一种测量商业数码相机光谱响应的方法

    由于计算机的发展,数字化图像和处理技术被广泛地用于显示、传输和复制过程。数码相机是采集用于计算机处理和通讯的数字化彩色图像的有力工具。近年来,数码相机以其高分辨率、方便、快捷、处理软件丰富和高的性能价格比等特点受到了人们的广泛关注,已经成为主要的数字图像的采集工具之一,被应用于各种场合。在科学和工程领域,高性能的数码相机已经成为标准的图像采集设备。在颜色科学和工程研究中,数码相机也被广泛地用于颜色测量、多光谱图像的颜色复制[1]、光谱测量[2 3]和产品分类检验等场合。

    光学变换和在可见光范围内的光谱响应特性直接影响到彩色数码相机的性能。数码相机的光谱响应一般包括这样一些部分:辅助的光谱滤镜(例如:红外截止滤镜),彩色滤色片阵列(CFA)和图像传感器(CCD)。如果数码相机可以响应全波段可见光,那么就可以用于各种场合,例如机器视觉、颜色复制和视频、图像信号处理等。在应用研究中,首先需要知道该型号数码相机的光谱响应。一般来讲,带有数字接口的专业CCD,其光谱响应由厂家提供,但价格昂贵。为了降低成本,提高实用性,国外已经有人提出在多光谱颜色复制、数码相机颜色测量等研究中采用商业彩色数码相机。而商业数码相机由于其非专业性,一般不提供光谱响应曲线,且除了RGB输出以外,没有更多的信号输出。

    1 数码相机模型

    为了预测数码相机对输入光谱能量分布的响应,需要一个数码相机模型。假设数码相机的曝光量设置在手动档,在数码相机拍摄任意的颜色刺激时有:

    这里,L(K)是成像在像素上的光谱能量分布,即颜色刺激函数;Q(m)数码相机第m个通道的数字输出,R(m)(K)是我们要测量的数码相机第m个通道的光谱响应函数。这里有一个关键的假设:相机的输入/输出响应是线性的。

    2 相对光谱响应的获取

    为了获得有效数据,设计了一套实验装置,来测量数码相机的光谱响应,见图1。

    采用WDG30光栅单色仪在可见光380~780nm波长范围内产生单色波长的谱线图像。光栅单色仪原理如图1左边部份:

    在实验中,R(m)(K)这一波长的连续函数被离散化处理,采用PhotoResearch 1980B分光辐射计,每隔10nm测量单色光谱的辐射率。同时,数码相机拍摄下该单色光谱的图像,得到线性响应Q(m)。这样,函数L(K)可以写成矢量L,R(m)(K)成为矢量R(m),(1)式改写为:

Q(m)= cLT•R(m), m = r,g,b (2)

    2.2单色仪的标定

    为了保证单色仪的显示读数与实际输出的波长一致,我们用钠灯和汞灯反复标定单色仪。再用PR1980B实际测量了单色光谱的辐射率,最大辐射率所对应的峰值波长与单色仪的实际输出相符。测量数据显示,WDG30光栅单色仪的显示读数与实际输出的波长有较好的一致性,误差不超过2nm,如表1所示。