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专利号: 2020105015530
申请人: 武汉纺织大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
专利领域: 测量;测试
更新日期:2024-01-05
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于,包括以下步骤:

步骤1,测量获得参考测量环境的光源数据;

步骤2,在参考测量环境下,拍摄训练样本集和参考白板数字图像,提取其各自raw响应值;

步骤3,利用测量系统和训练样本集,计算光谱估计矩阵Q;

步骤4,在开放测量环境下,拍摄测量对象和参考白板数字图像,提取其各自raw响应值;

步骤5,利用参考白板raw响应值,计算校正矩阵M1,用于成像条件的初步校正;

步骤6,估计开放测量环境对应的k个目标光源数据;

步骤7,计算校正矩阵M2,用于成像条件的进一步校正;

步骤8,利用校正矩阵M1和M2,校正测量对象的raw响应值;

步骤9,利用光谱估计矩阵Q,估计测量对象的光谱;

步骤10,完成光谱测量,得到测量对象光谱数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:步骤1中采用光谱辐射度计测量获得参考测量环境的光源数据。

3.根据权利要求1所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:步骤3中,训练样本集中训练样本的光谱数据为已知数据,采用分光光度计测量获得,光谱估计矩阵Q的计算方法如下:以Rtrain表示训练样本集的光谱数据矩阵,以Dtrain表示训练样本集的raw响应值矩阵,利用最小二乘法计算光谱估计矩阵Q,其计算方法如式一所示,其中上标‘+’表示伪逆算子,Q=Rtrain(Dtrain)+.     式一。

4.根据权利要求1所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:步骤3中,若测量系统为基于单幅RGB图像的光谱测量系统,即训练样本集的raw响应值为三通道数据,则对其进行多项式扩展,以三阶多项扩展为例,其扩展形式如式二所示:dexpanded=[1 r g b rg rb gb r2 g2 b2 rg2 r2g rb2 r2b gb2 g2b r3 g3 b3].   式二其中,r、g和b为每个训练样本的R通道、G通道和B通道的raw响应值,dexpanded表示raw响应值的扩展响应向量,用于构成练样本集的响应值矩阵Dtrain;若测量系统为多通道式光谱测量系统,则不执行式二所示的响应值扩展处理。

5.根据权利要求1所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:步骤5中,校正矩阵M1的计算方法如下:以dwhite,ref表示参考测量环境下参考白板的raw响应值,以dwhite,test表示开放测量环境下参考白板的raw响应值,则按照式三计算得到校正矩阵M1,M1=diag(dwhite,ref./dwhite,test).   式三

其中,diag为矩阵或向量对角化变换函数,‘./’表示矩阵或向量中的元素相除计算,M1为K×K的对角矩阵,K为测量系统的通道数。

6.根据权利要求1所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:步骤6中,利用相机灵敏度函数、光源数据库、参考白板光谱数据和参考白板在开放测量环境下的raw响应值,估计开放测量环境对应的k个目标光源,具体方法如下所述:首先,对开放测量环境下参考白板的raw响应值进行最大值归一化处理,如式四所示,dwhite,test,norm=dwhite,test./max(dwhite,test).   式四其中,max(*)为求解最大值函数,dwhite,test,norm为归一化后的raw响应值;

其次,针对光源数据库中的任意一个待选光源li(λ),i指示第i个待选光源,结合测量系统的灵敏度函数和参考白板的光谱数据,按照式五计算参考白板在待选光源下的仿真响应值di,并按照式四所示方法对其进行归一化处理,获得参考白板归一化仿真响应值di,norm,di=∫li(λ)r(λ)s(λ)dλ   式五其中,l(λ)为光源的光谱功率分布,r(λ)为物体的光谱数据,s(λ)为相机的灵敏度函数,λ表示波长;

最后,以参考白板在开放测量环境下归一化raw响应值dwhite,test,norm和归一化仿真响应值di,norm的误差最小化为准则,从光源数据库中选择与开放测量环境等效的k个目标光源,获得k个目标光源的光谱功率分布数据。

7.根据权利要求6所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:采用综合角度误差(Angle error,AE)和欧式距离(Euclidean distance,ED)的整体误差(Overall Error,OE),作为判断dwhite,test,norm和di,norm的误差指标,其中AE反映了dwhite,test,norm和di,norm分布的形状相似性,ED反映了dwhite,test,norm和di,norm分布的距离相似性,AE和ED越大,OE越大,dwhite,test,norm和di,norm的差异性越大,反映出待选光源与开放环境光源的等效性越差;整体误差OE的计算方法如式六至式八所示,EDi=||di,norm-dwhite,test,norm||,   式七

OEi=norm(AEi)×norm(EDi).   式八

其中,arccos为反余弦函数,单位为弧度(rad),上标‘T’表示转置预算符号,||·||表示矩阵或向量范数,norm(*)为对数据进行最大值归一化处理的函数;对整体误差OE进行升序排序,提取前k个整体误差较小的光源作为目标光源,并提取目标光源的光谱功率分布数据。

8.根据权利要求1所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:步骤7中,利用相机灵敏度函数、k个目标光源数据、参考白板光谱数据、参考测量环境的光源数据和训练样本集光谱数据,计算校正矩阵M2,具体计算方法如下:首先,按照式五所示成像模型,计算训练样本集在参考光源和任一目标光源下的仿真响应矩阵Dref和Dtarget,并计算参考白板在参考光源和任一目标光源下的仿真响应值dwhite,ref,sim和dwhite,target,sim,参考式三所示方法,利用参考白板的仿真响应值计算仿真校正矩阵M1,sim,并按照式九所示方法对Dtarget进行校正,得到Dtarget,corr,使Dtarget,corr和Dref的仿真成像条件一致;

Dtarget,corr=Dtarget·M1,sim,   式九

然后,将Dref复制k次,得到Dref,1~k,并将k个目标光源对应的Dtarget,corr进行组合,得到Dtarget,corr,1~k;

最后,利用最小二乘法计算由Dtarget,corr,1~k向Dref,1~k转换的校正矩阵M2,如式十所示,M2=Dtarget,corr,1~k\Dref,1~k.   式十其中,‘\’为Matlab中最小二乘求解算子,M2同样为K×K的方阵,K为通道数。

9.根据权利要求1所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:步骤8中,利用校正矩阵对测量对象的raw响应值校正方法如式十一所示:dtest2train=dtest·M1·M2.   式十一

其中,dtest表示测量对象的raw响应值,dtes2traint表示校正后的测量对象的raw响应值。

10.根据权利要求1、4和5所述的一种基于成像条件校正的开放测量环境光谱测量方法,其特征在于:步骤9中,测量对象的光谱估计方法如式十二所示,rtest,est=Q·dtest2train.   式十二

其中,rtest,est表示通过光谱估计得到的测量对象的光谱数据,若测量系统为基于单幅RGB图像的光谱测量系统,由式十一计算得所到的dtes2traint在用于式十二之前,要按照式二进行同样阶数的多项扩展,若测量系统为多通道式光谱测量系统,则不执行式二所示的响应值扩展处理。