物體表面顏色測量裝置與方法
【專利摘要】一種物體表面顏色測量裝置與方法，該裝置由光投影模塊、數(shù)碼相機、控制處理模塊、控制線與傳輸線構(gòu)成。所述光投影模塊通過控制線與控制處理模塊相連，所述數(shù)碼相機通過傳輸線與控制處理模塊相連，由所述控制處理模塊指令光投影模塊對待測物體進行時序紅綠藍照明，由所述控制處理模塊指令數(shù)碼相機采集待測物體在紅綠藍三種照明狀態(tài)下的圖像，數(shù)碼相機采集到的圖像經(jīng)由傳輸線返回控制處理模塊進行儲存分析。利用色品坐標已知的標準色卡對測量裝置進行標定，通過對比標準色卡與待測物體對紅綠藍三色光照明的反射情況確定待測物體的表面顏色。本發(fā)明測量效率高、使用方便、成本低，可實現(xiàn)高精度的顏色測量。
【專利說明】物體表面顏色測量裝置與方法【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及顏色測量領(lǐng)域，具體地說是涉及一種分析和測量物體表面顏色的裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在許多情況下，人們往往需要對物體表面的顏色進行快速而客觀的測量。在進行汽車噴漆或者產(chǎn)品制造質(zhì)量管控時，人們又需要在不同的物體之間進行顏色比對。隨著社會的進一步發(fā)展，顏色產(chǎn)品已經(jīng)滲透到工業(yè)生產(chǎn)和日常生活的各個方面，故對顏色測量和評價的需求日益增長。傳統(tǒng)的顏色測量的方法分為目視測色和儀器測色兩大類，其中儀器測色包括分光光度法和光電積分法。目視測色法通過人眼對樣品顏色與標準顏色進行直接的視覺比較，要求操作人員具有豐富的顏色觀察經(jīng)驗和敏銳的判斷力，但是觀測過程中仍受主觀因素影響，效率不高。分光光度法主要測量物體的反射光譜或自身光度特性，然后由這些光譜測試數(shù)據(jù)計算求得物體的三刺激值。光電積分法是通過把光電探測器的光譜響應匹配成所要求的CIE標準顏色觀察者光譜三刺激值曲線或者某一特定的光譜響應函數(shù)，從而對探測器接收到的光譜能量進行積分測量。上述兩種儀器價格昂貴操作復雜，限制了其進一步的推廣應用。
[0003]對于二維物體表面的光譜測量，可以采用點掃描的方式。逐點獲取待測物體表面的光譜信息，組合拼接后得到待測物體的二維光譜信息。這種方式可以高精度地得到物體表面的光譜信息，但缺點是速度慢效率較低。當然，也可以采用線掃描的方式，即一次獲取一條掃描線上的光譜信息再組合得到待測物體的二維光譜信息。這種方式的測量速度比點掃描方式提高了很多倍，但是仍然需要用掃描的方式得等到二維物體的光譜信息。無論是點掃描或線掃描方式，都無法實時一次性獲取物體表面的二維成像信息。另一方面，以往的面陣探測器又無法獲得物體表面的光譜信息。這就是俗稱的“光譜不成像，成像不光譜”的困境。傳統(tǒng)的彩色面陣探測 器可以得到物體表面的彩色信息，但這個方法得到的僅僅是通過紅綠藍三個濾光片波段的光強值，不是嚴格意義上科學分辨的精細光譜信息。
[0004]National Research Council of Canada在專利US005708498A中提出了一種基于光學三角測距原理的彩色三維成像儀。采用一束含有多組分波長的復色光束掃描待測物體表面，反射光束隨后被分裂為兩束。一束照射到傳感器陣列上確定它們的相對位置，另一束經(jīng)棱鏡分光后入射至顏色敏感光探測器上獲得代表著反射光束的近似顏色組合物的數(shù)據(jù)。目標表面的顏色和輪廓從位于傳感器上的子光束的相對位置確定。這種技術(shù)是真實的彩色掃描，它在獲得物體表面指定點的三維坐標的同時獲取了該點的顏色信息，但是它采取的多波長逐點掃描的方式導致此法數(shù)據(jù)采集效率偏低。
[0005]專利200780049991.0提出了一種用于材料的顏色測量或其他光譜測量的系統(tǒng)與方法，其包括照明器、檢測器、控制器與分析器。照明器由一個或多個LED組成，產(chǎn)生用于照明材料樣本的光。檢測器(光譜儀)檢測已與樣本發(fā)生相互作用的光并且測量之?？刂破髡{(diào)控LED的占空比以控制對樣本的照明。分析器利用測量數(shù)據(jù)確定該樣本的光譜特征。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本公開文本提出一種用于物體表面顏色測量裝置與方法，該裝置和方法具有測量效率高、使用方便、成本低的特點，可實現(xiàn)高精度的顏色測量。
[0007]本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下:
[0008]一種物體表面顏色測量裝置，包括:光投影模塊、數(shù)碼相機與控制處理模塊。光投影模塊包含紅綠藍三色光源、光束整形裝置、光束散斑抑制裝置、反射鏡、合色棱鏡、分光棱鏡、中繼透鏡、空間光調(diào)制器與投影鏡頭等器件，可對待測物體進行紅綠藍三色均勻照明。數(shù)碼相機用于采集各種照明狀態(tài)下待測物體的圖像?？刂铺幚砟K控制紅綠藍三色光源的開關(guān)與功率以及數(shù)碼相機的開啟與關(guān)閉，還進一步對數(shù)碼相機采集的圖像與標定數(shù)據(jù)等進行儲存分析并輸出結(jié)果?？刂铺幚砟K可以包括用于確定待測物體表面顏色的任何硬件、軟件、固件或其組合。
[0009]一種物體表面顏色測量裝置方法，具體步驟如下:光投影模塊對待測物體進行紅色均勻照明，與此同時數(shù)碼相機采集待測物體圖像，關(guān)閉紅光光源；保持光投影模塊、待測物體與數(shù)碼相機相對位置不變，進行綠色均勻照明采集待測物體圖像，關(guān)閉綠光光源；保持光投影模塊、待測物體與數(shù)碼相機相對位置不變，進行藍色均勻照明采集待測物體圖像，關(guān)閉藍光光源。控制處理模塊儲存上述三幅圖像，將紅綠藍三幅圖像中需要測量區(qū)域內(nèi)各像素的紅綠藍亮度值Ik(X，y): Ig(x, y): Ib(x, y)與預先針對色品坐標已知的標準色卡的標定結(jié)果進行分析比對，最終得出需要測量區(qū)域各像素的色品坐標。
[0010]本發(fā)明發(fā)技術(shù)效果如下:
[0011]以往獲得光譜信息的方法均需要采用光譜分光元件，如棱鏡、光柵或濾光片等，本發(fā)明是一種無需光譜分光元件就能獲取物體表面光譜信息的方法。本方法采用紅綠藍三色光源在不同時刻照射同一物體表面。這樣就可以得到同一物體表面在不同顏色光源照明下的二維反射光強分布圖。由于三色光源的功率PK，PG, Pb可以設定，通過和標準色卡的比對定標就可以確定物體表面顏色。由于目前激光器的頻率可以做得很高，這樣就可以快速地得到物體的精確顏色信息。每一次不同的光源照射后得到的二維圖像均可用于計算得到最終的二維光譜圖像。因此，本方法二維光譜圖像采集效率很高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明用于物體表面顏色測量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0013]圖2是基于激光光源的光投影模塊內(nèi)部構(gòu)造示意圖。
[0014]圖3是基于LED光源的光投影模塊內(nèi)部構(gòu)造示意圖。
[0015]圖4是實測與標定過程流程圖。
【具體實施方式】
[0016]下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進一步說明，但不應以此限制本發(fā)明的保護范圍。
[0017]如圖1所示，該物體表面顏色測量裝置包括一個光投影模塊1，用于產(chǎn)生具有合適波長或光譜的光束以照明待測物體6。光源包括激光、LED或適合本應用的其他光源。所述光投影模塊I通過控制線4與控制處理模塊3相連，光源可以按控制處理模塊3給出的功率以連續(xù)或者脈沖的方式點亮和關(guān)閉，發(fā)出或者不發(fā)出具有一定光譜特征的光。數(shù)碼相機2用于采集在各種照明狀態(tài)下其視場范圍內(nèi)的待測物體6的二維反射光強分布，所述數(shù)碼相機2通過傳輸線5與控制處理模塊3相連。所述的控制處理模塊3對數(shù)碼相機2采集的圖像與標定數(shù)據(jù)等進行儲存分析并輸出結(jié)果?？刂铺幚砟K3包括用于確定待測物體表面顏色的任何硬件、軟件、固件或其組合。待測物體6包括需要測量顏色的各種物體，諸如色卡、涂料、紡織品、紙張，工藝品與大部分塑料等。
[0018]如圖2所示，光投影模塊I選用激光光源。紅綠藍三色激光器分別以11、12、13標識，14、15、16分別為對應紅綠藍三色激光的光束整形裝置，17、18、19分別為對應紅綠藍三色激光的光束散斑抑制裝置。光束整形裝置14、15、16實現(xiàn)對激光束的擴束準直，使光束形狀與空間光調(diào)制器24相匹配。光束散斑抑制裝置17、18、19減輕由于激光的高相干性而產(chǎn)生的散斑對投影畫質(zhì)的影響。抑制散斑的方法包括通過運動的漫射體減弱相干性，減弱時間域空間相干性，用時間相干性破壞空間相干性以及滿足本應用要求的其他散斑抑制方法。經(jīng)過整形與消散斑后的光束經(jīng)反射鏡20、22與合色棱鏡21最終合成為一束光，該光束經(jīng)中繼透鏡23照射至空間光調(diào)制器24上被其調(diào)制，最終經(jīng)投影鏡頭25出射。
[0019]如圖3所示，光投影模塊I選用LED光源。紅綠藍三色LED器31、32、33，分別為對應紅綠藍三色LED的光束整形裝置34、35、36。光束整形裝置34、35、36實現(xiàn)對LED出射束的擴束準直，使光束形狀與空間光調(diào)制器40相匹配。光束整形裝置包括復眼透鏡、微透鏡陣列、光棒、自由曲面以及滿足本應用要求的其他光束整形方法。經(jīng)過整形后的光束經(jīng)二向色鏡37、38后最終合成為一束光，該光束經(jīng)分光棱鏡39照射至空間光調(diào)制器40上被其調(diào)制，最終經(jīng)投影鏡頭25出射?？臻g光調(diào)制器包括硅基液晶、數(shù)字微鏡元件以及滿足本應用要求的其他空間光調(diào)制器。
[0020]顏色匹配實驗證明，任何一個顏色可以用線性無關(guān)的三個原色以適當?shù)谋壤嗉踊旌吓c之匹配。用方程表示為
【權(quán)利要求】
1.一種物體表面顏色測量裝置，其特征在于該裝置由光投影模塊(1)，數(shù)碼相機(2)、控制處理模塊(3)、控制線(4)、傳輸線(5)組成，各部件的連接關(guān)系是:所述光投影模塊(I)通過控制線(4 )與控制處理模塊(3 )相連，所述數(shù)碼相機(2 )通過傳輸線(5 )與控制處理模塊(3 )相連，由所述控制處理模塊(3 )指令光投影模塊(I)對待測物體(6 )進行時序紅綠藍照明，由所述控制處理模塊(3)指令數(shù)碼相機(2)采集待測物體(6)在紅綠藍三種照明狀態(tài)下的圖像，數(shù)碼相機(2)采集到的圖像經(jīng)由傳輸線(5)返回控制處理模塊(3)進行儲存分析，所述控制處理模塊(3 )具有圖像采集接口、光源控制接口與圖像處理軟件。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的物體表面顏色測量裝置，其特征在于所述的光投影模塊(I)包括紅光激光光源(11 )、綠光激光光源(12)、藍光激光光源(13)，所述的紅光激光光源(11)出射的光束分別經(jīng)紅光光束整形裝置(14)、紅光光束消散斑裝置(17)和第一反射鏡(20)射入合色棱鏡(21)，所述的綠光激光光源(12)出射的光束分別經(jīng)綠光光束整形裝置(15)、綠光光束消散斑裝置(18)射入合色棱鏡(21)，所述的藍光激光光源(13)出射的藍光光束經(jīng)藍光光束整形裝置(16)、藍光光束消散斑裝置(19)和第二反射鏡(22)射入合色棱鏡(21)，經(jīng)所述的合色棱鏡(21)整合為同路光束出射，該光束經(jīng)中繼透鏡(23)、空間光調(diào)制器(24)、投影鏡頭(25)投射至待測物體(6)表面。所述的光投影模塊(I)中還包括其他部件，諸如:電路板、機械結(jié)構(gòu)、散熱裝置等。
3.根據(jù)權(quán)利要 求1所述的物體表面顏色測量裝置，其特征在于所述的光投影模塊(I)包括紅光LED光源(31)、綠光LED光源(32 )、藍光LED光源(33 )，所述的紅光LED光源(31)出射的光經(jīng)紅光光束整形裝置(34)整形后透過第一二向色鏡(37 )第二二向色鏡(38 )進入分光棱鏡(39 )，所述的綠光LED光源(32 )出射的綠光經(jīng)綠光光束整形裝置(35 )、第一二向色鏡(37)反射、透過第二二向色鏡(38)進入分光棱鏡(39)，所述的藍光LED光源(33)出射的藍光經(jīng)藍光光束整形裝置(36)、第二二向色鏡(38)反射進入所述的分光棱鏡(39)，三者合成為同路光束經(jīng)分光棱鏡(39)、空間光調(diào)制器(40)、投影鏡頭(25)投射至待測物體(6)表面。所述的光投影模塊(I)中還包括其他部件，諸如:電路板、機械結(jié)構(gòu)、散熱裝置等。
4.利用權(quán)利要求1所述的物體表面顏色測量裝置進行物體表面顏色測量方法，其特征在于該方法包括利用色品坐標已知的標準色卡對測量裝置進行標定，實測待測物體(6)對紅綠藍三色光照明的反射情況，對比標準色卡與待測物體(6)對紅綠藍三色光照明的反射情況確定待測物體(6)的表面顏色。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體表面顏色測量方法，其特征在于所述的利用色品坐標已知的標準色卡對系統(tǒng)進行標定，步驟如下: ①開啟所述的光投影模塊(I)的紅色光源照明所述的已知色品坐標為(X ( λ )，y ( λ )，Z ( λ ))的標準色卡，所述的數(shù)碼相機(2)采集紅光照明下標準色卡的數(shù)字圖像Ικ(λ)并儲存在控制處理模塊(3)，關(guān)閉紅光光源； ②保持所述的光投影模塊(I)、標準色卡與數(shù)碼相機(2)相對位置不變，開啟光投影模塊(I)的綠色光源照明標準色卡，所述的數(shù)碼相機(2)采集綠光照明下標準色卡的數(shù)字圖像Ie(X)并儲存在控制處理模塊(3)，關(guān)閉綠光光源； ③保持所述的光投影模塊(I)、標準色卡與數(shù)碼相機(2)相對位置不變，開啟光投影模塊(I)的藍色光源照明標準色卡，所述的數(shù)碼相機(2)采集藍光照明下標準色卡的數(shù)字圖像ΙΒ(λ)并儲存在控制處理模塊(3)，關(guān)閉藍光光源；④所述的控制處理模塊(3)儲存數(shù)碼相機采集的標準色卡在紅、綠、藍三色照明下亮度圖像Ικ(λ)，I(A)g, Ι(λ)Β，標準色卡色品坐標(χ(λ)，y(λ)，z(λ))與標準色卡紅綠藍圖像亮度值IKU)，I(A)e, Ι(λ)Β之間存在對應關(guān)系； ⑤更換若干個色品坐標已知的其他顏色的標準色卡，重復①~④步，建立若干個顏色色品坐標與紅綠藍圖像亮度值之間的對應關(guān)系，利用該數(shù)據(jù)建立起顏色色品坐標與紅綠藍圖像亮度值之間的函數(shù)關(guān)系。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的物體表面顏色測量方法，其特征在于所述的實測待測物體(6)對紅、綠、藍三色光照明的反射情況的步驟如下: ①開啟所述的光投影模塊(I)的紅色光源照明待測物體(6)，所述的數(shù)碼相機(2)采集紅光照明下待測物體(6)的數(shù)字圖像八并儲存在控制處理模塊(3)，關(guān)閉紅光光源； ②保持所述的光投影模塊(I)、待測物體(6)與數(shù)碼相機(2)相對位置不變，開啟光投影模塊(I)的綠色光源照明待測物體(6)，所述的數(shù)碼相機(2)采集綠光照明下待測物體(6)的數(shù)字圖像/;并儲存在控制處理模塊(3)，關(guān)閉綠光光源； ③保持所述的光投影模塊(I)、待測物體(6)與數(shù)碼相機(2)相對位置不變，開啟光投影模塊(I)的藍色光源照明待測物體(6)，所述的數(shù)碼相機(2)采集藍光照明下待測物體(6)的數(shù)字圖像//并儲存在控制處理模塊(3)，關(guān)閉藍光光源； ④待測物 體(6)紅綠藍三色圖像中需測量區(qū)域內(nèi)某像素紅、綠、藍亮度值分別為/"'(X, V), /(,'(X, V), I1I (.V, V)，通過色品坐標(X ( λ )，y ( λ )，Z ( λ ))與紅綠藍圖像亮度值ΙΕ(λ), I(A)g, K λ )Β之間的函數(shù)關(guān)系，檢索出該像素色品坐標； ⑤重復第④步直至獲取需要測量區(qū)域內(nèi)各像素的色品坐標。
【文檔編號】G01J3/46GK103630240SQ201310566568
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月14日
【發(fā)明者】周常河, 劉昆, 王少卿, 韋盛斌, 李樹斌, 朱鋒, 黃巍 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所