点校正以获取所述场景的采样点的光谱信息。根据本发明实施例的多光谱采集系统，可以实现可调整、更大的景深范围和光通量的多光谱数据采集，同时可以保证高分辨率，得到高品质的光谱成像结果，实现了对场景光线光谱信息的有效采集。本发明第二方面的实施例提供一种多光谱采集方法，包括如下步骤将场景光线经过成像物镜装置一次汇聚透射以生成透射光线，且利用采样掩膜装置对场景进行空间采 样，所述投射光线入射至位于所述成像物镜装置后端的棱镜分光装置；所述棱镜分光装置将所述透射光线色散为多个波长上的光谱；所述色散为多个波长上的光谱通过位于所述棱镜分光装置的后端的拍照装置进行成像以生成待标定图像；利用光谱采集标定装置对所述待标定图像进行采样点标定和采样点校正以获取所述场景的采样点的光谱信息。根据本发明实施例的多光谱采集方法，可以实现可调整、更大的景深范围和光通量的多光谱数据采集，同时可以保证高分辨率，得到高品质的光谱成像结果。本发明的附加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。
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中图I为本发明实施例的多光谱采集系统的示意图；图2为本发明一个实施例的多光谱采集系统的布局示意图；图3为本发明一个实施例的采样掩膜的设计示例图；图4为本发明实施例的多光谱采集方法的流程图；以及图5为本发明一个实施例的多光谱采集方法的采集过程示意图。
具体实施例方式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。在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底” “内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，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一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元 件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。如图I所示，根据本发明第一方面的实施例的多光谱采集系统，包括成像物镜装置110、采样掩膜装置120、棱镜分光装置130、拍照装置140和光谱采集标定装置150。其中，成像物镜装置110用于将场景光线经过一次汇聚透射以生成透射光线，成像物镜装置110包括第一透镜111和第二透镜112 ;采样掩膜装置120位于第一透镜111和第二透镜112之间的成像平面处，用于对场景进行空间采样；棱镜分光装置130位于成像物镜装置110的后端，用于将通过成像物镜装置110的透射光线色散为多个波长上的光谱；拍照装置140位于棱镜分光装置130的后端，用于将色散为多个波长上的光谱进行成像以生成待标定图像；光谱采集标定装置150位于拍照装置140的后端，用于对待标定图像进行采样点标定和采样点校正以获取所述场景的采样点的光谱信息。对第一透镜111进行选择时，孔径越大，能够给予多光谱采集系统的光通量提升越高。第一透镜111焦距的选择根据所需的场景的景深范围进行选取。在本发明的一个实施例中，第一透镜111选用直径50mm、焦距150mm的双凸透镜。对第二透镜112进行选择时，孔径的大小应能够涵盖场景的范围，场景范围主要取决于透镜与相机之间的距离和相机镜头焦距。第二透镜112的焦距主要影响成像位置上的采样掩膜的大小和多光谱采集系统的整体大小。在本发明的一个实施例中，第二透镜112选用直径40mm、焦距100_的双凸透镜。在第一透镜111与第二透镜112之间的成像平面处放置采样掩膜装置120，对于场景进行空间采样，目的在于只允许采样点的光线通过。采样掩膜装置120中，掩膜整体的大小设计需参考第二透镜112的焦距以及相机的镜头的焦距以及相机CXD阵列大小。掩膜上小孔的设计如图2所示，掩膜上散列布置着密集的小孔，用于实现对于场景的采样。在本发明的一个实施例中，选用孔径的尺寸为宽25um高lOOum，相邻孔径间距为350umo光线通过成像物镜装置110后进入后端的棱镜分光装置130，进而色散为不同波长上的光谱，并在后端的拍照装置140上成像以生成待标定图像。在本发明的一个实施例中，棱镜分光装置130选用40*40*15mm、高40mm、折射率为
I.608的火石玻璃和40*40*18mm、高40mm、折射率为I. 515的冕玻璃搭建构成的双阿米西棱镜。
阿米西棱镜由两个三棱柱组成，第一个三棱柱通常由色散能力为中等的冕牌玻璃制成，第二个则以高色散的火石玻璃制造。光线进入第一个棱镜时先被折射，然后进入两个棱镜之间的接口，再以几乎垂直于第二个棱镜表面的方向射出。棱镜的角度和材质经过选择，使得其中一个波长(颜色)的光，通常是中心的波长，离开棱镜时与入射的光束是平行的。其他波长偏转的角度则与材料的色散能力有关。观察一个通过棱镜的光源就能显示出光源的光学光谱。阿米西棱镜会紧接着另一个复制但反置的阿米西棱镜。这种三个棱镜的组合，通常被做为双阿米西棱镜，能增加色散的角度与作用，并且能将有用的成分，中心的波长，折射回入射的路径上。使用双阿米西棱镜进行色散分光，能够在不改变光线方向的条件下色散光线，并同时减小成像畸变。通过对拍照装置140所生成的待标定图像进行采样点标定和采样点校正以获取所述场景的采样点的光谱信息。其中，采样点标定和采样点校正包括但不仅限于几何标定、几何校正、光谱校正和强度校正。在本发明的一个实施例中，使用荧光灯作为标准光源，对于荧光灯光线光谱进行 采集，由于荧光灯光线光谱在546. 5nm和611. 6nm处有两个明显的尖峰，可利用该数据对于场景的采集结果进行几何标定，使用三角插值的方法将棱镜厚度不一带来的梯形畸变校正。在本发明的一个实施例中，使用荧光灯作为标准光源，对于荧光灯光线光谱进行采集，由于荧光灯的光线光谱在546. 5nm和611. 6nm处有两个明显的尖峰，可用这两点的位置信息作为控制点，对于采集得到的光谱进行光谱标定，在其实现过程中，采用基于B样条曲线插值的方法。根据本发明实施例的多光谱采集系统，可以实现可调整、更大的景深范围和光通量的多光谱数据采集，装置复杂度更低、更紧凑，同时可以保证高分辨率，得到高品质的光谱成像结果。图3为本发明一个实施例的多光谱采集系统的布局示意图，其中，成像物镜装置由第一透镜和第二透镜组成,第一透镜选用直径50mm、焦距150mm的双凸透镜，第二透镜选用直径40mm、焦距IOOmm的双凸透镜。采样掩膜装置选用孔径的尺寸为宽25um高IOOum,相邻孔径间距为350um的采样掩膜。棱镜分光装置选用40*40*15mm、高40mm、折射率为I. 608的火石玻璃和40*40*18mm、高40mm、折射率为I. 515的冕玻璃所构成的双阿米西棱镜。牌照装置选用高分辨率黑白相机。如图4所示，根据本发明第二方面的实施例的多光谱采集方法，包括如下步骤S401 :将场景光线经过成像物镜装置一次汇聚透射以生成透射光线，且利用采样掩膜装置对场景进行空间采样，所述投射光线入射至位于所述成像物镜装置后端的棱镜分光装置。成像物镜装置包括第一透镜和第二透镜。对第一透镜进行选择时，孔径越大能够给予系统的光通量提升越高，第一透镜焦距的选择根据所需的景深范围进行选取。对第二透镜进行选择时，孔径的大小应能够涵盖能够场景的范围，这一点主要取决于透镜与相机之间的距离和相机镜头焦距。第二透镜的焦距主要影响成像位置上的掩膜的大小和系统整体大小。在第一透镜与第二透镜之间的成像平面处放置采样掩膜装置，对于场景进行空间采样，目的在于只允许采样点的光线通过。
S402 :棱镜分光装置将透射光线色散为多个波长上的光谱。在本发明的一个实施例中，棱镜分光装置选用双阿米西棱镜。光线通过成像物镜装置后，进入后端的双阿米西棱镜，进而色散为不同波长上的光谱。S403:色散为多个波长上的光谱通过位于棱镜分光装置的后端的拍照装置进行成像以生成待标定图像。在本发明的一个实施例中，拍照装置采用高分辨率黑白相机。色散为多个波长上的光谱通过位于棱镜分光装置的后端的高分辨率黑白相机进行成像以生成待标定图像。S404:利用光谱采集标定装置对所述待标定图像进行采样点标定和采样点校正以获取所述场景的采样点的光谱信息。采样点标定和采样点校正包括但不仅限于几何标定、几何校正、光谱校正和强度校正。 图5为本发明一个实施例的多光谱采集方法的采集过程示意图。在本发明的一个实施例中，使用荧光灯作为标准光源，对于荧光灯光线光谱进行采集，由于荧光灯光线光谱在546. 5nm和611. 6nm处有两个明显的尖峰，可利用该数据对于场景的采集结果进行几何标定，使用三角插值的方法将棱镜厚度不一带来的梯形畸变校正。在本发明的一个实施例中，使用荧光灯作为标准光源，对于荧光灯光线光谱进行采集，由于荧光灯的光线光谱在546. 5nm和611. 6nm处有两个明显的尖峰，可用此两点作为控制点，对于采集得到的光谱进行光谱标定，在其实现过程中，采用基于B样条曲线插值的方法。根据本发明实施例的多光谱采集方法，可以实现可调整、更大的景深范围和光通量的多光谱数据采集，同时可以保证高分辨率，得到高品质的光谱成像结果。流程图中或在此以其他方式描述的任何过程或方法描述可以被理解为，表示包括一个或更多个用于实现特定逻辑功能或过程的步骤的可执行指令的代码的模块、片段或部分，并且本发明的优选实施方式的范围包括另外的实现，其中可以不按所示出或讨论的顺序，包括根据所涉及的功能按基本同时的方式或按相反的顺序，来执行功能，这应被本发明的实施例所属技术领域的技术人员所理解。在流程图中表示或在此以其他方式描述的逻辑和/或步骤，例如，可以被认为是用于实现逻辑功能的可执行指令的定序列表，可以具体实现在任何计算机可读介质中，以供指令执行系统、装置或设备(如基于计算机的系统、包括处理器的系统或其他可以从指令执行系统、装置或设备取指令并执行指令的系统)使用，或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用。就本说明书而言，"计算机可读介质"可以是任何可以包含、存储、通信、传播或传输程序以供指令执行系统、装置或设备或结合这些指令执行系统、装置或设备而使用的装置。计算机可读介质的更具体的示例(非穷尽性列表)包括以下具有一个或多个布线的电连接部(电子装置)，便携式计算机盘盒(磁装置)，随机存取存储器(RAM)，只读存储器(R0M)，可擦除可编辑只读存储器(EPR0M或闪速存储器)，光纤装置，以及便携式光盘只读存储器(⑶ROM)。另外，计算机可读介质甚至可以是可在其上打印所述程序的纸或其他合适的介质，因为可以例如通过对纸或其他介质进行光学扫描，接着进行编辑、解译或必要时以其他合适方式进行处理来以电子方式获得所述程序，然后将其存储在计算机存储器中。
应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行系统执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。本技术领域的普通技术人员可以理解实现上述实施例方法携带的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，该程序在执行时，包括方法实施例的步骤之一或其组合。此外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理模块中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个模块中。上述集成的模块既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。所述集成的模块如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，也可以存储在一个计算机 可读取存储介质中。上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。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一定指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何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。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不脱离本发明的原理和宗旨的情况下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。
权利要求
1.ー种多光谱采集系统，其特征在于，包括 成像物镜装置，用于将场景光线经过一次汇聚透射以生成透射光线，其中，所述成像物镜装置包括第一透镜和第二透镜； 采样掩膜装置，位于所述第一透镜和所述第二透镜之间的成像平面处，用于对场景进行空间采样； 棱镜分光装置，位于所述成像物镜装置的后端，用于将通过所述成像物镜装置的所述透射光线色散为多个波长上的光谱； 拍照装置，位于所述棱镜分光装置的后端，用于将所述色散为多个波长上的光谱进行成像以生成待标定图像； 光谱采集标定装置，位于所述拍照装置的后端，用于对所述待标定图像进行采样点标定和采样点校正以获取所述场景的采样点的光谱信息。
2.如权利要求I所述的多光谱采集系统，其特征在于，所述第一透镜通过改变焦距以对所述场景的不同景深范围进行成像。
3.如权利要求I所述的多光谱采集系统，其特征在于，所述第一透镜和所述第二透镜为双凸透镜。
4.如权利要求I所述的多光谱采集系统，其特征在于，所述采样掩膜装置上散列布置有多列通孔。
5.如权利要求I所述的多光谱采集系统，其特征在于，所述棱镜分光装置为双阿米西棱镜分光装置。
6.如权利要求I所述的多光谱采集系统，其特征在于，所述拍照装置为高分辨率黑白相机。
7.如权利要求I所述的多光谱采集系统，其特征在于，所述光谱采集标定装置对所述待标定图像进行采样点标定和采样点校正，包括对所述待标定图像进行采样点几何标定、几何校正、光谱校正和強度校正。
8.如权利要求I或7所述的多光谱采集系统，其特征在于，所述光谱采集标定装置通过对荧光灯光线光谱的采集以对所述待标定图像进行光谱标定。
9.如权利要求8所述的多光谱采集系统，其特征在干，所述光谱采集标定装置采用基于B样条曲线插值的方法对所述待标定图像进行光谱标定。
10.一种多光谱采集方法，其特征在于，包括如下步骤 将场景光线经过成像物镜装置一次汇聚透射以生成透射光线，且利用采样掩膜装置对场景进行空间采样，所述投射光线入射至位于所述成像物镜装置后端的棱镜分光装置； 所述棱镜分光装置将所述透射光线色散为多个波长上的光谱； 所述色散为多个波长上的光谱通过位于所述棱镜分光装置的后端的拍照装置进行成像以生成待标定图像；以及 利用光谱采集标定装置对所述待标定图像进行采样点标定和采样点校正以获取所述场景的采样点的光谱信息。
11.如权利要求10所述的多光谱采集方法，其特征在于，所述利用光谱采集标定装置对所述待标定图像进行采样点标定和采样点校正，包括如下步骤所述光谱采集标定装置对所述待标定图像进行采样点几何标定、几何校正、光谱校正和強度校正。
12.如权利要求10或11所述的多光谱采集方法，其特征在于，所述光谱采集标定装置通过对荧光灯光线光谱的采集以对所述待标定图像进行光谱标定。
13.如权利要求12所述的多光谱采集方法，其特征在于，所述光谱采集标定装置采用基于B样条曲线插值的方法对所述待标定图像进行光谱标定。·
全文摘要
本发明提出一种多光谱采集系统，包括成像物镜装置，用于将场景光线经过一次汇聚透射以生成透射光线，包括第一透镜和第二透镜；采样掩膜装置，位于第一透镜和第二透镜之间的成像平面处，用于对场景进行空间采样；棱镜分光装置，位于成像物镜装置后端，用于将通过成像物镜装置的透射光线色散为多个波长上的光谱；拍照装置，位于棱镜分光装置的后端，用于将多个波长上的光谱进行成像以生成待标定图像；光谱采集标定装置，位于拍照装置的后端，用于对待标定图像进行采样点标定和采样点校正以获取场景的采样点的光谱信息。本发明还提出了一种多光谱采集方法。本发明可以实现更大景深范围和光通量的高分辨率多光谱数据采集。
文档编号G01J3/28GK102735338SQ201210210730
公开日2012年10月17日 申请日期2012年6月20日 优先权日2012年6月20日
发明者戴琼海, 索津莉, 马晨光 申请人:清华大学