高光譜成像技術是高光譜顏色測量系統(tǒng)的基礎，最早被用于遙感領域，基于該技術的高光譜成像儀近年來被用于研究測量物體顏色。研究獲取高光譜圖像的工具，并結合相關算法聚焦于提高顏色測量的準確性，忽略了高光譜成像裝置本身的性能參數以及光照條件等環(huán)境因素對顏色測量的影響。

本工作首先構建印刷品色度儀器指標需求分析模型，確定了主要性能參數，并由此研制了基于凸面衍射光柵分光組件的推掃式寬幅色度成像裝置。經過波長定標和反射率定標就可開展色度測量，色板測量實驗驗證其用于印刷品顏色測量領域的可行性，為高光譜成像技術在印刷品顏色測量的應用提供了理論參考和實驗依據。

01工作原理

成像光譜儀具有圖譜獲取能力，通過歸一化反射光譜數據處理可以反演各種照明條件下的物體顏色。基于研制的成像光譜儀構建推掃式寬幅色度成像裝置，硬件主要由ＬＥＤ光源、像方遠心前置物鏡、分光組件、ＣＣＤ探測器、伺服直線移動平臺和計算機組成。ＬＥＤ光源提供均勻覆蓋可見光范圍的穩(wěn)定照明，并滿足45°／0°照明幾何條件。前置物鏡對被照明的印刷品表面高清晰成像，把收集的光信號匯集到分光組件的入射狹縫上。分光組件將入射的光線經準直、分光、匯聚后，在探測器上可得到被測印品的一個條帶的色散譜線。狹縫在被測面的共軛長度形成成像幅寬，伺服平臺帶動印刷品或儀器作相對掃描運動，移動距離決定了成像幅長。

圖1ＰＢＣＩＤ測色處理流程圖

02實驗部分

2.1實驗裝置

圖2所示為實驗室搭建的ＰＢＣＩＤ示逾圖。該裝置主要由自研的凸面衍射光柵分光組件、ＣＣＤ探測器、23ｍｍ像方遠心前置物鏡，兩個ＬＥＤ線光源以及伺服直線移動平臺組成。

圖2 ＰＢＣＩＤ示意圖

2.2 評價指標

在顏色科學的光譜測量應用中，通常會使用光譜精度和色度精度來評估測量的準確性。光譜精度關注光譜曲線的一致性，而色度精度基于人眼感知來評估光譜在特定條件下的顏色一致性。

光譜精度通過光譜均方根誤差（ＲＭＳＥ）和光譜擬合優(yōu)度系數（ＧＦＣ）來衡量。ＲＭＳＥ反映了各波長光譜反射率的平均數值差異，而ＧＦＣ則評估兩條光譜曲線形狀的相似度，各自的計算公式如式（1）和式（2）。

式（1）和式（2）中，Ｒ１和Ｒ２分別代表標準儀器與高光譜顏色測量系統(tǒng)所測得的光譜反射率向量，Ｎ為波長范圍，Ｔ表示轉置。較低的ＲＭＳＥ值表明兩條反射率的整體誤差較小，而接近１的ＧＦＣ值則表明兩條曲線的形狀非常匹配。

色度精度則用色差ΔＥ00和均勻性系數（ＵＬ）來評估。色差ΔＥ00衡量兩個顏色之間的差異，均勻性系數評估同一顏色在不同區(qū)域或角度上的顏色一致性。均勻性系數（ＵＬ）定義為式（3）中，Ｍ和Ｎ分別為空間維像元的行數和列數，ＣＨi，j為第ｉ行ｊ列像元的亮度或色度值。ＵＬ值越小，顏色分布越均勻。

03實驗結果

利用PBCID單次掃描46.5ｃｍ×20.8ｃｍ的印刷品［如圖3（a）所示］，通過拉普拉斯金字塔融合算法拼接成如圖3（b）所示的寬幅印刷品推掃結果，隨機選取一塊區(qū)域，PBCID和CM-700d測得的色差小于2.9。從《潘通CMYK指南》中選取了包括青色、品紅色和藍色等在內的七類顏色，PBCID推掃得到七類顏色的色卡如圖4所示，從每個類別中選取一個顏色并標號為①—⑦。將高光譜圖像中七個顏色.

圖3（ａ）寬幅印刷品推掃實驗現場圖；（ｂ）寬幅印刷品推掃結果圖

圖4 ＰＢＣＩＤ推掃色卡所得圖像

04結論

基于印刷品色差檢測需求，提出以印刷三原色混合反射率為基礎建立三刺激值影響分析模型，并據此確定印刷品色度測量的關鍵指標。光譜分辨率需要小于10ｎｍ，高準確性測量時小于6ｎｍ。光譜彎曲和色畸變需要嚴格控制，譜線彎曲在10％光譜ＦＷＨＭ左右和色畸變在5％空間維像元左右，印刷品圖案顏色變化快時，色差影響變大。

在低于400ｎｍ和高于700ｎｍ的光譜波段，商用白光ＬＥＤ光源能量較弱，可以考慮引入補償光源以增強兩端波段測量的信噪比，同時需要考慮照明的時間變化和雜散光對測量的影響。設計了基于凸面衍射光柵的分光組件，分析及測量結果顯示，控制成像光譜儀各單項指標對色差的影響在0.3以內能夠在顏色測量上實現ΔＥ00≤３的高準確性。顏色測量系統(tǒng)經多塊反射率板直接定標后減小了輻射定標誤差，提高了色度測量均勻性，在平均ＳＮＲ高于200時能夠高效地評估印刷品的色彩質量，且對光源變化具有很強的魯棒性。

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審核編輯 黃宇