多光谱颜色成像装置及校正方法与流程
本发明涉及成像及颜色测量领域，尤其涉及一种多光谱颜色成像装置及校正方法。
背景技术：
为了精确的测量颜色，需要能够获取物体表面的光谱反射率，传统颜色测量过程中最常用的是分光光度计，虽然该设备能够精准地测量出物体表面的反射率光谱曲线，但存在着原理上的局限性。一方面，在使用分光光度计测量颜色时，需要保证探测范围内的样品表面颜色一致，因此对于颜色丰富，表面纹理复杂的被测样品来说，采用分光光度计来测量是极为不现实的。另一方面，分光光度计在测色过程中无法记录被测样品的图片信息，不够直观。因而不能用于测量各种纺织及成衣样品，例如色织、印花、蕾丝等。多光谱成像技术的提出，较好地解决了上述分光光度计在颜色测量过程中存在的问题。但是，现有的多光谱成像颜色测量系统存在光照分布不均匀，稳定性不好，测试精度不够高等缺点。积分球是一个内壁涂有漫反射材料的空腔球体，又称光度球、光通球等。一般而言，球壁上具有光入口和光出口，光入口使得光进入积分球，光出口处用于放置光接收器件。积分球的内壁应是良好的球面。现有的用于测量光强的积分球装置通常基本工作原理如下：光线由输入孔入射后，光线在球内部的内壁涂层被均匀的反射及漫射，在球面上形成均匀的光强分布，因此输出孔所得到的光线为非常均匀的漫射光束。一般而言，在精密的测量时，可以使用积分球作为光学扩散器使得上述的误差最小。使用积分球来测量光通量(luminousflux)时，可使得测量结果更为可靠，积分球可降低并除去由光线的形状、发散角度、及探测器上不同位置的响应度差异所造成的测量误差。但是积分球并未用于纺织成衣和相似颜色测量工业中。
此外，传统多光谱系统的系统校正过程包括曝光时间估计、光照平衡、自动调焦、通道对齐、叠影消除、颜色校正等方法。此外传统多光谱成像系统存在光源的二次反射对于测试结果精度的影响，这个问题在积分球系统中依然存在，且由于积分球内壁每个点的反射率都比较大，二次反射的影响将更大。
技术实现要素：
针对现有多光谱成像颜色测量系统应用在纺织成衣及相似颜色测量工业中光照分布不均匀、稳定性不好、测试精度不够高等缺陷，本发明提供一种多光谱颜色成像装置、一种基于参考反射面自动校正的方法和一种消除背景影响的方法。
本发明提出的一种多光谱颜色成像装置，包括：
光源箱模块，所述光源箱模块包括光源和位于光源的周围的光强收集装置，所述光强收集装置将光源发射的光通过反射光强收集装置的出口出射；
积分球模块，所述积分球模块包括积分球、位于积分球的一侧的光入口、位于积分球的顶部的光出口、位于积分球的另一侧的样品台出入口和能够进入积分球内部的样品台，所述光入口与所述光强收集装置的出口相对，样品台通过样品台出入口进入积分球内部并被设置为在成像时与所述光出口相对；以及
滤片轮模块，所述滤片轮模块包括相机、安装于相机下方的滤片轮和安装于滤片轮下方的镜头，所述镜头与所述积分球模块的光出口相对，所述滤片轮具有多个通道和位于多个通道中的多个滤光片，根据需要使得所述滤片轮的滤光片与所述相机和镜头相对以进行过滤。
在一个实施方式中，所述多光谱颜色成像装置还包括紫外光照过滤片模块，所述紫外光照过滤片模块位于所述光源箱模块和所述积分球模块之间，以根据需要改变入射到积分球内的紫外光与可见光之间的成分比例。
在一个实施方式，所述样品台通过滑轨结构以滑动的方式进入所述积分球内。
在一个实施方式中，所述样品台包括平台部和安装到所述平台部的样品架，所述样品架包括样品固定槽和从样品台出入口进入积分球内部并且固定到积分球内壁的直线滑轨，所述样品固定槽能够沿着所述直线滑轨滑动，由此所述平台部通过样品固定槽在所述积分球内滑动。
在一个实施方式中，所述样品台包括球盖部，所述球盖部与积分球上被切下的球面基本吻合，所述球盖部在样品台被送入积分球内的所需位置时位于与样品台模块与积分球相接的部位，以遮盖所述样品台出入口，从而保证积分球的完整性。
在一个实施方式中，紫外光照过滤片模块包括中空的紫外滤片架和导轨结构，其中紫外滤片架的中空处安装有仅允许紫外光通过的紫外带通片、过滤紫外光的紫外截止片和全通块，所述导轨结构带动紫外滤片架移动。
在一个实施方式中，所述相机通过接口密封地连接到滤片轮的上盖板的相机接口上，所述镜头通过卡口与所述滤片轮的下底板的卡口接口密封地连接。
在一个实施方式中，所述相机接口包括位于中心并且中空的环状突起和位于所述环状突起的外围带螺纹的安装部，用于与相机的所述接口密封地连接。
在一个实施方式中，所述卡口接口包括位于底部的中空的底板部、外壁接口部、位于外壁接口部内侧的沿接口圆周的内壁及内壁上的导向滑槽，所述导向滑槽中具有不连续的滑槽壁，镜头的开口具有外周壁、外壁和位于外壁上的能够与导向滑槽配合的导引部，导引部从不连续的滑槽壁的缺口处进入导向滑槽，并沿导向滑槽移动直到所述外周壁与所述外壁接口部接触并密封。
在一个实施方式中，所述相机的传感器中心、所述镜头的中心和所述滤片轮所需滤光片的中心位于一条直线上。
在一个实施方式中，所述滤片轮模块包括安装到滤片轮中空部位的滤片旋转架，所述滤光片位于滤片旋转架的外围区域，利用驱动装置驱动所述滤片旋转架，由此使得所述滤光片旋转，直到所需滤光片与镜头和相机的位置相对应，并且利用光电开关控制滤片旋转架的旋转位置。
在一个实施方式中，所述滤片轮模块还包括电机驱动控制模块和微动限位开关，所述电机驱动控制模块用于控制使镜头自动调焦的电机，所述微动限位开关用于避免镜头脱落。
本发明提出的一种基于参考反射面自动校正的方法，包括以下步骤：
对在样品台周围的至少一个校正白块的亮度值进行测量并记录；
对针对样品的所需像素点的亮度值进行测量并记录；和
利用以下公式(1)对像素点的校正后的亮度值进行计算，
其中，ipixel0即为校正后的像素点的亮度值，ipixel为该像素点的相机实际测得的亮度值，ipatch0为光照平衡时得到的小白块的标准亮度值，ipatch为实际测试时得到的小白块亮度值。
在一个实施方式中，光照平衡步骤中，所述样品台放置标准白板，此时测得的小白块亮度值为小白块的标准亮度值。
在一个实施方式中，实时地测量和记录所述至少一个校正白块的亮度值和所需像素点的亮度值，由此实时校正所需像素点的亮度值。
在一个实施方式中，利用前述的多光谱颜色成像装置执行基于参考反射面自动校正的方法。
本发明提出的一种消除背景影响的方法，包括以下步骤：
对样品台上的不同颜色背景板上的多个色块进行光谱响应值的采集；
对所述光谱响应值进行响应值数据分析，针对响应值通道进行数学建模，得到模型系数；和
利用数学建模的模型及所得到的模型系数对后续实时拍照得到的光谱响应值进行实时校正。
在背景影响消除校正时，采用至少四个色块，至少五种不同颜色的背景，并利用以下建模公式得到模型系数：
rstd＝(a1·ratio+a2)(rbat+a3)+a4(2)
其中，rstd为某色块在某通道的标准响应值，所述标准响应值被指定为亮度最高的背景的情况下测得的响应值，ratio＝ipatch0/ipatch，ipatch0为光照平衡时得到的小白块的标准亮度值，ipatch为实际测试时得到的小白块亮度值，根据前述的方法得到所述ipatch0和ipatch；rbat为色块在其他背景上测试时得到的相机响应值的归一化值，a1～a4为所需求的模型系数；其中，通过对至少四个色块进行测试，得到所需求的模型系数a1～a4的值。
样品测试时，对于样品利用以下建模公式对所述光谱响应值进行校正：
rstd＝(a1·ratio+a2)(rbat+a3)+a4(3)
其中，rstd为经计算得到的样品在背景校正后的相机响应值，ratio＝ipatch0/ipatch，ipatch0为光照平衡时得到的小白块的标准亮度值，ipatch为实际测试时得到的小白块亮度值，根据前述的方法得到所述ipatch0和ipatch；rbat为实时获取的未经校正的相机响应值的归一化值，a1～a4为已在背景影响消除校正时得到的已知的模型系数。
在一个实施方式中，利用前述的多光谱颜色成像装置执行消除背景影响的方法。
本发明提出的多光谱颜色成像装置，可以克服分光光度计系统只能测单色、无法记录图片信息的缺点，为成像测量提供光谱辐射持续稳定、光照分布均匀的照明系统，完美契合纺织及其他颜色相关工业用户的颜色测量和质量评定要求。此外，本发明设计的滤片轮模块形成全封闭空间，可以有效避免滤片接触灰尘。本发明还在传统多光谱系统校正的基础上提出的一系列精细校正方法，为最终颜色测量精度及测量稳定性提供重要的保障。对于混色样品，无论各颜色有多小，本发明都可以精确测量且记录更加全面的信息，且在获得被测样品精确光谱反射信息方面优于其它多光谱成像系统。
附图说明
图1是本发明所依据的多光谱技术原理示意图。
图2是根据本发明一个较佳实施例的多光谱颜色成像装置的结构示意图。
图3是根据本发明一个较佳实施例的光源装置的结构示意图。
图4-6是根据本发明较佳实施例的带光源的光强收集装置的示意图。
图7是根据本发明一个较佳实施例的光源电极保护装置结构示意图。
图8是根据本发明一个较佳实施例的积分球的示意图。
图9a-9b分别是根据本发明一个较佳实施例的带抽屉式样品台的积分球模块立体图和透视图。
图10是根据本发明一个较佳实施例的紫外光照过滤模块的滤片架安装示意图。
图11是根据本发明一个较佳实施例的包括相机、镜头和滤片轮的滤片轮模块整体结构的示意图。
图12是根据本发明一个实施例的相机接口转镜头接口的结构示意图以及局部放大图。
图13是根据本发明一个实施例的位于滤片轮的上盖板的相机接口的结构示意图。
图14是根据本发明一个实施例的位于滤片轮的下底板的用于连接镜头的卡口接口的结构示意图。
图15是根据本发明一个实施例的相机与滤片轮通过三角件连接的结构示意图。
图16是根据本发明一个较佳实施例的滤片轮的滤光片安装架旋转结构示意图。
图17和18分别是根据本发明一个较佳实施例的集成化滤片轮模块电子器件沿两个方向的空间分布结构示意图。
图19是根据本发明一个较佳实施例的基于参考反射面自动校正的标准白块分布示意图。
图20是根据本发明一个较佳实施例的用单色样品进行背景影响进一步消除的校正板示意图。
图21是根据本发明一个较佳实施例的进行消除背景影响的校准过程的框图。
图22是根据本发明一个较佳实施例的进行消除背景影响的过程的框图。
图23是根据本发明一个实施例的白度校正的白度值随紫外光照过滤片位置移动至收敛的示意图。
具体实施方式
现在将参照附图对本发明的一个优选实施方式进行详细描述。
多光谱成像技术能够较好地解决分光光度计在颜色测量过程中存在的问题。一个完整的多光谱成像系统是由光源、一个定焦或变焦镜头、一个装有窄带滤光片的滤片轮及一个单色或彩色相机等主要零部件组成。其采集过程可简单描述如下：通过滤片轮电机的转动带动滤片轮将不同波段的滤片轮置于样本和相机之间，形成不同波段的通道，在各个通道分别对样品进行成像，从而得到被测样品在不同通道下的响应值。
图1是本发明所依据的多光谱技术原理示意图。如图1所示，一个完整的多光谱成像系统包含光源11、被测样品12、镜头13、滤片轮14、相机15，并且还可以根据需要包括其他部件，各部件协同工作，最终得到高精度的多光谱图像。
假设光源光谱分布函数为l(λ)，所测样品反射率函数为r(λ)，镜头光谱传递函数为o(λ)，第i个通道滤光片的透过率为fi(λ)，ccd相机的光敏感函数为s(λ)，由此可得到系统第i个通道的响应输出为：
式中bi为相机的暗电流响应，ni为图像噪声。因为l(λ)、o(λ)、fi(λ)与s(λ)事先都难以单独确定，所以将其合并为统一的光谱响应函数：
mi(λ)＝l(λ)o(λ)fi(λ)s(λ),
考虑到光谱反射率在400-700nm可见光波段基本上都是连续变化的，在实际应用中基本上是每隔10nm取一个采样点来表示，因此光谱反射率可以表示成一个n×1(n＝31)的向量。同理，系统响应值也可表示成一个c×1的向量。从而式(1)可重构成如下向量矩阵形式：
v＝mr+b+n,(2)
式中m为式(1)得到的光谱响应函数矩阵(c×n维)，b为相机暗电流响应向量(c×1维)，n为图像噪声向量(c×1维)。
令u＝v-b作为线性响应，则(2)式可写为：
u＝mr+n,
对于非线性成像系统来说，在其线性响应u以及实际响应ρ之间存在着一种非线性的光电转换关系，具体表示如下：
ρ＝f(u)＝f(mr+n).
式中f(u)为一维非线性单调函数，通常可通过成像多个灰阶颜色得到。
图2是根据本发明一个较佳实施例的多光谱颜色成像装置2的结构示意图。多光谱颜色成像装置至少包括光源箱模块、积分球模块和滤片轮模块。光源箱模块包括光源、光强收集装置和光源电极保护装置，光源电极保护装置用于保护光源，以免在光源通电时因电压过高导致光源损坏。如图2所示，为了保证被测样品受到光照的均匀性，在该多光谱颜色成像装置中引入积分球24，将光源26所发出的光经光照收集装置27反射，通过散射结构25进入积分球24，形成一个均匀照明系统。积分球模块包括抽屉滑台以方便地将样品送入积分球中，并且滑台可以补全积分球缺口，保证积分球的完整性，继而确保积分球的反射光的均匀性。根据光源的不同选择，还可以根据需要在光线进入积分球系统之前加装一个紫外光照过滤模块28，可以通过电机与滑轨配合使得紫外光照过滤片稳定移动，改变光源中紫外与可见光的成分比例，形成若干不同形式的光源，如形成uv比例为uv0％、uv1-99％之间、uv100％等的光线的情况。滤片轮模块包括滤片轮22、位于滤片轮22上方的相机21和位于滤片轮22下方的镜头23。滤片轮模块装在积分球正上方的积分球光出口处，为保证滤片不受灰尘影响，通过改造的转换接口形成相机21、滤片轮22、镜头23三者自上而下的封闭结构，而且所有的电子控制装置都安装在滤片轮的下盖板之下，用外壳将其封闭，使得该滤片轮模块可成为一个完全独立的装置，操作简单方便，实用性强。在该多光谱颜色成像装置中，封闭结构中镜头23的固定位置与积分球光出口的最佳距离为积分球光出口直径的1-8倍，优选地1.5-6倍，最优选地2-5倍。样品台29通过滑轨做成的抽屉结构或其它类似结构直接送入积分球内部，从而有效利用了积分球光源的均匀性，并且可以精确固定样品台的位置。在最终测试的时候形成相机21、滤光片、镜头23、积分球光出口、样品台29在同一光轴的情况，大大简化了用户的操作。
下面将更详细地描述根据本发明的多光谱颜色成像装置的各个部件。
图3是根据本发明一个较佳实施例的光源装置的结构示意图。如图3所示，该光源装置内部包括有任何合适的光源结构及配套电源，光源只要可以实现为发出光的光源即可。作为光源箱模块中的输入部分，光源装置主要是由作为光源301的灯泡和光强收集装置组成，以实现光强的最大利用。所述光源应可以辐射持续稳定光谱。光源箱中灯泡的选择可以有多种，在本实施例中，采用一个椭球形氙灯来实现，该光源可以提供波长在200-2000nm波段的光，该波长波段更加贴近日光的波长范围，且在该范围内各波段的光谱都比较稳定，可以方便地模拟d65光源，使得被测物品颜色能更加真实地显示出来。氙灯阴阳两极由两个定制带散热功能的金属电极引出，既方便灯泡与灯泡外部的灯箱之间的固定，又方便输入接线。也可用卤钨灯来实现。与氙灯对比，卤钨灯的光谱能量分布更加平滑一些，没有尖峰或者抖动出现。但是，其光谱波段分布不如氙灯那么广泛，通常卤钨灯在可见光波段400-700nm的能量较高，而在紫外光波段，如300-400nm之前的辐射能量就小很多。因而，如果测量对于紫外光要求较低的样品来说，卤钨灯是个不错的选择。另外，根据实际测试的样品及相应测试要求，还可选择其它金属卤化物灯、led灯等。
图4-6示出了三种带光源的光强收集装置，其中，图4是示出根据本发明一个较佳实施例的带有收口结构并安装有双端灯泡的光强收集装置的示意图，其中虚线表示的部位位于该光强收集装置的内部。如图4所示，该光强收集装置由两部分组成，后部部分包括近似椭球形反光面402，前部部分包括圆台形反光收口结构403，双端灯泡发光点位于椭球面焦点处。该圆台形反光收口结构403的与灯泡401距离较远的部分的开口尺寸小于其与灯泡401距离较近的部分的开口尺寸，从而减小与积分球的对接口。置于该光强收集装置内部的灯泡401发出的光的一部分从圆台形反光收口结构403出射，而另一部分经由近似椭球形反光面402反射后，从圆台形反光收口结构403出射。因此在得知光照亮度足够的前提下，通过减小积分球与该光强收集装置对接口的开口大小，有效保证了积分球的完整性，有助于提升光照均匀度。
图5是示出根据本发明一个较佳实施例的带有直通口结构并安装有双端灯泡的光强收集装置的示意图。如图5所示，该光强收集装置由两部分组成，后部部分包括近似椭球形反光面502，前部部分包括直通口反光结构503，双端灯泡发光点位于椭球面焦点处。置于该光强收集装置内部的灯泡501发出的光的一部分从直通口反光结构503出射，而另一部分经由近似椭球形反光面502反射后，从直通口反光结构503出射。这种光强收集结构的优势在于充分利用了光源的辐射光，将光源发出的光最大化地反射进积分球。
图6是示出根据本发明另一个较佳实施例的带有直通口结构并安装有单端灯管的光强收集装置示意图。如图6所示，该光强收集装置由两部分组成，后部部分包括椭球形反光面602，前部部分包括直通口反光结构603，单端灯管的发光点位于椭球面焦点处。置于该光强收集装置内部的单端灯管601发出的光的一部分从直通口反光结构603出射，而另一部分经由椭球形反光面602反射后，从直通口反光结构603出射。与图4和图5所示的光强收集装置不同，图6所示的这种光强收集结构将安装灯管的开口置于底部，仅需开一个小口用于安装灯管，这样设置的优势在于，有助于灯管的安装固定，也对保证光强收集装置的完整性有帮助。
如图4-6所示三种光强收集装置中，还可采用抛物面、球面或类似构造，设计光源可选择安装在抛物面、球面或类似构造的合适位置处，保证光源的有效利用。光源安装位置均在椭球面、抛物面焦点处的优点在于，可以实现光源的最大利用。根据本发明多个较佳实施例的如图4-6所示光强收集装置在将光源发出的光反射进入积分球方面起到非常重要的作用，其共有的结构特征及其优势在于：
1).因光源稳定之后在运行过程中周围气体温度可达几百摄氏度，因此如图4-6所示三种光强收集装置采用金属合金作为材料，从而实现耐高温的功能，并且稳定性好，长期暴露在紫外光下不易变黄，潮湿环境中不易溶解腐蚀，粘连性好，涂层不易脱落、起皱、易去除灰尘污点等；
2).反光面和反光结构的反光材料具有360-700nm光谱之间的高反射率，在200-350nm光波段的反射效率高于传统涂料，利于弱光信号的测量；
3).光强收集装置的开孔相对而言不大，从而可以保证光的有效利用。
作为基于积分球光照的多光谱颜色成像装置的光源输入部分，光源稳定性对于最终测试结果的精确性存在着比较直接的影响。因此，对于光源电源的要求也就相对较高。根据本发明的一个较佳实施例的多光谱颜色成像装置中选择使用一种高精度的直流稳压电源，为光源提供稳定的电压电流。该直流稳压电源的输出电流的纹波可以稳定到1％以下，在预热之后的漂移也会降至1％以下，从而保证光源发出的光的光照强度的稳定性。
此外，由于光源的瞬间电压很大，会达到几千伏至几万伏甚至更高，光源箱模块中还使用光源保护模块来保护光源。图7是根据本发明一个较佳实施例的光源电极保护装置结构示意图，用于解决因启动时的击穿放电现象导致的灯泡无法正常点亮的问题。光源电极保护装置包括电极绝缘陶瓷板704、绝缘垫片705和绝缘套筒707。光源701是氙灯，其位于光强收集装置中。绝缘套筒707在其一端与光源701连接，绝缘套筒707的另一端与绝缘垫片705相连接。绝缘垫片705与绝缘陶瓷板704连接，绝缘陶瓷板704与自制正负电极702和703分别相接触。电极绝缘陶瓷板704、绝缘垫片705和绝缘套筒707将灯泡电极与金属反光杯706完全隔离开来，保证氙灯能够正常稳定地工作。本发明所使用的氙灯在安装时需要确保氙灯的点亮位置，如果氙灯是被水平点亮时，氙灯的倾角不得超过40°，因为如果水平点亮，则需要在灯泡水平方向安装吸弧磁场稳定电弧位置，以防电弧在上飘动；如果氙灯是被垂直点亮，则需要保证电极方向是阳极在上，阴极在下。灯泡接线时阴阳极不能接反，否则在短短几秒钟内就会将阴极烧坏，从而损坏整个灯管。此外，由于开灯瞬间电压较大，所以需要保证灯阴阳极和自制正负电极702、703之间的紧固接触，以免因缝隙的存在导致点亮瞬间高压击穿空气，产生放电现象，导致灯泡不能正常点亮，从而影响灯泡寿命。另外，由于氙灯发出的光中，紫外线比例较高，长时间照射紫外线对人体有比较高的伤害，尤其是眼睛，因此操作人员务必带上可以过滤紫外光的眼镜。
图8是根据本发明一个较佳实施例的积分球的示意图。在该图中，为更清楚地描绘光路，省略了如图2中所示的样品台29。但是，为更好说明，也结合图2进行如下描述。如图8所示，根据本发明一个较佳实施例的积分球含有三个开口：位于积分球的一侧的光入口801，位于积分球的顶部的光出口802，以及位于积分球的另一侧的样品台出入口803，其中样品台出入口803处示出安装有运送样品台的导轨，也可以是直线滑轨。来自光源和光强收集装置的光通过光入口801进入积分球中，进入积分球装置的光被积分球的内壁反射，而同时光也被样品台29上的样品反射，其中光的反射路径如图8中示意性示出，从右侧的光入口801进入的光向多个方向散射，并且例如一个光线被积分球左侧内壁反射后再次向多个方向散射，最终光通过光出口802出射。样品台的大小取决于相机分辨率、镜头焦距，以及相机与样品台表面的距离；样品台安装在积分球内部可以最大限度实现表面光源的均匀性。样品台29包括平台部和安装到平台部的样品架，样品架包括样品固定槽和从样品台出入口进入积分球内部并且固定到积分球内壁的直线滑轨，样品固定槽能够沿着直线滑轨滑动，由此平台部通过样品固定槽在积分球内滑动。样品台29可以通过直线滑轨做成的抽屉结构或其它类似结构经由样品台出入口803直接送入积分球内，位于样品台上的样品也被送入积分球内部。由于样品台出入口803的存在，在样品台29与积分球相接的部位优选地形成样品台的球盖部，该样品台的球盖部可以与积分球上被切下的球面基本吻合，从而保证样品台29被推入积分球后能够与被切下的球面部位吻合，在样品台被送入积分球内的所需位置时位于与样品台模块与积分球相接的部位，遮盖所述样品台出入口，最大限度保证球面的完整性。因而根据本发明一个较佳实施例的积分球，可以有效利用积分球光源的均匀性，并且可以精确地固定样品台的位置。
此外，根据以上实施例的积分球的光出口面积与总面积的比要求满足：
根据本发明一个较佳实施例的积分球，还可以根据实际需求，选择性地在积分球的光出口处加装调节件，用于调节该光出口大小。
图10是根据本发明一个实施例的紫外光照过滤模块的滤片架安装示意图。紫外光照过滤模块的目的是通过改变光源中的紫外光与可见光的比值，实现测试光照条件的改变。该紫外光照过滤模块包括紫外滤片架1001，该安装架具有中空的外框部，用于在其中安装滤光片。该紫外光照过滤模块包括两种滤光片，即紫外带通片1002和紫外截止片1004配合全通块1003组合而成。其中紫外带通片1002是仅允许紫外光通过的滤片，可通过削弱可见光来控制入射光源中可见光与紫外光的比例；而紫外截止片1004用于过滤掉紫外光，使入射光中只包含可见光。通过这两种滤片调整入射光源中紫外光与可见光的成分比例，从而实现不同的测试光源条件。紫外光照过滤模块还可以通过电机与滑轨的配合实现紫外滤片架的全自动稳定移动。紫外光照过滤安装架安装在两个导轨上，其中间具有带螺纹的丝杆以与安装架相连，从而利用电机带动紫外滤片架沿滑轨前后移动。紫外光照过滤模块还包括电子控制装置，所述电子控制装置包括由可编程驱动器控制的步进电机，两个用作位置限定的行程开关、两根用作固定滤光片的框架的导轨和一根丝杆，通过电机带动丝杆转动实现紫外滤片架的平稳移动。紫外光照过滤模块可以是单独的部件，例如包括外壳以使得紫外线滤片架、滤光片、电机、滑轨都位于外壳内，并且/或者紫外光照过滤模块可以与光源箱连接。
图11是根据本发明一个较佳实施例的包括相机、镜头和滤片轮的整体结构的示意图。如图11所示是多光谱颜色成像装置的核心模块，主要包含ccd相机1101、滤片轮1102、镜头1103三个主要部件。步进电机1104将滤片轮1102进行旋转，从而使得滤片轮1102的某一个通道的滤片位于ccd相机1101和镜头1103之间，并且ccd相机1101的传感器中心、镜头1103的中心和滤片轮1102的某通道的滤片中心始终在一条直线上。步进电机1105可带动镜头1103进行旋转，从而实现镜头1103的自动调焦。ccd相机1101、滤片轮1102、镜头1103的连接机构将如以下参照图12的实施例详细描述。滤片轮1102的具体结构和运行方式将如以下参照图16的实施例详细描述。
图12是根据本发明一个实施例的相机接口转镜头接口的结构示意图以及局部放大图；图15是根据本发明一个实施例的相机与滤片轮通过三角件连接的结构示意图。如图15所示，根据本发明一个实施例的相机是具有标准接口的相机，相机(未示出)连接在滤片轮上盖板凸起的接口1201处，也就是相机固定螺纹口，相机的接口可以是c接口。相机可以通过位于其外部的如图15所示的三角件固定在滤片轮上盖板上。如图15所示，三角件1501连接到相机，相机通过接口部1502连接到滤片轮上盖板。根据本发明一个实施例的镜头是光学镜头(未示出)，例如f口的光学镜头，其通过卡口接口板连接在滤片轮下底板的镜头接口1202。镜头为合适焦距的定焦或变焦镜头，其固定位置与积分球光出口的最佳距离为积分球开口直径的2-5倍。
图13是根据本发明一个实施例的位于滤片轮的上盖板的相机接口的结构示意图。如图13所示，相机接口130包括位于中心并且中空的环状突起1302，用于与相机的对应的接口密封地连接，从而相机可以固定到滤片轮的上盖板并且从中空部接收图像。环状突起1302可以在其外表面具有螺纹。安装部1301位于环状突起的外围的滤片轮的上盖板上，用于调节相机接口130的安装方向，最终调节相机芯片的安装方向，保证相机的成像方向，利用卡扣元件1303将相机接口卡入滤片轮上盖板。
图14是根据本发明一个实施例的位于滤片轮的下底板的用于连接镜头的卡口接口的结构示意图。卡口接口板具有与滤片轮下底板连接的安装部和卡口接口，卡口接口140包括外位于底部的中空的底板部1403，外壁接口部1402及内壁上的导向滑槽1404，所述导向滑槽中具有不连续的滑槽壁，卡口接口还可以包括位于沿外接口部的圆周设置的一个弹簧顶针1405，该弹簧顶针也可以设置为多个。镜头(未示出)的外周壁上设置有卡口，卡口包括外壁、位于外壁上的能够与导向滑槽1404配合的导引部、和位于卡口一侧的突起部。在镜头安装到滤片轮时，镜头的卡口的外壁与滤片轮的卡口接口的内壁彼此密封地相接，导引部从不连续的滑槽壁的缺口处进入导向滑槽，沿导向滑槽移动，直到到达所需位置时，弹簧顶针1405与镜头上的凹穴部配合完成，从而使得镜头卡止，不再移动。从而在镜头自身的调焦转动时能使镜头相对于滤片轮不产生转动，可以利用马达通过传动装置与镜头的调焦机构相连接从而带动调焦转动。由此镜头卡口与形成一个十分稳固且密封的固定方式。该卡口可以稳固地固定镜头，保证镜头不会在使用过程中发生脱落。如此，即可将相机、滤片轮上盖板、滤片安装架、滤片轮下底板和镜头无缝连接，实现了对滤光片的直接封装，避免了其因暴露在空气中沾染灰尘而导致的对系统成像精度的影响。上述方式对于c-f型相机镜头卡口结构而言是适用的，当然，对于其他卡口类型的镜头(如s卡口、r卡口)来说，都可以通过类似结构实现接口转换。
图16是根据本发明一个较佳实施例的滤片轮的滤光片安装架旋转结构示意图。如图16所示，该实施例中的滤光片以窄带滤光片为例，其也可以是其他形式的滤光片。滤光片安装架旋转结构包括16个窄带滤光片的安装槽1601，从而使得窄带滤光片能够连续紧密地排列在滤片轮旋转架的外围区域，窄带滤光片的安装波长可以自由选择，可以是5nm、10nm、20nm或其它带宽光谱的窄带滤光片。这些滤片将允许特定波长的光通过相应的滤片。在本发明中，所用波长可选窄带通滤光片的不同区域可以将光过滤为分别以400nm、420nm、440nm、460nm、480nm、500nm、520nm、540nm、560nm、580nm、600nm、620nm、640nm、660nm、680nm和700nm为中心的不同的20nm带宽的光谱。另外，本发明同样可用31片带宽为10nm的滤光片进行安装操作，此时只需将滤片轮旋转架更换成含31个安装槽的形式就可以。也可以采用其它形式的滤光片选择。
所述滤片轮模块进一步包括一个滤片旋转架，用于封装的上盖板、下底板，旋转架上有多个滤片插槽以及若干用于减轻旋转负重的孔洞(即通道)。滤光片安装架旋转结构经旋转中轴引出至滤片轮下底板的同步轮上，由可编程驱动器控制的步进电机的带动控制，该同步轮1604由驱动轮1603通过皮带带动旋转。同步轮1604边沿安装有一个用于位置探测的光电传感器1602，通过该光电传感器1602确定同步轮的转动位置以及相应的转动步长，达到精确控制滤片轮转动的目的。
滤光片安装架旋转结构的具体工作过程是，在初始化滤片轮时，步进电机驱动控制模块控制步进电机带动同步轮旋转，直至同步轮上的挡光片进入光电传感器触发位置，此时光电传感器发出信号至步进电机的驱动控制模块，步进电机的驱动控制模块在接收到光电传感器的信号之后，继续控制步进电机转动同步轮一定距离停止。在该过程中，需要精确测量光电传感器触发位置，从而使得在同步轮停止时，某通道的滤光片中心、滤片轮上盖板的相机c接口中心以及位于滤片轮下底板的镜头f接口中心在同一直线上。在正常的图像采集过程中，步进电机带动同步轮进行固定步长的转动，而每次转动停止后，对应通道的滤光片将停止在相机的传感器之前，此时传感器采集感应到的图像，最终形成一个16通道、31通道或其它通道数量的多光谱图像。相机通过ccd传感器或cmos传感器内置的a/d转化器，将投射到传感器焦平面上的光信号转化为数字信号，从而产生光谱通道图像。
图17和18分别是根据本发明一个较佳实施例的集成化滤片轮模块电子器件沿两个方向的空间分布结构示意图。如图17和18所示，滤片轮模块所有的电子控制器件都安装在滤片轮下底板上，电机驱动控制模块1704控制步进电机1706带动滤片架的旋转，另一电机驱动控制模块1705用于控制镜头自动调焦的电机1707，两个光电传感器1703分别控制滤片架同步轮及镜头同步轮的转动位置，微动限位开关1702和与其相对的另一微动限位开关保证镜头1701在调焦过程中不会因步进电机异常转动而导致的脱落或其它损坏状况的发生。优选地，电机驱动控制模块1704、1705可以是通过rs232串口与计算机连接的，由于计算机接口的限制，该实施例可以通过一个usb转rs232的转换器将计算机usb口转换成多个rs232协议的通信串口，实现对不同电机控制器的控制。
图19是根据本发明一个较佳实施例的基于参考反射面自动校正的标准白块分布示意图。传统多光谱成像系统存在光源的二次反射对于测试结果精度的影响。这个问题在积分球系统中依然存在，且由于积分球内壁每个点的反射率都比较大，二次反射的影响将更大。为了解决二次反射的影响的问题以及氙灯在点亮过程中出现的光照波动的问题，在本实施例中加入了基于参考反射面的自动校正方法。如图19所示，在样品台周围添加了三个校正白块，在做白板光照平衡步骤的时候记录校正白块的标准亮度值并记录，在采集图像的过程中用相机同时采集校正白块的实时亮度值，之后即可进行基于参考反射面自动校正基于参考反射面自动校正模型如下：
其中，ipixel0即为需要得到的对应像素点的亮度值，ipixel为该像素点的相机实际测得的亮度值，ipatch0为校正小白块的标准亮度值(白板做光照平衡时存储)，ipatch为采集该像素点图像时得到的实时小白块亮度值。
由于现有校正方法没有考虑光照强度随时间及测试样品的变化情况，而本实施例所述光强自动校正方法增加了实时光照强度的获取的步骤，对光照强度有一个监视作用，对系统精度的稳定性起到比较重要的作用。
图20是根据本发明一个较佳实施例的用单色样品进行背景影响进一步消除的校正板示意图。如图20所示，该校正板中心固定有一个带9种不同颜色的、排列为3*3的小色块的色卡，这9种不同颜色的选择可以使光谱分布尽量丰富，如红、黄、绿、橙、蓝、紫、灰、棕、黑色。在实际测试时将不同颜色背景的背景板置于样品台的校正板上，使得背景色选取也应尽量丰富，背景数量在7-15种为佳，分别采集中心9种颜色的光谱响应值，对于每个通道的响应值进行建模，所用模型公式如下，
rstd＝(a1·ratio+a2)(rbat+a3)+a4(4)
其中，rstd为某色块在该通道的标准响应值，实际测试时选择某个亮度较高的背景测得的响应值为基准；ratio为对应通道的基于参考反射面的校正系数，由公式(3)中的ipatch0/ipatch得出；rbat为得到的归一化相机响应值；a1～a4即为所需求的模型系数。
本发明一较佳实施例的消除背景影响的方法包括以下步骤：对样品台上的背景板上的多个色块进行光谱响应值的采集；对所述光谱响应值进行响应值数据分析，针对响应值通道进行数学建模，得到模型系数；和利用数学建模的模型及所得到的模型系数对后续实时拍照得到的光谱响应值进行实时校正。
在进行背景影响进消除校正时，如图21所示，首先进行校准过程。步骤2101，采集不同样品的相机响应，步骤2102，对测量得到的响应值进行数学建模，步骤2103，得到模型系数。具体地，在进行某通道的背景影响消除校正时，测量某一种颜色在多个背景下的多个响应值，设定在某背景的响应值为标准响应值rstd，标准响应值一般被指定为亮度最高的背景的情况下测得的响应值，而后对多个色块的颜色重复该测量方式，得到多个标准响应值，rbat为色块在其他背景上测试时得到的相机响应值的归一化值，a1～a4为所需求的模型系数；ratio＝ipatch0/ipatch，ipatch0为光照平衡时得到的小白块的标准亮度值，ipatch为实际测试时得到的小白块亮度值，根据前述方法得到所述ipatch0和ipatch；将相机拍摄时得到的响应值rbat、ratio和标准响应值rstd带入上述公式得到a1～a4。由此通过上述过程求得每个通道的校正系数并记录。
在正式图像采集的时候调用该系数a1～a4进行图像的背景校正工作，采用上述公式(4)得到，其中，rstd为经计算得到的样品在背景校正后的相机响应值，ratio＝ipatch0/ipatch，ipatch0为光照平衡时得到的小白块的标准亮度值，ipatch为实际测试时得到的小白块亮度值；rbat为在正式图像采集过程中实时获取的未经校正的相机响应值的归一化值，a1～a4为已在背景影响消除校正时得到的已知的模型系数。如图22所示，步骤2201，拍摄图像，步骤2202，用模型系数进行建模并校正相机响应值，步骤2203，输出校正后的图像。具体地，首先对样品台上的样品进行拍摄，得到样品的图像，并得到归一化的相机响应值rbat，而后采用以上公式(4)，采用标准响应值和模型系数a1～a4，得到校正后的响应值rstd，由此消除背景影响。
现有校正方法没有考虑因多次反射的存在导致不同颜色在测量过程中对其他颜色真实结果产生的一定影响，而背景影响校正即是在考虑多次反射影响的基础上，从相机响应值出发，对每个多光谱通道进行建模，以实现背景影响的校正；用单色样品进行背景影响校正不是现有的模型。
图23是根据本发明一个实施例的白度校正的白度值随紫外光照过滤片位置移动至收敛的示意图。由于本发明所用的光源紫外光强度比太阳光弱，在这种情况下，测试得出的白度值与真实阳光下测出来的会明显不同。因此，需要通过紫外光照过滤装置中的紫外带通片来改变光源，从而使得进入积分球的紫外光与可见光比例与太阳光中的比值相似，在这种情况下测试出来的白度才会更准确。至于最终滤光片要滤去多少可见光，或者说要知道滤光片需要移动到什么位置，则需要通过已知白度的标准校正板来调节。
目前白度值的计算主要有两个公式，其一是国际照明委员会白度分委会于1983年提出的cie白度计算公式，wcie＝y+800·(x0-x)+1700·(y0-y)，其中，x0＝0.313795,y0＝0.330972。另一个是由ganz制定的线性化白度计算公式，wganz＝y+p·(x0-x)+q·(y0-y)，其中，(x0,y0)是d65光源无色点的坐标位置，而参数p,q由色彩的偏好决定，具体如下表，
白度校正过程包含以下步骤：1).将标准白度板置于样品台，通过程序控制步进电机带动紫外光照过滤片移动，计算其白度值随着紫外光照过滤片位置移动的变化情况，直至白度值收敛接近标准值，图23即给出了白度值变化至收敛的这个过程示意，此时停止移动紫外光照过滤片位置；2).在上述紫外光照过滤片停止位置进行系统校正；3).必要情况下，选择若干样品进行图像采集与白度值计算工作，并与标准仪器测试结果进行对比，建立仪器之间的拟合关系，最终将所述多光谱成像装置的白度测试结果校正至标准水平。
虽然本发明是通过具体实施例进行说明的，本领域技术人员应当明白，在不脱离本发明范围的情况下，还可以对本发明进行各种变换及等同替代。另外，针对特定情形或材料，可以对本发明做各种修改，而不脱离本发明的范围。因此，本发明不局限于所公开的具体实施例，而应当包括落入本发明权利要求范围内的全部实施方式。
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