专利名称：光谱推断参数生成装置和方法以及光谱推断装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及根据从拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像生成用于推断所述被摄体的光谱反射率谱的光谱推断参数的技术以及使用所述光谱推断参数推断被摄体的光谱反射率谱的技术。
背景技术：
以往，提出了根据从拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像推断所述被摄体的光谱反射率谱的方法(专利文献I)。这种推断方法按每个多谱段图像的波段预先编制变换表，从拍摄被摄体得到的多谱段图像使用所述变换表变换成反射率，由此推断被摄体的光谱反射率谱。然而，在上述现有技术中存在这样的问题只能根据谱段数多的多谱段图像推断高精度的光谱反射率谱。这是因为，要测定的各谱段被预先确定，谱段的位置对于多谱段照 相机和/或被摄体并不是最适合，因此只能根据有大量谱段数的多谱段图像高精度地进行推断。
发明内容
本发明是为了解决上述课题而实现的，其目的在于根据少量谱段数的多谱段图像也可以高精度地推断光谱反射率谱。本发明是为了解决上述课题的至少一部分而实现的，可以作为以下的方式而实现。本发明的第一方式是光谱推断参数生成装置，其生成光谱推断参数，该光谱推断参数用于根据从驱动波长可变滤光器而在多个波段的各个拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像，推断所述被摄体的光谱反射率谱。光谱推断参数生成装置具备初始值设定部，其对用于确定所述多个波段的谱段指示用数据设定初始值；光谱计测器，其计测关于多个色卡的各个的光谱分布；照相机输出计算部，其基于通过所述谱段指示用数据确定了所述多个波段时的所述多谱段照相机的光谱灵敏度和来自所述各色卡的光的光谱特性计算照相机输出信号，所述照相机输出信号表示按每个所述色卡从所述多谱段照相机输出的多谱段图像；参数候选值计算部，其基于通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布和通过所述照相机输出计算部计算的照相机输出信号计算所述光谱推断参数的候选值；评价函数控制部，其使所述谱段指示用数据从所述初始值开始依次变化以使得评价函数接近目标值，并求出与所述评价函数达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据对应的光谱推断参数，所述评价函数定义在通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布与基于所述光谱推断参数的候选值及所述照相机输出信号计算的光谱推断值之间；以及存储部，其存储通过所述评价函数控制部求出的所述光谱推断参数和达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据。根据第一方式的光谱推断参数生成装置，通过使所述谱段指示用数据从初始值开始依次变化，来进行控制以使得评价函数接近目标值，所述评价函数定义在通过光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布与通过推断求出了光谱分布的光谱推断值之间。光谱推断值基于光谱推断参数的候选值和照相机输出信号计算。然后，将与评价函数达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据对应的光谱推断参数和其所述谱段指示用数据存储于存储部。因此，在由多谱段照相机进行拍摄时，使用存储部中存储的谱段指示用数据驱动波长可变滤光器，以便成为根据所述谱段指示用数据确定的波段(谱段)，进而，在根据多谱段图像推断被摄体的光谱反射率谱时，只要使用存储部中存储的光谱推断参数，便能够根据少谱段数的多谱段图像推断高精度的光谱反射率谱。因此，根据第一方式的光谱推断参数生成装置，可产生这样的效果能够生成可以根据少谱段数的多谱段图像推断高精度的光谱反射率谱的光谱推断参数。在所述第一方式的光谱推断参数生成装置中，也可以设定为所述评价函数控制部具有使所述光谱推断参数的候选值依次变化的结构。根据该光谱推断参数生成装置，在评价函数为非线性的情况下也可以实现评价函数的最优化。因此，可以生成能够实现更高精度的光谱推断的光谱推断参数。 在所述光谱推断参数生成装置中，也可以设定为所述评价函数包含使用了颜色匹配函数的权重系数。根据该光谱推断参数生成装置，可以实现对色差加以考虑了的光谱反射率谱的推断。在所述第一方式的光谱推断参数生成装置中，也可以设定为所述评价函数通过所述光谱推断值相对于每个所述色卡的光谱分布的误差的平方范数而定义。根据该光谱推断参数生成装置，能够使光谱推断值接近每个色卡的光谱分布。本发明的第二方式是光谱推断装置，其根据从驱动波长可变滤光器而在多个波段的各个拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像，推断所述被摄体的光谱反射率谱。光谱推断装置具备推断装置侧存储部，其存储用于推断所述被摄体的光谱反射率谱的光谱推断参数和用于确定所述多个波段的谱段指示用数据；谱段指示部，其通过将存储于所述推断装置侧存储部的所述谱段指示用数据传送至所述多谱段照相机，对所述多谱段照相机指示要拍摄的多个波段；多谱段图像取得部，其从所述多谱段照相机取得在所述各波段拍摄的多谱段图像；以及光谱运算部，其使用存储于所述推断装置侧存储部的光谱推断参数，根据所述多谱段图像运算所述光谱反射率谱。根据第二方式的光谱推断装置，能够指定对于多谱段照相机适合化的波段，并能够在根据这样得到的多谱段图像运算光谱反射率谱时使用适合化的光谱推断参数。因此，能够用所述光谱推断装置根据多谱段图像高精度地推断光谱反射率谱。本发明的第三方式是生成光谱推断参数的方法，该光谱推断参数用于根据从驱动波长可变滤光器而在多个波段的各个拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像，推断所述被摄体的光谱反射率谱。该方法包括对用于确定所述多个波段的谱段指示用数据设定初始值；通过光谱计测器计测关于多个色卡的各个的光谱分布；基于通过所述谱段指示用数据确定了所述多个波段时的所述多谱段照相机的光谱灵敏度和来自所述各色卡的光的光谱特性，计算照相机输出信号，所述照相机输出信号表示按每个所述色卡从所述多谱段照相机输出的多谱段图像；基于通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布和所述照相机输出信号计算所述光谱推断参数的候选值；使所述谱段指示用数据从所述初始值开始依次变化以使得评价函数接近目标值，并求出与所述评价函数达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据对应的光谱推断参数，所述评价函数定义在通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布和基于所述光谱推断参数的候选值和所述照相机输出信号计算的光谱推断值之间；以及将所述求出的所述光谱推断参数和达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据存储于存储部。第三方式的光谱推断参数生成方法与第一方式的光谱推断参数生成装置同样，可产生这样的效果能够生成可以根据少谱段数的多谱段图像推断高精度的光谱反射率谱的光谱推断参数。本发明也能够以上述各方式以外的各种方式实现。例如，能够以具备光谱推断参数生成装置与多谱段照相机的新鲜度判定系统的方式实现。例如，本发明的一种方式可以作为具备初始值设定部、计测器、第I计算部、第2计算部、控制部、存储部这6个要素内的I个以上要素的装置实现。即，该装置可以具有设定部，也可以不具有。此外，该装置可以具有计测器，也可以不具有。此外，装置可以具有第I 计算部，也可以不具有。此外，装置可以具有第2计算部，也可以不具有。此外，装置可以具有控制部，也可以不具有。此外，装置可以具有存储部，也可以不具有。设定部，例如可以构成为对用于确定多个波段的谱段指示用数据设定初始值。计测器，例如可以构成为计测关于多个色卡的各个的光谱分布。第I计算部，例如可以构成为基于通过谱段指示用数据确定了多个波段时的多谱段照相机的光谱灵敏度和来自各色卡的光的光谱特性，按每个色卡计算表示从多谱段照相机输出的多谱段图像的照相机输出信号。第2计算部，例如可以构成为基于每个色卡的光谱分布和照相机输出信号计算光谱推断参数的候选值。控制部，例如可以构成为使谱段指示用数据从初始值开始依次变化以使得评价函数接近目标值并求出与评价函数达到目标值时的谱段指示用数据对应的光谱推断参数，所述评价函数定义在每个色卡的光谱分布与基于光谱推断参数的候选值及照相机输出信号计算的光谱推断值之间。存储部，例如可以构成为存储光谱推断参数和达到目标值时的谱段指示用数据的存储部。这样的装置例如能够作为光谱推断参数生成装置实现，但是也可以作为光谱推断参数生成装置以外的其他装置实现。根据这样的方式，能够解决装置的小型化和/或低成本化、省资源化、制造容易化、使用便利性的提高等各种课题中的至少I个。上述的光谱推断参数生成装置的各个方式的技术特征的一部分或全部均可应用于该装置。进而，例如本发明的一种方式可以作为具备存储部、指示部、图像取得部、运算部这4个要素内的I个以上的要素的装置而实现。即，该装置可以具有存储部，也可以不具有。此外，装置可以具有指示部，也可以不具有。此外，装置可以具有图像取得部，也可以不具有。此外，装置可以具有运算部，也可以不具有。存储部，例如可以构成为存储用于推断被摄体的光谱反射率谱的光谱推断参数和用于确定多个波段的谱段指示用数据。指示部，例如可以构成为通过将谱段指示用数据传送至多谱段照相机来对多谱段照相机指示要拍摄的多个波段。图像取得部，例如可以构成为从多谱段照相机取得在各波段拍摄的多谱段图像。运算部，例如可以构成为使用光谱推断参数来根据多谱段图像运算光谱反射率谱。这样的装置例如能够作为光谱推断装置实现，但也能够作为光谱推断装置以外的其他装置实现。根据这样的方式，能够解决装置的小型化和/或低成本化、省资源化、制造容易化、使用便利性的提高等各种课题中的至少I个。上述的光谱推断装置的各个方式的技术特征的一部分或全部均可应用于该装置。
图I是概略地表示作为本发明的第I实施例的光谱推断参数生成装置的结构的说明图。图2是表示光谱推断参数生成处理的流程图。图3是概略地表示多谱段照相机的内部结构的说明图。图4是表示在光谱推断参数生成处理的步骤S130执行的照相机输出信号的计算处理的流程图。图5是图式化表示照相机输出信号的计算处理的前半部分的说明图。 图6是图式化表示照相机输出信号的计算处理的后半部分的说明图。图7是概略地表示光谱图像处理装置及其外围装置的说明图。图8是表示权重系数与波长的关系的曲线图。图9是表示第2实施例中的光谱推断参数生成处理的流程图。符号说明10…CPU，12…初始值设定部，14···照相机输出计算部，16···参数候选值计算部，18…评价函数控制部，30…R0M，40…RAM，60···输出接口，100…光谱推断参数生成装置，200…光谱计测器，300…监视器，400…多谱段照相机，410···透镜单元，420…波长可变滤光器，450…光源单元，500…光谱图像处理装置，510··· CPU, 512···测定段指示部，514…光谱推断部，516···检测/诊断部，530…存储器，550…输入输出接口，600…多谱段照相机，700···显示装置，C…监视器显示色光谱特性，ET…滤光器光谱灵敏度，H)…光电二极管光谱灵敏度，M…光谱推断参数，D···照相机输出信号，S…照相机光谱灵敏度，I…光谱分布，F…评价函数，T…被摄体，BD…中心波长数据。
具体实施例方式以下，基于实施例说明本发明的实施方式。A.第I实施例A-1.光谱推断参数生成装置图I是概略地表示作为本发明的第I实施例的光谱推断参数生成装置100的结构的说明图。如图所示，光谱推断参数生成装置100与光谱计测器200电连接。光谱推断参数生成装置100具备通过执行计算机程序来进行各种处理和/或控制的CPUlO ;存储计算机程序和/或数据、信息的ROM(存储器、存储部)30 ;作为临时数据的存放处的RAM40 ;输入接口(I/F)50 ;以及输出接口(I/F)60。光谱推断参数生成装置100经由输入接口(I/F)50取得由光谱计测器200计测的光谱分布数据。R0M30是存储各种计算机程序和/或各种数据的只读存储器。作为计算机程序，预先存储有光谱推断参数生成处理用的程序。作为各种数据，如图所示，预先存储有用于光谱推断参数的生成的滤光器光谱灵敏度ET、光电二极管光谱灵敏度H)和监视器显示色光谱特性C的各数据。关于这些ET、PS、C，将在后文详述。RAM40为可读写的存储器。
CPU10，通过执行R0M30中存储的光谱推断参数生成处理用程序，在功能上实现初始值设定部12、照相机输出计算部14、参数候选值计算部16和评价函数控制部18。通过依次实现各部12 18，CPUlO基于从光谱计测器200得到的光谱分布数据生成光谱推断参数M，并将该生成的光谱推断参数M与中心波长数据BD (后述)一起保存在RAM40中。光谱计测器200是公知的设备，其使来自被计测体的光通过光谱器，并由摄像元件的摄像面承接从光谱器输出的光谱，由此计测表示所述被计测体对于波长的特性的光谱分布，在此，将被计测体设定为监视器300的画面。监视器300同时在一个画面显示多个色卡。各色卡是出射预定波长范围(例如可见光380nm 780nm)内的不同波段的光的色样本，例如准备100个或200个。光谱计测器200计测监视器300所显示的每个色卡的光谱分布。另外，监视器300可以在画面上显示一个或多个(使用的多个色卡中的几个)色卡。在这种情况下，顺序地反复显示不同的色卡， 将使用的色卡全部进行显示。另外，本实施例中多个色卡以监视器300的彩色显示的形式提供，但是也可代之设定为下述构成准备具有各种颜色的比色图表，通过用光源照射该比色图表来提供多个色卡。即，在本实施例中，光谱计测器200将监视器300发出的色光作为色卡进行计测，相对于此，在使用比色图表的情况下，将来自比色图表的反射光作为色卡进行计测。A-2.光谱推断参数生成处理如上文所述，通过由CPUlO执行R0M30中存储的光谱推断参数生成处理用程序来实现光谱推断参数生成处理。图2是表示光谱推断参数生成处理的流程图。如图所示，若处理开始，则CPUlO驱动光谱计测器200，取得由光谱计测器200计测的光谱分布数据I (步骤S110)。使用光谱计测器200的计测，通过用光谱计测器200拍摄监视器300上显示的各个色卡来进行。执行了步骤SllO后，CPUlO进行对中心波长数据BD设定初始值的处理，所述中心波长数据BD可确定要用多谱段照相机进行拍摄的波段(步骤S120)。为了说明“多谱段照相机”、“中心波长数据”，关于多谱段照相机的结构作如下说明。图3是概略地表示多谱段照相机400的内部结构的说明图。如图所示，多谱段照相机400具备透镜单元410、波长可变滤光器420、CCD430、CCDAFE (Analog Front End,模拟前端)440和光源单元450等。透镜单元410不具备将焦距对准被摄体T (被计测体)的自动对焦机构，但是也可采用具有自动对焦机构的装置。波长可变滤光器420采用可改变透射波段的液晶标准具型(法布里-珀罗型)的滤光器。(XD430是对透射过波长可变滤光器420的光进行光电变换而得到表示被摄体像的电信号的摄像器件。CCDAFE440是用于将CCD430的检测信号数字化的装置。光源单元450用来照射被摄体T。上述结构的多谱段照相机400由波长可变滤光器420从外部按顺序接受进行拍摄的波段的指示，由此依次改变波长可变滤光器420的透射波段。这样，多谱段照相机400能够以多个波段(多谱段)的灵敏度拍摄被摄体T。返回到图2，在步骤S120设定初始值的中心波长数据BD，是用来对多谱段照相机400的波长可变滤光器420进行指示的数据，用来确定由多谱段照相机400进行拍摄的多个波段(以下称为“谱段”)。本实施例中，设定用中心波长来确定各谱段。作为初始值，准备380nm、385nm、......、780nm、即从380nm开始以5nm间隔到780nm的81个数据，将该初始值
设定为中心波长数据BD。另外，中心波长数据BD的初始值不必限于上述的81个数据，而可以设定为IOnm间隔的41个数据，只要是多个则几个都可。此外，不必一定是等间隔的数据。进而，范围也不必限于可见光的范围，而可以设定为包含380nm IlOOnm这样的红外光的范围内的数据。进而，置换利用中心波长确定各谱段的结构，而既可以设定为利用各谱段的开始点的波长来确定的结构，也可以设定为利用各谱段的结束点的波长 来确定的结构。中心波长数据BD相当于“发明内容”部分中记载的“谱段指示用数据”。接着，CPUlO执行计算与中心波长数据BD相应的照相机输出信号D的处理(步骤S130)。照相机输出信号D是在使用多谱段照相机400在由中心波长数据BD确定的各谱段拍摄被摄体T时得到的多谱段图像的信号值，通过以下方式求出。图4是用于详细说明在步骤S130执行的照相机输出信号D的计算处理的流程图。如图所示，若处理转移到该计算处理，则CPUlO进行从R0M30读出与中心波长数据BD相应的滤光器光谱灵敏度ET的处理(步骤S132)。具体而言，R0M30中存储有以380nm到780nm的任意波长(例如，每隔Inm的波长)为中心波长的每个谱段的标准具的灵敏度。在步骤S132，从这多个标准具的灵敏度中选择出与中心波长数据BD的各值对应的各标准具的灵敏度，将它们的集合作为滤光器光谱灵敏度ET从R0M30读出。另外，R0M30中预先存储的标准具的各灵敏度是依赖于多谱段照相机400的机型的数据，是多谱段照相机400的该机型用的灵敏度。图5和图6是图式化表示步骤S130中的照相机输出信号D的计算处理的说明图。在步骤S132从R0M30读出的滤光器光谱灵敏度ET，由图5(a)的曲线图示出。如该图所示，滤光器光谱灵敏度ET示出从谱段I到谱段m的各波段的灵敏度。m是在步骤S120设定的初始值所包含的数据的个数即81。谱段I是以380nm为中心的预定宽度的波段，谱段2是以385nm为中心的预定宽度的波段，......，谱段m是以780nm为中心的预定宽度的波段。在执行了图4的步骤S132后，CPUlO进行从R0M30读出光电二极管光谱灵敏度PD的处理(步骤S134)。光电二极管光谱灵敏度H)是构成多谱段照相机400中所具备的CCD230的元件(光电二极管)的灵敏度，如图5(b)所示，该灵敏度随着波长加大而增大。另外，R0M30中存储的光电二极管光谱灵敏度H)是依赖于多谱段照相机400的机型的数据，是多谱段照相机400的该机型用的灵敏度。接着，CPUlO对在步骤S132读出的滤光器光谱灵敏度ET乘以在步骤S134读出的光电二极管光谱灵敏度PD，由此求出多谱段照相机400的光谱灵敏度(以下称为“照相机光谱灵敏度”)S (步骤S136)。另外，照相机光谱灵敏度S也依赖于多谱段照相机400的机型。这样得到的照相机光谱灵敏度S是将图5(a)和图5(b)相乘而得到的，因此成为图5(c)所示的特性。这样的照相机光谱灵敏度S能够如下式(I)所示表示为将mXn的矩阵转置而得到的矩阵，此外，能够如下式(2)所示进行表示。这里，m如上所述为谱段数，η为监视器300所显示的色卡数。数学式I
权利要求
1.一种光谱推断参数生成装置，其生成光谱推断参数，该光谱推断参数用于根据从驱动波长可变滤光器而在多个波段的各个拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像，推断所述被摄体的光谱反射率谱，所述光谱推断参数生成装置具备 初始值设定部，其对用于确定所述多个波段的谱段指示用数据设定初始值； 光谱计测器，其计测关于多个色卡的各个的光谱分布； 照相机输出计算部，其基于通过所述谱段指示用数据确定了所述多个波段时的所述多谱段照相机的光谱灵敏度和来自所述各色卡的光的光谱特性计算照相机输出信号，所述照相机输出信号表示按每个所述色卡从所述多谱段照相机输出的多谱段图像； 参数候选值计算部，其基于通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布和通过所述照相机输出计算部计算的照相机输出信号计算所述光谱推断参数的候选值； 评价函数控制部，其使所述谱段指示用数据从所述初始值开始依次变化以使得评价函数接近目标值，并求出与所述评价函数达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据对应的光谱推断参数，所述评价函数定义在通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布与基于所述光谱推断参数的候选值及所述照相机输出信号计算的光谱推断值之间；以及存储部，其存储通过所述评价函数控制部求出的所述光谱推断参数和达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据。
2.权利要求I所述的光谱推断参数生成装置，其中 所述评价函数控制部具有使所述光谱推断参数的候选值依次变化的结构。
3.权利要求I所述的光谱推断参数生成装置，其中 所述评价函数包含使用了颜色匹配函数的权重系数。
4.权利要求广3中任一项所述的光谱推断参数生成装置，其中 所述评价函数通过所述光谱推断值相对于每个所述色卡的光谱分布的误差的平方范数而定义。
5.一种光谱推断装置，其根据从驱动波长可变滤光器而在多个波段的各个拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像，推断所述被摄体的光谱反射率谱，具备 推断装置侧存储部，其存储用于推断所述被摄体的光谱反射率谱的光谱推断参数和用于确定所述多个波段的谱段指示用数据； 谱段指示部，其通过将存储于所述推断装置侧存储部的所述谱段指示用数据传送至所述多谱段照相机，对所述多谱段照相机指示要拍摄的多个波段； 多谱段图像取得部，其从所述多谱段照相机取得在所述各波段拍摄的多谱段图像；以及 光谱运算部，其使用存储于所述推断装置侧存储部的光谱推断参数，根据所述多谱段图像运算所述光谱反射率谱。
6.一种光谱推断参数生成方法，其生成光谱推断参数，该光谱推断参数用于根据从驱动波长可变滤光器而在多个波段的各个拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像，推断所述被摄体的光谱反射率谱，所述光谱推断参数生成方法包括 对用于确定所述多个波段的谱段指示用数据设定初始值； 通过光谱计测器计测关于多个色卡的各个的光谱分布； 基于通过所述谱段指示用数据确定了所述多个波段时的所述多谱段照相机的光谱灵敏度和来自所述各色卡的光的光谱特性，计算照相机输出信号，所述照相机输出信号表示按每个所述色卡从所述多谱段照相机输出的多谱段图像； 基于通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布和所述照相机输出信号计算所述 光谱推断参数的候选值； 使所述谱段指示用数据从所述初始值开始依次变化以使得评价函数接近目标值，并求出与所述评价函数达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据对应的光谱推断参数，所述评价函数定义在通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布和基于所述光谱推断参数的候选值和所述照相机输出信号计算的光谱推断值之间；以及 将所述求出的所述光谱推断参数和达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据存储于存储部。
全文摘要
本发明公开了光谱推断参数生成装置和方法以及光谱推断装置，该光谱推断参数生成装置和方法利用光谱计测器计测多个色卡的光谱分布，对多谱段照相机的谱段指示用数据设定初始值，基于通过谱段指示用数据确定时的照相机的光谱灵敏度和来自各色卡的光的光谱特性计算照相机输出信号，根据每个色卡的光谱分布和照相机输出信号计算光谱推断参数的候选值，使谱段指示用数据从初始值开始依次变化以使得评价函数接近目标值，求出并存储达到目标值时的光谱推断参数，所述评价函数定义在每个色卡的光谱分布与根据光谱推断参数的候选值及照相机输出信号计算的光谱推断值之间。
文档编号G01J3/28GK102788642SQ20121015494
公开日2012年11月21日 申请日期2012年5月17日 优先权日2011年5月20日
发明者荒井佳文 申请人:精工爱普生株式会社
专业数控铣床产品供应商
20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
