一种利用多光谱相机虚拟响应值获取光谱反射比的方法与流程

本发明涉及成像式获取物体光谱及色度信息的方法，尤其是利用具有多个可见光波段通道的多光谱相机获取物体的反射光谱信息以进一步获取物体色度信息的方法。

背景技术：

由于同色异谱现象的存在，物体的色度信息难以可靠表征物体的本源信息，而物体的光谱反射比是设备无关且与捕获光源无关的物理量，可以表征物体的本源信息。因此，准确获取物体的光谱反射比可以实现高精度的颜色测量，且可以忠实复现物体在任意光源下的颜色外貌。

成像式获取物体光谱反射比可以克服分光光度计逐点式测量和接触式测量的缺陷，能够快速获取成像范围内所有物体的光谱反射比。普通商用相机可以用于成像式获取物体光谱反射比，但由于只有R、G、B三个通道而无法高精度获取光谱反射比。多光谱相机用于成像式获取物体光谱反射比时，由于增加了更多的通道进行成像，故可大幅度提高光谱反射比获取的精度。

多光谱相机通道数的增加也延长了成像的时间，增加了操作的复杂度，例如需要对每个通道调整曝光时间，对每个通道聚焦，多通道图像之间配准等，这一系列操作随着通道数的增多而变得更加复杂和耗时。同时，成像时间的延长所带来的光源和拍摄场景的时间不稳定性也会进一步影响物体光谱反射比的获取精度。

技术实现要素：

为了降低多光谱相机的成像时间和操作复杂度，同时确保光谱反射比的获取精度，本发明提出了一种利用多光谱相机虚拟响应值获取光谱反射比的方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种利用多光谱相机虚拟响应值获取光谱反射比的方法，包括以下步骤：

(1)利用训练样本建立偶数通道响应值和奇数通道相机响应值之间的函数关系。具体包括以下子步骤：

(1.1)用多光谱相机拍摄训练样本。采用包含各种颜色块的标准色卡作为训练样本，选取光谱功率分布稳定的光源作为照明光源，将标准色卡以45/0照明与测量几何条件放置于照明光源下，用多光谱相机的所有通道拍摄标准色卡，提取标准色卡的通道响应值P为n行q列的矩阵，其中n为标准色卡上的色块数，q为多光谱相机通道的数量，每一行表示一个色块对应的q个通道的响应值，每一列表示一个通道输出的n个色块的响应值。

(1.2)建立每一个偶数通道响应值与前后相邻奇数通道响应值之间的函数关系假设p₁，p₂和p₃分别为标准色卡响应值矩阵P的第1，2和3列，各对应第1，2和3个通道的标准色卡上n个色块的响应值。通过二阶多项式拟合第2个通道响应值p₂与第1个和第3个通道响应值p₁和p₃之间的关系，即

p₂＝a₀+a₁*p₁+a₂*p₃+a₃*p₁²+a₄*p₃²+a₅*p₁*p₃

利用p₂和p₁，p₃，通过最小二乘法求解上述多项式的系数A＝[a₀,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅]，即

A＝(C^TC)^-1C^Tp₂

其中，为含有n个元素都为1的列向量，为矩阵或向量的Hadamard积。

用上述同样的方法，类似地可以求出第4,6,8等偶数通道响应值与其前后相邻通道响应值之间的二阶多项式函数。

(2)计算光谱反射比与多通道响应值之间的转换矩阵。用分光光度计测量标准色卡的所有色块的光谱反射比R为n行m列的矩阵，其中n为标准色卡上的色块数，m为光谱反射比的维数。所有奇数通道的响应值为所有偶数通道的响应值为根据每一个偶数通道响应值和前后相邻奇数通道响应值的二阶多项式函数，计算出标准色卡中所有偶数通道的虚拟响应值则标准色卡的所有通道的响应值然后，由最小二乘法计算从多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵M，即

$M=R^T\hat{P}{\left({\hat{P}}^T\hat{P}\right)}^{-1}$

(3)用奇数通道拍摄目标样本，并计算目标样本的光谱反射比。在相同光源下，用多光谱相机的所有奇数通道拍摄目标样本，得到目标样本的奇数通道响应值P_to,根据步骤(1)中偶数通道与奇数通道响应值之间的函数关系，计算出目标样本所有偶数通道的响应值则目标样本的所有通道的响应值根据步骤(2)中多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵M,计算目标样本的光谱反射比

${\hat{R}}_t={\left(M{{\hat{P}}_t}^T\right)}^T.$

本发明的有益效果是：本发明预先建立偶数通道响应值和奇数通道响应值之间的函数关系，然后仅利用奇数通道对目标成像，根据偶数通道响应值和奇数通道响应值之间的函数关系，利用奇数通道响应值计算出偶数通道响应值，从而利用所有奇数通道和偶数通道的响应值来获取物体的光谱反射比，确保了高精度光谱反射比的获取，同时显著减少了实际拍摄时所用通道的数量，有效降低了多通道图像的采集时间和操作复杂度。

附图说明

图1是利用多光谱相机虚拟响应值获取光谱反射比的流程图；

图2是实例中多光谱相机结构示意图；

图3是实例中采用虚拟通道响应值前后分别获得的光谱反射比。

具体实施方式

以一台滤色片轮式的多光谱相机为例，阐述利用虚拟通道响应值获取光谱反射比的方法。多光谱相机的结构示意图如图2，由镜头、滤色片轮、滤色片轮控制单元和单色CCD传感器构成。该多光谱相机利用16个干涉滤色片形成16个通道，滤色片轮一次能安装8个滤色片，因此16个滤色片需要两次安装。16个滤色片的峰值透过率波长为从400nm到700nm,FWHM(峰值半高宽,Full Width of Half Maximum)为20nm,因此8个奇数通道对应的峰值透过率波长分别为400nm，440nm，480nm，520nm，560nm，600nm，640nm，680nm；8个偶数通道对应的峰值透过率波长分别为420nm，460nm，500nm，540nm，580nm，620nm，660nm，700nm。需要说明的是，本发明不仅限于滤色片轮式的多光谱相机，对于其他形式的多光谱相机，如基于LCTF(液晶可调滤色片，Liquid Crystal Tuneable Filter)的多光谱相机也适用；同时，本发明也不仅限于通道数量为16的多光谱相机，少于或多于该滤色片数量的多光谱相机也适用。此外，也可以预先建立奇数通道与偶数通道之间的二阶多项式函数关系，然后仅用偶数通道对目标样本成像，然后利用奇数通道和偶数通道之间的函数关系计算出目标样本的奇数通道响应值，最后则利用全部通道响应值来获取物体光谱反射比。

如图1所示，本发明利用多光谱相机虚拟响应值获取光谱反射比的方法，具体包括以下步骤：

(1)利用训练样本建立偶数通道响应值和奇数通道相机响应值之间的函数关系。具体包括以下子步骤：

(1.1)用多光谱相机拍摄训练样本。选择GretagMacbeth ColorChecker DC色卡(DC色卡)作为训练样本，采用GretagMacbeth SpectraLightⅢ灯箱中的D65光源作为照明光源，将DC色卡以45/0照明与测量几何条件放置于D65照明光源下，用多光谱相机的全部通道拍摄DC色卡，提取DC色卡上所有色块的全部通道响应值P为240行16列的矩阵，240为DC色卡上的色块数，16为所有通道的数量。

(1.2)建立每一个偶数通道响应值与前后相邻奇数通道响应值之间的函数关系。抽取第1个(400nm通道)和第3个(440nm通道)通道的DC色卡的240个色块的响应值p₁和p₃，即DC色卡的响应值矩阵P的第1列和第3列，抽取第2个(420nm通道)通道的DC色卡240个色块的响应值p₂，即DC色卡的响应值矩阵P的第2列。通过二阶多项式拟合第2个通道响应值p₂与第1个和第3个通道响应值p₁和p₃之间的关系，即

p₂＝a₀+a₁*p₁+a₂*p₃+a₃*p₁²+a₄*p₃²+a₅*p₁*p₃

利用p₂和p₁，p₃，通过最小二乘法求解上述多项式的系数A＝[a0,a₁,a₂,a₃,a₄,a₅]，即

A＝(C^TC)^-1C^Tp₂

其中，为含有240个元素都为1的列向量，D为矩阵或向量的Hadamard积。

用上述同样的方法，类似地可以求出第4(460nm)，6(500nm)，8(540nm)，10(580nm)，12(620nm)，14(660nm)和16(700nm)个偶数通道响应值与其前后相邻通道响应值之间的二阶多项式函数。由于第16个通道是最后一个通道，其后没有通道，则拟合与其前两个奇数通道(640nm和680nm)的二阶多项式关系。

(2)计算光谱反射比与多通道响应值之间的转换矩阵。用分光光度计SP64测量DC色卡的所有色块的光谱反射比R为240行31列的矩阵，其中240为DC色卡上的色块数，31为光谱反射比的维数。所有奇数通道的响应值为所有偶数通道的响应值为根据每一个偶数通道响应值和前后相邻奇数通道响应值的转换函数，计算出DC色卡的所有偶数通道的响应值则DC色卡的所有通道的虚拟通道响应值然后，由最小二乘法计算从多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵

$M=R^T\hat{P}{\left({\hat{P}}^T\hat{P}\right)}^{-1}$

(3)用奇数通道拍摄目标样本，并计算目标样本的光谱反射比。用X-Rite公司的ColorChecker Color Rendition Chart色卡(CRC色卡)作目标样本。在GretagMacbeth SpectraLightⅢ灯箱中的D65光源下，用多光谱相机的8个奇数通道拍摄CRC色卡，得到CRC色卡的24个色块的奇数通道响应值根据步骤(1)中偶数通道与奇数通道响应值之间的多项式函数，计算出CRC色卡所有8个偶数通道的响应值则CRC色卡的所有通道的响应值为根据步骤(2)中多通道响应值到光谱反射比的转换矩阵M,计算目标样本的光谱反射比

${\hat{R}}_t={\left(M{{\hat{P}}_t}^T\right)}^T.$

实验结果：未采用CRC色卡虚拟通道响应值即仅用8个奇数通道响应值时，所获得的CRC色卡24个色块光谱反射比的平均光谱差(RMSE，均方根误差)为0.0137，平均色差(ΔE₀₀，CIEDE2000色差)为1.26。采用虚拟通道响应值即包含8个偶数通道虚拟响应值和8个奇数通道响应值，所获得CRC色卡24个色块光谱反射比的平均光谱差(RMSE)为0.0116，平均色差(ΔE₀₀)为0.88。显然，采用虚拟通道响应值时所获取的光谱反射比，其光谱差和色差均有明显下降。附图3展示了CRC色卡中第一行左起第3个色块采用虚拟通道响应值前后所获取的光谱反射比与其实际反射光谱曲线的比较，可见其采用虚拟通道响应值时所获取的光谱反射比更接近于实际值。