用于印刷品的宽幅面高光谱颜色测量系统研究

高光谱成像技术是高光谱颜色测量系统的基础，最早被用于遥感领域，基于该技术的高光谱成像仪近年来被用于研究测量物体颜色。研究获取高光谱图像的工具，并结合相关算法聚焦于提高颜色测量的准确性，忽略了高光谱成像装置本身的性能参数以及光照条件等环境因素对颜色测量的影响。

本工作首先构建印刷品色度仪器指标需求分析模型，确定了主要性能参数，并由此研制了基于凸面衍射光栅分光组件的推扫式宽幅色度成像装置。经过波长定标和反射率定标就可开展色度测量，色板测量实验验证其用于印刷品颜色测量领域的可行性，为高光谱成像技术在印刷品颜色测量的应用提供了理论参考和实验依据。

01工作原理

成像光谱仪具有图谱获取能力，通过归一化反射光谱数据处理可以反演各种照明条件下的物体颜色。基于研制的成像光谱仪构建推扫式宽幅色度成像装置，硬件主要由ＬＥＤ光源、像方远心前置物镜、分光组件、ＣＣＤ探测器、伺服直线移动平台和计算机组成。ＬＥＤ光源提供均匀覆盖可见光范围的稳定照明，并满足45°／0°照明几何条件。前置物镜对被照明的印刷品表面高清晰成像，把收集的光信号汇集到分光组件的入射狭缝上。分光组件将入射的光线经准直、分光、汇聚后，在探测器上可得到被测印品的一个条带的色散谱线。狭缝在被测面的共轭长度形成成像幅宽，伺服平台带动印刷品或仪器作相对扫描运动，移动距离决定了成像幅长。

图1ＰＢＣＩＤ测色处理流程图

02实验部分

2.1实验装置

图2所示为实验室搭建的ＰＢＣＩＤ示逾图。该装置主要由自研的凸面衍射光栅分光组件、ＣＣＤ探测器、23ｍｍ像方远心前置物镜，两个ＬＥＤ线光源以及伺服直线移动平台组成。

图2 ＰＢＣＩＤ示意图

2.2 评价指标

在颜色科学的光谱测量应用中，通常会使用光谱精度和色度精度来评估测量的准确性。光谱精度关注光谱曲线的一致性，而色度精度基于人眼感知来评估光谱在特定条件下的颜色一致性。

光谱精度通过光谱均方根误差（ＲＭＳＥ）和光谱拟合优度系数（ＧＦＣ）来衡量。ＲＭＳＥ反映了各波长光谱反射率的平均数值差异，而ＧＦＣ则评估两条光谱曲线形状的相似度，各自的计算公式如式（1）和式（2）。

式（1）和式（2）中，Ｒ１和Ｒ２分别代表标准仪器与高光谱颜色测量系统所测得的光谱反射率向量，Ｎ为波长范围，Ｔ表示转置。较低的ＲＭＳＥ值表明两条反射率的整体误差较小，而接近１的ＧＦＣ值则表明两条曲线的形状非常匹配。

色度精度则用色差ΔＥ00和均匀性系数（ＵＬ）来评估。色差ΔＥ00衡量两个颜色之间的差异，均匀性系数评估同一颜色在不同区域或角度上的颜色一致性。均匀性系数（ＵＬ）定义为式（3）中，Ｍ和Ｎ分别为空间维像元的行数和列数，ＣＨi，j为第ｉ行ｊ列像元的亮度或色度值。ＵＬ值越小，颜色分布越均匀。

03实验结果

利用PBCID单次扫描46.5ｃｍ×20.8ｃｍ的印刷品［如图3（a）所示］，通过拉普拉斯金字塔融合算法拼接成如图3（b）所示的宽幅印刷品推扫结果，随机选取一块区域，PBCID和CM-700d测得的色差小于2.9。从《潘通CMYK指南》中选取了包括青色、品红色和蓝色等在内的七类颜色，PBCID推扫得到七类颜色的色卡如图4所示，从每个类别中选取一个颜色并标号为①—⑦。将高光谱图像中七个颜色.

图3（ａ）宽幅印刷品推扫实验现场图；（ｂ）宽幅印刷品推扫结果图

图4 ＰＢＣＩＤ推扫色卡所得图像

04结论

基于印刷品色差检测需求，提出以印刷三原色混合反射率为基础建立三刺激值影响分析模型，并据此确定印刷品色度测量的关键指标。光谱分辨率需要小于10ｎｍ，高准确性测量时小于6ｎｍ。光谱弯曲和色畸变需要严格控制，谱线弯曲在10％光谱ＦＷＨＭ左右和色畸变在5％空间维像元左右，印刷品图案颜色变化快时，色差影响变大。

在低于400ｎｍ和高于700ｎｍ的光谱波段，商用白光ＬＥＤ光源能量较弱，可以考虑引入补偿光源以增强两端波段测量的信噪比，同时需要考虑照明的时间变化和杂散光对测量的影响。设计了基于凸面衍射光栅的分光组件，分析及测量结果显示，控制成像光谱仪各单项指标对色差的影响在0.3以内能够在颜色测量上实现ΔＥ00≤３的高准确性。颜色测量系统经多块反射率板直接定标后减小了辐射定标误差，提高了色度测量均匀性，在平均ＳＮＲ高于200时能够高效地评估印刷品的色彩质量，且对光源变化具有很强的鲁棒性。

推荐：

便携式高光谱成像系统iSpecHyper-VS1000

专门用于公安刑侦、物证鉴定、医学医疗、精准农业、矿物地质勘探等领域的最新产品，主要优势具有体积小、帧率高、高光谱分辨率高、高像质等性价比特点采用了透射光栅内推扫原理高光谱成像，系统集成高性能数据采集与分析处理系统，高速USB3.0接口传输，全靶面高成像质量光学设计，物镜接口为标准C-Mount，可根据用户需求更换物镜。

审核编辑 黄宇