李 婧，王蘊珊，司書春，徐建強，高成勇，周燦林

（山東大學(xué)物理學(xué)院，山東濟南250100）

基于數(shù)字濾波的主動式高光譜成像系統(tǒng)及其波長標(biāo)定

李 婧，王蘊珊，司書春，徐建強，高成勇，周燦林

（山東大學(xué)物理學(xué)院，山東濟南250100）

基于數(shù)字濾波技術(shù)，提出了獲取物體反射光譜數(shù)據(jù)立方體和光譜響應(yīng)曲線的主動式新型高光譜成像系統(tǒng)。對傳統(tǒng)WDF型瓦茲渥斯反射式單色儀進行了改裝，在入射光一定的情況下，增大出射光通量，提高了照射在物體表面的光強。利用數(shù)字濾波方式代替光學(xué)窄帶濾波器，解決了多個光學(xué)濾光片不能連續(xù)可調(diào)和其他濾波器成本高的問題，建立了波長連續(xù)可調(diào)，帶寬可調(diào)的高光譜成像系統(tǒng)。針對系統(tǒng)的特點和采集方式，提出了適當(dāng)?shù)亩?biāo)方式，其波長誤差＜2 nm。得到了綠色樹葉效果良好的光譜數(shù)據(jù)立方體和響應(yīng)曲線，表明提出的系統(tǒng)適用于實驗室中小視場內(nèi)的光譜成像測量研究。關(guān) 鍵 詞：高光譜成像；數(shù)字濾波；波長定標(biāo)；光譜圖像

1 引 言

光譜成像技術(shù)是利用物體在不同波段響應(yīng)不同的特點，對物體進行物質(zhì)檢測、遙感監(jiān)控、顯微成像的成像分析技術(shù)［1］。光譜成像系統(tǒng)根據(jù)采集圖像的方式不同，可分為：撣掃式、推掃式、凝采式3種。凝采式光譜成像系統(tǒng)多采用單色器或者電動可調(diào)濾波器實現(xiàn)光譜通道的切換，在切換過程中探測器采集相應(yīng)光譜圖像［2］。在提供照明光源的情況下，基于多個光學(xué)濾光片的光譜成像系統(tǒng)可以直接獲得每個光譜通道的響應(yīng)信息，但使用確定波長的多個濾光片波長不能連續(xù)可調(diào)［3～5］，使用液晶可調(diào)諧濾波器或聲光可調(diào)諧濾波器可實現(xiàn)波長連續(xù)可調(diào)［6，7］，但價格昂貴?；趩紊鞯墓庾V成像系統(tǒng)輸出的單色光直接照射整個物體，使得分布在物體表面的光強很小，因此對光源的光強要求很高。為了提高照射在物體表面的光強，本文采用主動照明方式，對WDF型瓦茲渥斯反射式單色儀進行了改裝，在入射光一定的情況下增大出射光通量，從而提高照射在物體表面的光強，經(jīng)過相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理得到波長連續(xù)可調(diào)的光譜數(shù)據(jù)立方體［8］，降低了系統(tǒng)成本，為實驗室中小型目標(biāo)的光譜成像研究提供了新的測量方法。

2 高光譜成像系統(tǒng)原理

本文所設(shè)計的基于數(shù)字濾波的主動式凝采高光譜成像系統(tǒng)的原理如圖1所示。圖中S1，S2分別為單色儀的入、出射狹縫；L1，L2為成像透鏡；光源S為汞燈和鹵素?zé)?；CCD攝像機連于PC機，由專門的軟件控制采集圖像。系統(tǒng)工作時，光源S發(fā)出的光束經(jīng)過L1成像于S1處，在單色儀內(nèi)被三棱鏡色散成波長連續(xù)的光譜，再經(jīng)過S2和L2成像于被測物上。這樣，光源所發(fā)出的光經(jīng)過單色儀和透鏡成像于物體表面，物體對這部分光譜進行吸收和反射，CCD攝像機接收物體的反射光。CCD攝像機所拍攝到圖像的灰度值反映了物體對入射光譜的反射響應(yīng)特征。轉(zhuǎn)動單色儀的鼓輪，展開光譜依次照射物體，得到物體在各個波長下的反射光譜響應(yīng)圖像。

圖1 高光譜成像系統(tǒng)原理圖

入射狹縫S1確定后，單色儀在輸出單色光時，利用出射狹縫寬度控制射出的單色光的帶寬，光譜成像系統(tǒng)的分辨率與狹縫寬度成反比。為了提高波長分辨率，必須減小出射狹縫寬度，繼而減小通光量，使成像質(zhì)量下降。為了解決這個問題，本系統(tǒng)將單色儀的出射狹縫卸去，增大通光量，再利用成像透鏡將光譜成像到被測物表面，提高被測物表面的光強，從而提高成像質(zhì)量。這樣，CCD拍攝到的光譜圖像為在垂直于狹縫方向上展開的連續(xù)光譜圖像，根據(jù)這個特點本文設(shè)計了合適的定標(biāo)方法和數(shù)字濾波器來模擬光學(xué)窄帶濾波器，得到單個光譜通道下的光譜圖像。

3 高光譜成像實驗步驟

3.1 定標(biāo)圖像采集

按照圖1建立高光譜成像系統(tǒng)，接收屏上放白紙，汞燈作為光源。調(diào)節(jié)各個部件的位置和參數(shù)使CCD拍攝到的基準(zhǔn)譜線（546.1 nm綠色譜線）成像清晰。在上述條件下轉(zhuǎn)動鼓輪（單色儀的鼓輪讀數(shù)不同，出射光的中心波長不同），采集多幅圖像。

3.2 被測物光譜響應(yīng)圖像采集

在上述光路中，將綠色樹葉作為被測物放于接收屏處，鹵素?zé)糇鳛楣庠?。改變鼓輪的位置使光譜掃描整個被測物，拍攝到一系列光譜響應(yīng)圖像。

3.3 數(shù)字濾波

系統(tǒng)拍攝到的圖像是物體對連續(xù)光譜的響應(yīng)情況，垂直于狹縫方向的不同位置有不同波長，為得到被測物的光譜數(shù)據(jù)立方，系統(tǒng)用數(shù)字濾波器模擬窄帶濾波器，將目標(biāo)波長對應(yīng)的圖像過濾出來。某中心波長的光譜響應(yīng)圖像的灰度值計算公式為：

其中P為光譜響應(yīng)灰度均值，qj為第j幅圖片此點的濾波系數(shù)，Pj為第j幅圖片此點的灰度值。在計算過程中可以對數(shù)字濾波器的帶寬和中心波長進行設(shè)置，做到波長連續(xù)可調(diào)、帶寬可調(diào)。

4 定標(biāo)和光譜圖像處理

4.1 波長定標(biāo)原理

系統(tǒng)拍攝到的光譜響應(yīng)圖像上所對應(yīng)的波長在垂直于狹縫方向展開。設(shè)圖像垂直于狹縫方向的像素位置值為x，平行于狹縫方向為y（下文同）。波長定標(biāo)是要得到圖像x處的波長值［9］，即確定波長λ與位置x以及圖像鼓輪讀數(shù)的關(guān)系。WDF型瓦茲渥斯反射式單色儀的x與λ不是線性關(guān)系，直接拍攝大量的譜線進行x-λ擬合存在很大難度，本系統(tǒng)通過單色儀鼓輪讀數(shù)與λ的關(guān)系，鼓輪讀數(shù)與x的關(guān)系間接確定λ與x的關(guān)系。

首先，利用傳統(tǒng)方式對單色儀進行定標(biāo)，用最小二乘法對定標(biāo)曲線進行擬合得到單色儀的鼓輪讀數(shù)與出射狹縫中心波長的關(guān)系式：

其中，g（x）為x處的鼓輪讀數(shù)，λ為g（x）所對應(yīng)的波長。鼓輪讀數(shù)與x之間存在線性關(guān)系，可表示為：

其中，g（x0）和x0為基準(zhǔn)譜線對應(yīng)的鼓輪讀數(shù)和位置x值，a為鼓輪讀數(shù)的變化量與x的變化量之比，稱為定標(biāo)系數(shù)。對不同鼓輪讀數(shù)下的定標(biāo)圖像進行二值化和濾波可以得到清晰的譜線，利用重心算法求取譜線中心，重心算法求中心的表達式為：其中，mi為第i個點的像素灰度值，xi為這點的x值。利用多幅定標(biāo)圖像中譜線中心的鼓輪位置和對應(yīng)的x值可以計算出a，則x處的波長可以表示為式（5）。

4.2 定標(biāo)結(jié)果

利用上述方式對系統(tǒng)進行定標(biāo)，最小二乘法擬合出單色儀定標(biāo)曲線，曲線擬合結(jié)果如圖2所示，其中方框點為實際測量的點，三角點為由擬合公式計算出的點，連線為擬合曲線，由圖可以看出，曲線擬合效果良好。

圖2 單色儀曲線擬合結(jié)果

利用采集到的定標(biāo)圖像計算出定標(biāo)系數(shù)a，代入式（5）可以計算出每個點的波長值。為檢驗上述定標(biāo)方式的準(zhǔn)確性，實驗拍攝了汞燈譜線的圖像，得到了波長與對應(yīng)像素灰度值的關(guān)系，如圖3所示。

圖3 定標(biāo)結(jié)果

圖中的 3個峰值分別為汞燈的紫光（435.8 nm）、綠光（546.1 nm）、黃光（因光源光強較弱，入射狹縫較寬，579.1 nm和577.0 nm兩個譜線重疊，故取中間波長578.05 nm）。從圖3上讀出峰值處的波長與實際之差分別為1.3、0.1和0.65 nm，都在2 nm以內(nèi)，可以看出上述定標(biāo)方式具有較高精確性。

4.3 被測物光譜響應(yīng)結(jié)果

確定綠色植物的光譜響應(yīng)情況在農(nóng)作物病蟲害防治和空間遙感中有重要作用［2］，實驗以綠色樹葉為研究對象，共拍攝了50幅綠色樹葉的光譜響應(yīng)圖片，圖4列出了綠色樹葉在鼓輪讀數(shù)為15.5 mm處的圖像。

圖4 光譜圖像（15.500 mm）

利用上述的定標(biāo)數(shù)據(jù)對被測物的光譜響應(yīng)圖像進行數(shù)字濾波，濾波帶寬是7 nm，計算出綠色樹葉的光譜數(shù)據(jù)立方體。樹葉上某點的光譜響應(yīng)曲線如圖5所示。圖中550 nm處有較強的反射高峰，在670～710 nm之間有反射率急劇升高的過程，很好地體現(xiàn)了綠色樹葉對入射光譜的響應(yīng)情況［10］。710 nm之后曲線開始下降，與綠色樹葉的實際光譜有差別，是由于實驗所用的CCD的響應(yīng)系數(shù)急劇下降所致。

圖5 綠色樹葉上某點光譜響應(yīng)曲線

5 結(jié) 論

通過實測物體，得到了波長連續(xù)可調(diào)，帶寬可調(diào)的光譜數(shù)據(jù)立方體和光譜響應(yīng)曲線，驗證了文中提出的光譜成像系統(tǒng)的可行性。對波長定標(biāo)的檢驗結(jié)果表明，定標(biāo)方式適用于本系統(tǒng)的波長標(biāo)定，誤差很小。該高光譜成像系統(tǒng)實現(xiàn)簡單，成本低，通過擴大CCD的感光范圍，并改用步進電機進行鼓輪旋轉(zhuǎn)可以使系統(tǒng)的光譜分辨率達到2 nm，得到上百個連續(xù)光譜通道的響應(yīng)情況。本系統(tǒng)可應(yīng)用于實驗室中可見光和近紅外范圍內(nèi)的物質(zhì)檢測、樣品純度光譜曲線測定、比對以及顯微光譜成像等應(yīng)用。

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Active hyperspectral imaging system based on digital filtering and its calibration

LI Jing，WANG Yun-shan，SIShu-chun，XU Jian-qiang，GAO Cheng-yong，ZHOU Can-Lin
（School of Physics，Shandong University，Jinan 250100，China）

A novel active hyperspectral imaging system in which a digital filter is specially designed as a creative component is developed for calculating the spectral cube and spectral response of an object.Based on the refit of a generalWDFWadsworth monochromator，the system enhances the exit flux and improves the optical intensity radiated on the objectwhen the light incident keeps a constant.Furthermore，the optical narrowband filter is replaced by a digital filter.The hyperspectral imaging system resolves the problem of the system with a number of optical filters which can not be adjusted continuously，and it has lower cost than other filters.Meanwhile，the system is easy to implement，wavelength tunable，and band variable.According to the characters of the system and image gathering，the calculation method is supplied and the inaccuracy is less than 2 nm.The spectral cube and response of green leaves are successfully achieved，and the system is suitable for the spectralmeasurementswith a small view in laboratory.

hyperspectral imaging；digital filtering；wavelength calibration；spectral image

2010-03-12；

2010-05-16

TH74；TP391

A

1674-2915（2010）04-0374-05

李 婧（1985—），女，山東德州人，碩士研究生，主要從事光譜成像系統(tǒng)設(shè)計方面的研究。

E-mail：lj8519＠gmail.com

司書春（1970—），男，山東淄博人，副教授，主要從事測試計量技術(shù)和光譜成像系統(tǒng)設(shè)計的研究。

E-mail：ssc＠sdu.edu.cn