基于數字濾波的主動式高光譜成像系統及其波長標定

李 婧，王蘊珊，司書春，徐建強，高成勇，周燦林

（山東大學物理學院，山東濟南250100）

基于數字濾波的主動式高光譜成像系統及其波長標定

李 婧，王蘊珊，司書春，徐建強，高成勇，周燦林

（山東大學物理學院，山東濟南250100）

基于數字濾波技術，提出了獲取物體反射光譜數據立方體和光譜響應曲線的主動式新型高光譜成像系統。對傳統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。利用數字濾波方式代替光學窄帶濾波器，解決了多個光學濾光片不能連續可調和其他濾波器成本高的問題，建立了波長連續可調，帶寬可調的高光譜成像系統。針對系統的特點和采集方式，提出了適當的定標方式，其波長誤差＜2 nm。得到了綠色樹葉效果良好的光譜數據立方體和響應曲線，表明提出的系統適用于實驗室中小視場內的光譜成像測量研究。關 鍵 詞：高光譜成像；數字濾波；波長定標；光譜圖像

1 引 言

光譜成像技術是利用物體在不同波段響應不同的特點，對物體進行物質檢測、遙感監控、顯微成像的成像分析技術［1］。光譜成像系統根據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多采用單色器或者電動可調濾波器實現光譜通道的切換，在切換過程中探測器采集相應光譜圖像［2］。在提供照明光源的情況下，基于多個光學濾光片的光譜成像系統可以直接獲得每個光譜通道的響應信息，但使用確定波長的多個濾光片波長不能連續可調［3～5］，使用液晶可調諧濾波器或聲光可調諧濾波器可實現波長連續可調［6，7］，但價格昂貴。基于單色器的光譜成像系統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，經過相應的數據處理得到波長連續可調的光譜數據立方體［8］，降低了系統成本，為實驗室中小型目標的光譜成像研究提供了新的測量方法。

2 高光譜成像系統原理

本文所設計的基于數字濾波的主動式凝采高光譜成像系統的原理如圖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為汞燈和鹵素燈；CCD攝像機連于PC機，由專門的軟件控制采集圖像。系統工作時，光源S發出的光束經過L1成像于S1處，在單色儀內被三棱鏡色散成波長連續的光譜，再經過S2和L2成像于被測物上。這樣，光源所發出的光經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特征。轉動單色儀的鼓輪，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圖像。

圖1 高光譜成像系統原理圖

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，使成像質量下降。為了解決這個問題，本系統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光譜圖像，根據這個特點本文設計了合適的定標方法和數字濾波器來模擬光學窄帶濾波器，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 定標圖像采集

按照圖1建立高光譜成像系統，接收屏上放白紙，汞燈作為光源。調節各個部件的位置和參數使CCD拍攝到的基準譜線（546.1 nm綠色譜線）成像清晰。在上述條件下轉動鼓輪（單色儀的鼓輪讀數不同，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，鹵素燈作為光源。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圖像。

3.3 數字濾波

系統拍攝到的圖像是物體對連續光譜的響應情況，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據立方，系統用數字濾波器模擬窄帶濾波器，將目標波長對應的圖像過濾出來。某中心波長的光譜響應圖像的灰度值計算公式為：

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

4 定標和光譜圖像處理

4.1 波長定標原理

系統拍攝到的光譜響應圖像上所對應的波長在垂直于狹縫方向展開。設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以及圖像鼓輪讀數的關系。WDF型瓦茲渥斯反射式單色儀的x與λ不是線性關系，直接拍攝大量的譜線進行x-λ擬合存在很大難度，本系統通過單色儀鼓輪讀數與λ的關系，鼓輪讀數與x的關系間接確定λ與x的關系。

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

其中，g（x）為x處的鼓輪讀數，λ為g（x）所對應的波長。鼓輪讀數與x之間存在線性關系，可表示為：

其中，g（x0）和x0為基準譜線對應的鼓輪讀數和位置x值，a為鼓輪讀數的變化量與x的變化量之比，稱為定標系數。對不同鼓輪讀數下的定標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。利用多幅定標圖像中譜線中心的鼓輪位置和對應的x值可以計算出a，則x處的波長可以表示為式（5）。

4.2 定標結果

利用上述方式對系統進行定標，最小二乘法擬合出單色儀定標曲線，曲線擬合結果如圖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 單色儀曲線擬合結果

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

圖3 定標結果

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，可以看出上述定標方式具有較高精確性。

4.3 被測物光譜響應結果

確定綠色植物的光譜響應情況在農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圖片，圖4列出了綠色樹葉在鼓輪讀數為15.5 mm處的圖像。

圖4 光譜圖像（15.500 mm）

利用上述的定標數據對被測物的光譜響應圖像進行數字濾波，濾波帶寬是7 nm，計算出綠色樹葉的光譜數據立方體。樹葉上某點的光譜響應曲線如圖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，很好地體現了綠色樹葉對入射光譜的響應情況［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的響應系數急劇下降所致。

圖5 綠色樹葉上某點光譜響應曲線

5 結 論

通過實測物體，得到了波長連續可調，帶寬可調的光譜數據立方體和光譜響應曲線，驗證了文中提出的光譜成像系統的可行性。對波長定標的檢驗結果表明，定標方式適用于本系統的波長標定，誤差很小。該高光譜成像系統實現簡單，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可以使系統的光譜分辨率達到2 nm，得到上百個連續光譜通道的響應情況。本系統可應用于實驗室中可見光和近紅外范圍內的物質檢測、樣品純度光譜曲線測定、比對以及顯微光譜成像等應用。

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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設計方面的研究。

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和光譜成像系統設計的研究。

E-mail：ssc＠sdu.edu.cn