高光譜相機(jī)作為一種先進(jìn)的光學(xué)設(shè)備，在顏色測(cè)量領(lǐng)域展現(xiàn)出了巨大的潛力和優(yōu)勢(shì)。它通過(guò)獲取目標(biāo)物在多個(gè)光譜波段的反射或透射信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)顏色更為精確、全面的測(cè)量。本文綜述了高光譜相機(jī)在顏色測(cè)量中的應(yīng)用原理、方法、優(yōu)勢(shì)以及實(shí)際案例，旨在為相關(guān)領(lǐng)域的研究和應(yīng)用提供參考。

一、引言

顏色測(cè)量是多個(gè)行業(yè)中的重要環(huán)節(jié)，如紡織、印刷、涂料、食品等。傳統(tǒng)顏色測(cè)量方法如目視法、光電積分法、分光光度法等，雖然在一定程度上滿足了顏色測(cè)量的需求，但仍存在測(cè)量精度不高、操作復(fù)雜、易受外界干擾等問(wèn)題。隨著高光譜成像技術(shù)的快速發(fā)展，高光譜相機(jī)在顏色測(cè)量中的應(yīng)用日益廣泛，為顏色測(cè)量提供了一種新的、更為精確和高效的手段。

二、高光譜相機(jī)在顏色測(cè)量中的應(yīng)用原理

高光譜相機(jī)通過(guò)特殊的光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器，能夠在可見(jiàn)光到近紅外等較寬的光譜范圍內(nèi)，將光譜分成眾多狹窄的波段，通常可達(dá)到上百個(gè)甚至更多。當(dāng)光線照射到被測(cè)物體表面時(shí)，物體會(huì)對(duì)不同波長(zhǎng)光的反射、吸收和透射特性產(chǎn)生差異。高光譜相機(jī)通過(guò)逐波段地采集這些光信號(hào)強(qiáng)度，構(gòu)建出物體的光譜反射率曲線，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)顏色的精確測(cè)量。

在當(dāng)今科技飛速發(fā)展的時(shí)代，顏色測(cè)量在眾多領(lǐng)域都有著至關(guān)重要的地位，從產(chǎn)品質(zhì)量控制、藝術(shù)創(chuàng)作到科學(xué)研究等均有涉及。高光譜相機(jī)作為一種先進(jìn)的光學(xué)設(shè)備，為顏色測(cè)量帶來(lái)了全新的、更為精確和全面的解決方案。

高光譜相機(jī)的基本原理

高光譜相機(jī)的工作原理基于對(duì)光譜信息的精細(xì)捕捉。與傳統(tǒng)相機(jī)只能記錄紅、綠、藍(lán)三個(gè)通道的顏色信息不同，高光譜相機(jī)能夠在可見(jiàn)光到近紅外等較寬的光譜范圍內(nèi)，將光譜分成眾多狹窄的波段，通常可達(dá)到上百個(gè)甚至更多。例如，它可以把 400 - 1000nm 的光譜范圍劃分成間隔非常小的波段，如 1nm 或更小的間隔。當(dāng)光線照射到被測(cè)量物體表面時(shí)，物體對(duì)不同波長(zhǎng)光的反射、吸收和透射特性各不相同。高光譜相機(jī)通過(guò)其特殊的光學(xué)系統(tǒng)和探測(cè)器，依次采集每個(gè)波段的光信號(hào)強(qiáng)度，從而構(gòu)建出物體的光譜反射率曲線。這條曲線詳細(xì)地記錄了物體在各個(gè)波長(zhǎng)處的反射率情況，是進(jìn)行顏色測(cè)量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)來(lái)源。

二、顏色測(cè)量的具體過(guò)程

（一）校準(zhǔn)

在使用高光譜相機(jī)進(jìn)行顏色測(cè)量之前，校準(zhǔn)是極為關(guān)鍵的步驟。校準(zhǔn)的目的是建立相機(jī)采集到的光譜數(shù)據(jù)與真實(shí)顏色值之間的準(zhǔn)確對(duì)應(yīng)關(guān)系。通常會(huì)使用已知光譜特性的標(biāo)準(zhǔn)白板作為校準(zhǔn)參考物。標(biāo)準(zhǔn)白板在各個(gè)波長(zhǎng)下具有穩(wěn)定且精確已知的反射率。高光譜相機(jī)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白板進(jìn)行拍攝，記錄下其在各個(gè)波段的光信號(hào)強(qiáng)度，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)白板的已知光譜反射率數(shù)據(jù)，計(jì)算出相機(jī)的響應(yīng)函數(shù)，從而校正相機(jī)可能存在的光譜偏差、暗電流噪聲等誤差因素，確保后續(xù)測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可靠性。

（二）圖像采集

完成校準(zhǔn)后，便可以對(duì)目標(biāo)物體進(jìn)行圖像采集。高光譜相機(jī)對(duì)物體進(jìn)行拍攝時(shí)，會(huì)按照預(yù)設(shè)的光譜波段范圍和分辨率，逐波段地獲取物體反射光的強(qiáng)度信息。例如，對(duì)于一幅圖像中的每個(gè)像素點(diǎn)，都會(huì)記錄其在多個(gè)光譜波段上的反射光數(shù)據(jù)。假設(shè)相機(jī)將光譜范圍劃分為 200 個(gè)波段，那么每個(gè)像素就會(huì)有 200 個(gè)對(duì)應(yīng)的光譜反射率數(shù)值。這些數(shù)據(jù)共同構(gòu)成了一個(gè)三維的數(shù)據(jù)立方體，其中二維平面表示圖像的空間位置信息（x、y 坐標(biāo)），而第三維則表示光譜波段信息（λ）。通過(guò)這種方式，高光譜相機(jī)不僅記錄了物體的顏色外觀信息，還蘊(yùn)含了其光譜特征信息，相比傳統(tǒng)相機(jī)提供了更為豐富的數(shù)據(jù)。

（三）數(shù)據(jù)處理與顏色計(jì)算

采集到的海量光譜數(shù)據(jù)需要經(jīng)過(guò)復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理才能得到最終的顏色測(cè)量結(jié)果。首先，要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，包括去除噪聲、校正光譜畸變等操作。然后，根據(jù)特定的顏色模型和算法進(jìn)行顏色計(jì)算。在顏色科學(xué)領(lǐng)域，常用的顏色模型有 CIE XYZ、CIELAB 等。以 CIELAB 顏色模型為例，它基于人眼對(duì)顏色的感知特性，將顏色表示為三個(gè)坐標(biāo)值：L表示明度，a表示紅綠色度分量，b * 表示黃藍(lán)色度分量。通過(guò)將高光譜相機(jī)采集到的光譜反射率數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)照明體（如 D65 標(biāo)準(zhǔn)光源）的光譜功率分布相結(jié)合，并依據(jù)顏色匹配函數(shù)進(jìn)行積分運(yùn)算，可以計(jì)算出物體在 CIELAB 顏色空間中的坐標(biāo)值，從而精確地描述物體的顏色屬性，如顏色的深淺、色調(diào)以及飽和度等。此外，還可以通過(guò)比較不同物體或同一物體不同部位的顏色坐標(biāo)值，進(jìn)行色差計(jì)算，用于評(píng)估顏色的一致性或變化程度。

三、高光譜相機(jī)顏色測(cè)量的優(yōu)勢(shì)

（一）高精度與高分辨率

高光譜相機(jī)能夠提供極高的光譜分辨率，這使得它在顏色測(cè)量中可以捕捉到極其細(xì)微的顏色差異。例如，在一些對(duì)顏色精度要求極高的行業(yè)，如高端印刷、化妝品生產(chǎn)等，能夠準(zhǔn)確區(qū)分人眼難以察覺(jué)的顏色變化，確保產(chǎn)品顏色的一致性和高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。其高精度的測(cè)量結(jié)果有助于提高產(chǎn)品的品質(zhì)控制水平，減少因顏色偏差導(dǎo)致的次品率。

（二）豐富的光譜信息

除了顏色的三刺激值信息外，高光譜相機(jī)所獲取的光譜反射率曲線包含了物體在整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)的詳細(xì)信息。這對(duì)于一些特殊材料或物體的顏色分析具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。例如，在文物修復(fù)和保護(hù)領(lǐng)域，通過(guò)分析文物表面顏料的光譜特征，可以了解其成分和年代信息，為修復(fù)工作提供重要依據(jù)；在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，可以根據(jù)植物葉片的光譜反射率變化，監(jiān)測(cè)植物的生長(zhǎng)狀況、營(yíng)養(yǎng)成分含量以及病蟲(chóng)害情況等，因?yàn)橹参镌诓煌L(zhǎng)階段和健康狀態(tài)下對(duì)不同波長(zhǎng)光的吸收和反射特性會(huì)發(fā)生改變。

（三）非接觸式測(cè)量

高光譜相機(jī)進(jìn)行顏色測(cè)量時(shí)無(wú)需與被測(cè)量物體直接接觸，這在很多情況下具有重要意義。對(duì)于一些易損、珍貴或難以接觸的物體，如藝術(shù)品、文物、生物樣本等，非接觸式測(cè)量可以避免對(duì)物體造成損壞或污染。同時(shí)，它還能夠?qū)崿F(xiàn)快速、大面積的顏色測(cè)量，提高測(cè)量效率。例如，在大型壁畫(huà)的顏色檢測(cè)中，可以快速獲取整幅壁畫(huà)的顏色信息，為保護(hù)和修復(fù)工作提供全面的數(shù)據(jù)支持。
 四、高光譜相機(jī)在顏色測(cè)量的實(shí)驗(yàn)測(cè)試

1、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?br/>測(cè)試下方樣品Lab值

2、實(shí)驗(yàn)測(cè)試儀器列表

3、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

在400-1000nm高光譜相機(jī)外置推掃檢測(cè)得出反射率曲線
實(shí)驗(yàn)測(cè)量過(guò)程圖如下圖所示：

4、結(jié)論

通過(guò)高光譜相機(jī)SP130M拍攝本次客戶來(lái)樣，從高光譜圖像分析得到每個(gè)樣品的Lab值，可以用來(lái)替代色差儀，且測(cè)試穩(wěn)定性良好，對(duì)測(cè)樣取樣位置靈活，可多點(diǎn)測(cè)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化檢測(cè)。