JP5942356B2 - Spectral information acquisition apparatus, spectral information acquisition method, and spectral information acquisition program - Google Patents
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Description
本発明は、デジタルカメラ等の撮像機器と干渉フィルタ等の光学フィルタとを組み合わせて撮像系を構成した撮像手段を用いて、撮影対象の分光情報を取得する分光情報取得装置、分光情報取得方法及び分光情報取得用プログラムに関する。 The present invention relates to a spectral information acquisition apparatus, a spectral information acquisition method, and a spectral information acquisition method for acquiring spectral information of a subject to be photographed using an imaging means that forms an imaging system by combining an imaging device such as a digital camera and an optical filter such as an interference filter. The present invention relates to a spectral information acquisition program.
分光情報は、撮影対象の色を決定する上で重要な物理特性であって、特に撮影対象の分光反射率を画像情報として取得することは、任意照明環境下での撮影対象の色再現を行う上で非常に有用なものとなる。 Spectral information is an important physical characteristic for determining the color of a shooting target. In particular, acquiring spectral reflectance of a shooting target as image information performs color reproduction of the shooting target in an arbitrary illumination environment. It will be very useful above.
デジタルカメラ等の撮像機器を用いて撮像対象の分光情報を取得するに際し、モノクロカメラやRGB3チャンネルのカメラでは情報が不足しているので、3チャンネルよりも多いチャンネル数を用いて、撮像対象の分光情報を取得する、マルチバンドカメラを用いる場合が多い。 When acquiring spectral information of an imaging target using an imaging device such as a digital camera, information is insufficient for a monochrome camera or an RGB three-channel camera. In many cases, a multiband camera that acquires information is used.
簡易なマルチバンドカメラを実現する方法の例としては、RGBデジタルカメラと、該カメラと撮像対象(被写体)との間に設置する光学フィルタとを組み合わせて撮像系を構成し、図6の上段に示す光学フィルタ非装着時及び図6の下段に示す光学フィルタ装着時に順次撮像系による撮影を繰り返し、撮像系の分光感度の異なる2枚の画像を得て、合計6チャンネル分の色情報を得る方法がある(例えば、非特許文献1、非特許文献2)。なお、図6の中段は、RGBデジタルカメラと撮像対象との間に設置する光学フィルタの分光透過率の特性を示す。
As an example of a method for realizing a simple multiband camera, an imaging system is configured by combining an RGB digital camera and an optical filter installed between the camera and an imaging target (subject). When the optical filter shown is not attached and when the optical filter shown in the lower part of FIG. 6 is attached, photographing by the imaging system is sequentially repeated to obtain two images having different spectral sensitivities of the imaging system, and obtaining color information for a total of six channels (For example, Non-Patent
このようなマルチバンド化の実現方法は、チャンネル数6と比較的少ないチャンネル数であるが、自然物や色材の多くの分光反射率が高々6程度の少数の基底関数の線形和で表せることが知られており、予め事前に測定した撮像対象となる被写体と同種の分光反射率をもったサンプル群を学習情報として用いることで、6チャンネルであっても、高い精度で被写体の分光反射率を取得することが可能である(例えば、非特許文献3)。 Such a multi-band realization method has a relatively small number of channels, ie, six channels. However, many spectral reflectances of natural objects and color materials can be expressed by a linear sum of a small number of basis functions of about six at most. By using as a learning sample a sample group having the same kind of spectral reflectance as that of a subject that is known and measured in advance, the spectral reflectance of the subject can be obtained with high accuracy even in 6 channels. It can be acquired (for example, Non-Patent Document 3).
上述の方法に使用する光学フィルタとしては、色ガラスフィルタを用いる方法(例えば、非特許文献1)があるが、色ガラスフィルタは分光透過率の波形の変化が緩やかなため、所望の分光感度特性を達成することが難しく、分光反射率推定の精度が悪くなる。また、色ガラスフィルタ全体の分光透過率が低いため、フィルタ装着時の撮像系の分光感度が小さくなり、得られる画像のS/Nが悪くなるといった問題がある。 As an optical filter used in the above-described method, there is a method using a color glass filter (for example, Non-Patent Document 1), but the color glass filter has a desired spectral sensitivity characteristic because the change in the spectral transmittance waveform is gradual. Is difficult to achieve, and the accuracy of spectral reflectance estimation is poor. In addition, since the spectral transmittance of the entire color glass filter is low, there is a problem that the spectral sensitivity of the imaging system when the filter is mounted is reduced and the S / N of the obtained image is deteriorated.
また、上述の方法に使用する光学フィルタとして、干渉フィルタを用いる方法がある(例えば、非特許文献2)この干渉フィルタは、分光透過率をある程度コントロールできることから、所望の分光感度特性を得やすく、また、高い分光透過率を実現できるため、フィルタ装着時の撮像系の分光感度が大きくなり、高いS/Nを保てる利点がある。 In addition, as an optical filter used in the above method, there is a method using an interference filter (for example, Non-Patent Document 2). Since this interference filter can control the spectral transmittance to some extent, it is easy to obtain a desired spectral sensitivity characteristic, Further, since a high spectral transmittance can be realized, the spectral sensitivity of the imaging system when the filter is attached is increased, and there is an advantage that a high S / N can be maintained.
しかし、干渉フィルタには、該フィルタへの光の入射角度がフィルタ面に対して垂直でない場合、透過波長帯が短波長側にシフトするといった光学特性を有している。その結果、干渉フィルタを用いてマルチバンド化した撮像系を用いて分光反射率を取得した場合、画像中心から周辺部へ向かうに従って分光反射率推定の精度が低下するといった問題がある。 However, the interference filter has an optical characteristic that the transmission wavelength band shifts to the short wavelength side when the incident angle of light to the filter is not perpendicular to the filter surface. As a result, when the spectral reflectance is acquired using an imaging system that is multibanded using an interference filter, there is a problem that the accuracy of spectral reflectance estimation decreases from the center of the image toward the periphery.
そこで、以上のような問題を克服する手段としては、狭帯域の透過波長帯を有する液晶チューナブルフィルタまたは複数の干渉フィルタとモノクロカメラとを用いて撮像系を構成し、この撮像系で得られる撮影画像から分光反射率を推定する際、事前に画素位置毎のフィルタ分光透過率の波長シフト量を同定しておき、前述のごとく撮影画像から分光反射率を推定したとき、この推定された分光反射率データを波長シフト量だけ修正する方法がある(例えば、特許文献1、特許文献2)。
Therefore, as a means for overcoming the above problems, an imaging system is configured by using a liquid crystal tunable filter or a plurality of interference filters having a narrow transmission wavelength band and a monochrome camera, and obtained by this imaging system. When estimating the spectral reflectance from the captured image, the wavelength shift amount of the filter spectral transmittance for each pixel position is identified in advance, and when the spectral reflectance is estimated from the captured image as described above, the estimated spectral reflectance is estimated. There is a method of correcting reflectance data by a wavelength shift amount (for example,
しかし、この波長シフト量だけ修正する方法は、狭帯域のフィルタを用いて、透過波長帯の中心波長を分光反射率サンプル点とする方法でのみ成り立つことから、図6に示すような幅広い分光透過率波形を有するフィルタを用いる方法には適用できない。 However, this method of correcting only the wavelength shift amount can be achieved only by using a narrow band filter and using the center wavelength of the transmission wavelength band as the spectral reflectance sample point. It cannot be applied to a method using a filter having a rate waveform.
従って、以上のように広帯域の透過波長帯を有した干渉フィルタとデジタルカメラとを組み合わせた撮像系を用いて、撮影対象の分光情報を取得する場合、干渉フィルタに入射する光の入射角度に依存した光学特性が存在することから、画素位置が周辺部に向かうに従って分光反射率の推定精度が低下する問題がある。 Therefore, when acquiring spectral information of a subject to be photographed using an imaging system that combines an interference filter having a wide transmission wavelength band and a digital camera as described above, it depends on the incident angle of light incident on the interference filter. Therefore, there is a problem that the estimation accuracy of the spectral reflectance decreases as the pixel position moves toward the peripheral portion.
そこで、本発明は以上のような問題を解決するためになされたもので、分光透過率の入射角度依存性を有する光学フィルタとデジタルカメラ等の撮像機器とを用いて簡易なカメラのマルチバンド化を実現し、かつ画像周辺部においても精度を低下させずに撮影対象の分光情報を取得する分光情報取得装置、分光情報取得方法及び分光情報取得用プログラムを提供することを目的とする。 Accordingly, the present invention has been made to solve the above-described problems, and a simple camera multiband using an optical filter having an incident angle dependency of spectral transmittance and an imaging device such as a digital camera. And a spectral information acquisition apparatus, a spectral information acquisition method, and a spectral information acquisition program that acquire spectral information of a subject to be imaged without reducing accuracy even at the periphery of the image.
上記課題を解決するために、請求項1に対応する発明は、撮影対象の分光情報を取得する分光情報取得装置であって、前記撮影対象を撮影する撮像機器と、この撮像機器及び撮影対象の間において前記撮像機器の光軸と垂直に設置する光学フィルタとからなる撮像手段と、この撮像手段で撮像される画像の各画素に対応するイメージセンサの位置に結像される光の前記光学フィルタへの入射角度を算出し、予め入射角度毎に測定し記憶された前記光学フィルタの分光透過率データを用いて、前記光の入射角度に対応する分光透過率データを算出し、前記各画素における分光情報推定行列を算出する手段と、この算出手段で算出された分光情報推定行列と画素の画素値とから、結像する前記撮影対象上の位置の分光情報を算出する手段とを備えた構成であって、前記光学フィルタへの入射角度は、画像中心の座標値と、前記各画素の画像上の座標値と、所定の方向における前記イメージセンサの長さに対する前記画像の画素数の比と、前記撮影機器の焦点距離と、により演算される。
In order to solve the above problems, the invention corresponding to
請求項2に対応する発明は、請求項1に対応する発明に記載される撮像手段としては、デジタルカメラ等の前記撮像機器とこの撮像機器及び前記撮影対象の間に設置する前記光学フィルタとで構成される撮像系であって、1枚または複数枚の前記光学フィルタが順次着脱させつつ撮像を繰り返し、これら複数枚の撮像画像をもって一組の画像入力とすることを特徴とする。 According to a second aspect of the present invention, the imaging means described in the first aspect of the present invention includes the imaging device such as a digital camera and the optical filter installed between the imaging device and the subject to be photographed. The imaging system is configured to repeat imaging while sequentially attaching or detaching one or a plurality of optical filters, and the plurality of the captured images are used as a set of image inputs.
請求項3に対応する発明は、請求項1に対応する発明に記載される撮像手段としては、デジタルカメラ等の前記撮像機器とこの撮像機器及び前記撮影対象の間に設置する前記光学フィルタとで構成される撮像系であって、各々撮像系全体の分光特性が異なるような複数の撮像系を有し、これら複数の撮像系で撮像された画像をもって一組の画像入力とすることを特徴とする。 According to a third aspect of the present invention, the imaging means described in the first aspect of the present invention includes the imaging device such as a digital camera and the optical filter installed between the imaging device and the subject to be photographed. A plurality of imaging systems each having different spectral characteristics of the entire imaging system, and the images captured by the plurality of imaging systems are used as a set of image inputs. To do.
また、請求項4に対応する発明は、撮影対象を撮影する撮像機器と、この撮像機器及び当該撮影対象の間において前記撮像機器の光軸と垂直に設置する光学フィルタとからなる撮像手段により前記撮影対象の画像を取得する第1のステップと、この第1のステップで取得された画像の各画素に対応するイメージセンサの位置に結像される光の前記光学フィルタへの入射角度を算出し、予め入射角度毎に測定し記憶された前記光学フィルタの分光透過率データを用いて、前記光の入射角度に対応する分光透過率データを算出し、前記各画素における分光情報推定行列を算出する第2のステップと、この第2のステップで算出された分光情報推定行列と画素の画素値とから、結像する前記撮影対象上の位置の分光情報を算出する第3のステップとを設けることにより、前記撮影対象の分光情報を取得する分光情報取得方法であり、前記光学フィルタへの入射角度は、画像中心の座標値と、前記各画素の画像上の座標値と、所定の方向における前記イメージセンサの長さに対する前記画像の画素数の比と、前記撮影機器の焦点距離と、により演算される。
Further, the invention includes an imaging device for photographing a photographic subject, the imaging means comprising an optical filter to be installed perpendicular to the optical axis of Oite the imaging device during the image pickup device and the imaging object corresponding to claim 4 And a first step of acquiring the image to be imaged, and an incident angle of the light imaged at the position of the image sensor corresponding to each pixel of the image acquired in the first step to the optical filter. Using the spectral transmittance data of the optical filter calculated and stored in advance for each incident angle, spectral transmittance data corresponding to the incident angle of the light is calculated, and a spectral information estimation matrix for each pixel is calculated. A second step of calculating, and a third step of calculating spectral information of the position on the object to be imaged from the spectral information estimation matrix calculated in the second step and the pixel value of the pixel; By providing a spectral information acquisition method for acquiring spectral information of the imaging object, the incident angle to the optical filter, and the coordinate values of the image center, the coordinate values on the image of each pixel in a predetermined direction Is calculated by the ratio of the number of pixels of the image to the length of the image sensor and the focal length of the photographing device.
請求項5に対応する発明は、請求項4に対応する発明に記載される前記第1のステップとしては、デジタルカメラ等の前記撮像機器とこの撮像機器及び前記撮影対象の間に設置する前記光学フィルタとで構成される撮像系であって、1枚または複数枚の当該光学フィルタを、前記撮像機器及び前記撮影対象の間に着脱させつつ撮像を繰り返し、これら複数枚の撮像画像をもって一組の画像入力とすることを特徴とする。
In the invention corresponding to claim 5, as the first step described in the invention corresponding to
請求項6に対応する発明は、請求項4に対応する発明に記載される前記第1のステップとしては、デジタルカメラ等の前記撮像機器とこの撮像機器及び前記撮影対象の間に設置する前記光学フィルタとで構成される撮像系であって、各々撮像系全体の分光特性が異なるような複数の撮像系を有し、これら複数の撮像系で撮像された画像をもって一組の画像入力とすることを特徴とする。
In the invention corresponding to
さらに、請求項7に対応する発明は、撮影対象を撮影する撮像機器と、前記撮影対象及び当該撮像機器の間において前記撮像機器の光軸と垂直に設置される光学フィルタとで構成される撮像系が設けられ、かつ、予め光の入射角度毎の前記光学フィルタの分光透過率データが記憶され、前記撮影対象の分光情報を取得処理するコンピュータに、前記撮影対象を撮影する撮像機器とこの撮像機器及び当該撮影対象の間に設置する光学フィルタとからなる撮像系により前記撮影対象の画像を取得する画像取得手順と、この画像取得手順で取得された画像の各画素に対応するイメージセンサの位置に結像される光の前記光学フィルタへの入射角度を算出し、予め前記光の入射角度毎に測定し記憶された前記光学フィルタの分光透過率データを用いて、前記光の入射角度に対応する分光透過率データを算出し、前記各画素における分光情報推定行列を算出する分光情報推定行列算出手順と、この分光情報推定行列算出手順で算出された分光情報推定行列と画素の画素値とから、結像する前記撮影対象上の位置の分光情報を算出する分光情報取得処理手順とを実行させるための分光情報取得用プログラムであり、前記光学フィルタへの入射角度は、画像中心の座標値と、前記各画素の画像上の座標値と、所定の方向における前記イメージセンサの長さに対する前記画像の画素数の比と、前記撮影機器の焦点距離と、により演算される。
Furthermore, invention corresponding to
請求項8に対応する発明は、請求項7に対応する発明に記載される前記画像取得手順としては、デジタルカメラ等の前記撮像機器とこの撮像機器及び前記撮影対象の間に設置する前記光学フィルタとで構成される撮像系であって、1枚または複数枚の当該光学フィルタを、前記撮像機器及び前記撮影対象の間に着脱させつつ撮像を繰り返し、これら複数枚の撮像画像をもって一組の画像入力とすることを特徴とする。
In the invention corresponding to
請求項9に対応する発明は、請求項7に対応する発明に記載される前記画像取得手順としては、デジタルカメラ等の前記撮像機器とこの撮像機器及び前記撮影対象の間に設置する前記光学フィルタとで構成される撮像系であって、各々撮像系全体の分光特性が異なるような複数の撮像系を有し、これら複数の撮像系で撮像された画像をもって一組の画像入力とすることを特徴とする。
In the invention corresponding to claim 9, the image acquisition procedure described in the invention corresponding to
本発明によれば、分光透過率の入射角度依存性を有する光学フィルタとデジタルカメラ等の撮像機器とを用いて簡易なカメラのマルチバンド化を実現し、かつ画像周辺部においても精度を低下させずに撮影対象の分光情報を取得することができる。 According to the present invention, it is possible to realize a simple multiband camera using an optical filter having an incident angle dependency of spectral transmittance and an imaging device such as a digital camera, and to reduce the accuracy in the peripheral portion of the image. It is possible to acquire the spectral information of the object to be imaged.
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。なお、この実施形態では、本発明装置で取得する撮影対象の分光情報として、分光反射率の取得する例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. In this embodiment, an example in which spectral reflectance is acquired as spectral information of an imaging target acquired by the device of the present invention will be described.
図1は本発明に係る分光情報取得装置の一実施形態を示す構成図である。同図において、1は分光反射率の取得対象となる撮影対象である被写体、2は被写体1に向けて光を照射する撮影光源、10は被写体1の分光反射率を取得する分光反射率取得装置である。
FIG. 1 is a block diagram showing an embodiment of a spectral information acquisition apparatus according to the present invention. In FIG. 1,
分光反射率取得装置10は、干渉フィルタ11、フィルタ着脱装置12、RGBデジタルカメラ13及びコンピュータ14によって構成される。
The spectral reflectance acquisition device 10 includes an
干渉フィルタ11は、被写体1とRGBデジタルカメラ13との間に配置されるものであって、RGBデジタルカメラ13との組合せによって撮像系を構成する一方、この撮像系の分光感度を変調させる機能をもっている。干渉フィルタ11の分光透過率は、入射角度毎に測定され、この測定された分光透過率データはコンピュータ14の一部を構成する外部記憶装置15のフィルタ透過率データテーブル151に格納される。
The
外部記憶装置15としては、フィルタ透過率データテーブル151の他、測定済みの分光反射率・ノイズ相関行列データを記憶する分光反射率・ノイズ記憶部152、RGBデジタルカメラ13の予め既知である分光感度データを記憶するカメラ分光感度データ記憶部153、予め既知となる撮影用光源2の分光分布データを記憶する光源分光データ記憶部154その他必要なデータを格納する共有データ記憶部155が設けられている。
As the
フィルタ着脱装置12は、干渉フィルタ11を前進・後退させることにより、干渉フィルタ11をRGBデジタルカメラ13の前方に着脱自在に配置する装置である。
The filter attaching / detaching
RGBデジタルカメラ13は、撮影対象の画像を撮影し取得するものであって、該カメラ13の各チャンネルの分光感度は既知であり、前述するように予めカメラ分光感度データ記憶部153に格納されている。
The RGB digital camera 13 captures and acquires an image to be captured. The spectral sensitivity of each channel of the camera 13 is known, and is stored in the camera spectral sensitivity
コンピュータ14は、分光反射率取得装置10全体の処理動作を統括して制御するとともに、所望とするデータ処理を実行するものであって、パソコン等で構成される。 The computer 14 controls the overall processing operation of the spectral reflectance acquisition apparatus 10 and executes desired data processing, and is constituted by a personal computer or the like.
コンピュータ14は、前述した外部記憶装置15の他、分光情報取得用プログラムを記憶するROMで構成される主記憶装置としてのプログラム記憶部16と、撮影画像の一般的な画像処理の他、分光情報取得用プログラムによる分光情報の取得処理を実行するCPUで構成される画像処理部17と、同じく分光情報取得用プログラムに従ってフィルタ着脱装置12及びRGBデジタルカメラ13の撮影動作制御を司るCPUで構成される機器制御部18とを備えている。
In addition to the
次に、以上のように構成された分光情報取得装置における分光情報の取得原理ないし取得動作について説明する。ここでは、分光反射率取得装置10を用いて、分光反射率の取得対象となる被写体1の分光反射率を画素単位で取得する例について説明する。 Next, the principle or acquisition operation of spectral information in the spectral information acquisition apparatus configured as described above will be described. Here, an example will be described in which the spectral reflectance of the subject 1 that is the spectral reflectance acquisition target is acquired in units of pixels using the spectral reflectance acquisition device 10.
なお、説明を簡単にするため、RGBデジタルカメラ13の各チャンネルの応答特性は線形であるとする。また、干渉フィルタ11はRGBデジタルカメラ13の光軸に対して垂直に配置されているものとする。また、被写体1と分光反射率取得装置10とは十分に距離が離れているものとする。以下、分光情報としては離散化されたデータとして扱い、ベクトルまたは行列で表すものとする。
For simplicity of explanation, it is assumed that the response characteristics of each channel of the RGB digital camera 13 are linear. Further, it is assumed that the
今、被写体1上の1点の分光反射率をri、撮影光源2の分光分布をE、RGBデジタルカメラ13の分光感度をSn、干渉フィルタ11の分光透過率をTとすると、それぞれ下式で表すことができる。
ここで、行列上の右肩の添字Tは転置を表す。また、添字iは画素番号、Nは波長サンプリング数を表す。例えば、分光情報を380nmから730nm、10nm間隔でサンプリングした場合、N=36である。撮影光源2の分光分布Eは対角成分e1,e2,…,eNが各波長の分光強度を表し、他成分は0である。RGBデジタルカメラ13の分光感度Snの各列はR、G、Bの各チャンネルの分光感度を表す。干渉フィルタ11の分光透過率Tは対角成分t1,t2,…,tNが各波長の分光透過率を表し、他成分は0である。
Here, the superscript T on the matrix represents transposition. Subscript i represents the pixel number, and N represents the number of wavelength samplings. For example, when spectroscopic information is sampled at intervals of 380 nm to 730 nm and 10 nm, N = 36. In the spectral distribution E of the photographic light source 2, diagonal components e 1 , e 2 ,..., E N represent the spectral intensities of the respective wavelengths, and the other components are zero. Each column of spectral sensitivity S n of the RGB digital camera 13 represents R, G, the spectral sensitivity of each channel of the B. With respect to the spectral transmittance T of the
干渉フィルタ11とRGBデジタルカメラ13とを組み合わせて撮像系を構成する場合、フィルタ装着時の撮像系の分光感度Stは下記の(5)式で計算することができる。
ここでは、フィルタ装着時とフィルタ未装着時の2回の撮影を繰り返すことにより、合計6チャンネル分の撮影画像を得る場合、6チャンネル分の撮像系全体の分光感度をまとめて、下記の(6)式のScで表せる。
Sc=[Sn St] ……(6)
また、干渉フィルタ11とRGBデジタルカメラ13とを組み合わせたマルチバンド撮像系の場合、画像番号iの得られる画素値は下記(7)式でモデル化することができる。
gi=Sc TEri ……(7)
上式において、giは画素値を表し、当該画素値giが表せる。
gi=[gi1 gi2 gi3 gi4 gi5 gi6] T ……(8)
この(8)式において、1、2、3番目の成分はそれぞれフィルタ非装着時のR、G、B各チャンネルの画素値、4、5、6番目の成分はそれぞれフィルタ装着時のR、G、B各チャンネルの画素値を表す。
Here, when a total of 6 channels of captured images are obtained by repeating the imaging twice with and without the filter, the spectral sensitivities of the entire imaging system for 6 channels are summarized as follows (6 ) can be expressed by the formula of S c.
S c = [S n S t ] (6)
In the case of a multiband imaging system in which the
g i = S c T E r i (7)
In the above equation, g i represents a pixel value, and the pixel value g i can be represented.
g i = [g i1 g i2 g i3 g i4 g i5 g i6] T (8)
In the equation (8), the first, second and third components are the pixel values of the R, G and B channels when the filter is not attached, and the fourth, fifth and sixth components are R and G when the filter is attached. , B represents the pixel value of each channel.
そこで、分光反射率の推定は、(7)式のモデルの逆問題を解き、gi から未知のriを求めることに相当し、線形演算によってこれを解くと、下記の(9)式で推定分光反射率を得ることができる。
ここで、画素値から分光反射率への変換行列W(以下、分光反射率推定行列と呼ぶ)は(6×36)次元であり、これを満たす解は一意ではない。 Here, a conversion matrix W (hereinafter referred to as a spectral reflectance estimation matrix) from pixel values to spectral reflectance has a (6 × 36) dimension, and a solution that satisfies this is not unique.
しかし、自然界の多くの分光反射率は、低次元(3−9次元程度)の基底関数の線形和で表すことが可能なことがわかっているので、このことを利用して分光反射率推定行列Wを導出する種々の方法が提案されている。ここでは、分光反射率推定行列Wを求める方法として、ウィーナー推定法を用いるものとすると、分光反射率推定行列Wは下記の(10)式で求めることができる。
ここで、(10)式において、Rrは推定対象の分光反射率の相関行列、Rnは撮像系の画像ノイズの相関行列である。Rrは実際に推定対象のカテゴリに属する多数の分光反射率データの実測値サンプルを集め、相関行列により計算することにより事前に得ることができる。また、ノイズRnは均一な白色物体を撮像し、その画素値のばらつきをノイズと見なして事前に測定することができる。 Here, in equation (10), R r is the correlation matrix of the spectral reflectance to be estimated, the R n is the correlation matrix of the image noise of the imaging system. R r can be obtained in advance by collecting a large number of actually measured samples of spectral reflectance data belonging to the category to be estimated and calculating with a correlation matrix. Noise R n can be measured in advance by imaging a uniform white object and regarding variations in pixel values as noise.
従って、以上のようにして(7)式のカメラ撮像モデルの逆問題に基づいて分光反射率を推定する場合、RGBデジタルカメラ13の分光感度S、撮影光源2の分光分布E、干渉フィルタ11の分光透過率Tが既知であることが必要となる。また、その測定精度が分光反射率推定に影響を及ぼすことが知られている。
Accordingly, when the spectral reflectance is estimated based on the inverse problem of the camera imaging model of equation (7) as described above, the spectral sensitivity S of the RGB digital camera 13, the spectral distribution E of the imaging light source 2, and the
ところで、干渉フィルタ11の分光透過率Tは光の入射角度に依存するという特性を持っている。すなわち、光が光軸からθ[度]傾いて入射した際の分光透過率Tの波長シフト量λ(θ)は(11)式の近似式で求めることができる(ただし、入射角度が10度以下の場合)。
ここで、neffは実効屈折率とよばれる干渉フィルタ11の薄膜の構成によって決まる特性である。
Here, n eff is a characteristic determined by the configuration of the thin film of the
一方、RGBデジタルカメラ13の前方に干渉フィルタ11を設置して撮像した場合、デジタルカメラ13の画素毎に、当該画素に対応するイメージセンサの位置に結像する光の干渉フィルタ11を通る際の入射角度が異なる。図2に示すように、RGBデジタルカメラ13の光軸に垂直に干渉フィルタ11を設置した場合、画像中心から同心円上に向かって干渉フィルタ11への入射角度θ1,θ2,θ3が大きくなってくる。ここでは、RGBデジタルカメラ13と被写体1との距離が十分に遠く、入射角度はほぼレンズ中心を通る光で代表できるものとする。
On the other hand, when the
ゆえに、以上のような干渉フィルタ11の特性により、分光透過率Tを0度入射時の1つのみを使用して(10)式に基づいたマルチバンド画像からの分光反射率の推定を行った場合、干渉フィルタ11の波長シフトに起因するモデル化誤差が生じるため、前述したように画像の中心から周辺部へ向かうに従って分光反射率の推定精度が低下するといった問題が生じる。
Therefore, due to the characteristics of the
そこで、本発明装置においては、画素毎に使用するフィルタ分光透過率Tを変えて分光反射率推定行列を作成することで、モデル化誤差を軽減し、画像周辺部であっても高い分光反射率推定精度を実現できるものであり、図3及び図4を参照して説明する。 Therefore, in the device of the present invention, by creating a spectral reflectance estimation matrix by changing the filter spectral transmittance T used for each pixel, a modeling error is reduced, and a high spectral reflectance is obtained even in the peripheral portion of the image. The estimation accuracy can be realized and will be described with reference to FIGS.
図3は画素位置と、被写体1をデジタルカメラ13で撮像した場合の干渉フィルタ11への入射角度θとの関係を示す模式図、図4は画素位置と実際のイメージセンサに結像した位置との関係を説明する図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing the relationship between the pixel position and the incident angle θ to the
まず、ある画素に対応するところの干渉フィルタ11への光の入射角度θを決定する。ここでは、干渉フィルタ11はRGBデジタルカメラ13の光軸に対して垂直に設置しているものとする。
First, the incident angle θ of light to the
今、画素iの画像上の座標を(Xi,Yi)とすると、カメラ13のイメージセンサ上の位置(xi,yi )とは一対一で対応する。画像中心の座標値を(Xc,Yc)とすると、画像中心からの半径Riに対応する、イメージセンサ上におけるセンサ中心からの半径riは下記の(12)式で表すことができる。
上式において、Wはイメージセンサの横の長さ、Wは画像の横画素数である。ここで、W,Wはそれぞれイメージセンサの縦の長さ、画像の縦画素数としても良い。このとき、干渉フィルタ11への入射角度θは下記の(13)式で計算することができる。
θ=arctan(ri/f) ……(13)
上式において、fはRGBデジタルカメラ13のレンズの焦点距離を指す。干渉フィルタ11への入射角度θが分かれば、事前に測定した入射角度毎の分光透過率データから、θに対応する干渉フィルタ11の分光透過率を算出することで、当該画素の分光反射率推定行列Wを(10)式に基づいて導出することが可能となる。
In the above equation, W is the horizontal length of the image sensor, and W is the number of horizontal pixels of the image. Here, W and W may be the vertical length of the image sensor and the number of vertical pixels of the image, respectively. At this time, the incident angle θ to the
θ = arctan (r i / f ) ...... (13)
In the above equation, f indicates the focal length of the lens of the RGB digital camera 13. If the incident angle θ to the
次に、本発明に係る分光情報取得方法及び分光情報取得用プログラムの一実施の形態について、図5を参照して説明する。 Next, an embodiment of a spectral information acquisition method and a spectral information acquisition program according to the present invention will be described with reference to FIG.
図5は分光反射率(分光情報)を取得するための一連の処理手順を示すフローチャートである。分光情報取得用プログラムは、常時はプログラム記憶部16に格納され、一連の処理の実行時に機器制御部18または画像処理部17が起動し、プログラム記憶部16から分光情報取得用プログラムを読み出してワークメモリである外部記憶装置15の例えば共有データ記憶部155などに格納し、分光情報取得用プログラムを実行する。なお、分光情報取得用プログラムの実行に際し、機器制御部18と画像処理部17とは互いに連係し、図5に示す一連の処理を進めていく。
FIG. 5 is a flowchart showing a series of processing procedures for obtaining the spectral reflectance (spectral information). The spectral information acquisition program is always stored in the
まず、コンピュータ14は、撮影対象となる被写体1と撮像機器であるデジタルカメラ13との間に干渉フィルタ11を配置し、当該干渉フィルタ11とRGBデジタルカメラ13とで構成される撮像系を用いて、被写体1からの画像を取得する画像取得手順を実行する(S1,S2)。
First, the computer 14 arranges the
この画像取得手順としては、例えば撮影光源2から被写体1に光を照射した後、機器制御部1が所定の順序でフィルタ着脱装置12を制御し、そのフィルタ着脱装置12の着脱制御後、RGBデジタルカメラ13に撮影指示を出し、被写体1を撮像する手順となる。
As this image acquisition procedure, for example, after irradiating the subject 1 with light from the photographing light source 2, the
すなわち、機器制御部18は、フィルタ着脱装置12に対して干渉フィルタ11の装着及び未装着の制御指示を出し、干渉フィルタ11装着後及び脱着後にRGBデジタルカメラ13に撮影指示を送出し順次撮影を繰り返すことにより、フィルタ装着時と非装着時の2枚の画像を得る,いわゆるマルチバンド撮影を行う(S1)。
That is, the
RGBデジタルカメラ13は、以上のようにして撮像された2枚1組のマルチバンド画像をコンピュータ14の画像処理部17へ転送する(S2)。
ここで、画像処理部17は、以下、RGBデジタルカメラ13から受け取った画像の推定対象画素数だけ同様の処理を繰り返し行うことにより(S3−S8)、画素における分光情報推定行列算出処理手順(S3−S6)及び分光情報取得処理手順(S7)を実行する。
The RGB digital camera 13 transfers a set of two multiband images captured as described above to the
Here, the
画像処理部17は、対象画素iに入射する光の干渉フィルタ11への入射角度θを前記(12)式及び(13)式に基づいて算出した後(S4)、干渉フィルタ11の分光透過率Tを算出する(S5)。
The
すなわち、画像処理部17は、予めフィルタ透過率データテーブル151に干渉フィルタ11の入射角度毎の既知なる分光透過率データが記憶されているので、前記ステップS4で算出された入射角度θに基づき、フィルタ透過率データテーブル151を参照し、算出された入射角度θにおける干渉フィルタ11の分光透過率データを算出する(S5)。例えば、フィルタ透過率データテーブル151には干渉フィルタ11の入射角度θ=0から1度刻みで測定された分光透過率データが格納されているので、フィルタ透過率データテーブル151間の線形補間等の処理により該当する入射角度に対応する分光透過率データを算出する。
That is, since the known spectral transmittance data for each incident angle of the
引き続き、画像処理部17は、ステップS5にて算出された分光透過率データを用いて、前記(10)式にて分光反射率推定行列Wを算出する(S6)。
Subsequently, the
さらに、画像処理部17は分光情報取得処理手順(S7)を実行する。この分光情報取得処理手順は、ステップS6にて算出された分光反射率推定行列W及び該当画素の画素値giから、前記(9)式により分光反射率riを推定する。
Further, the
以下、前述する一連の処理手順(S3−S7)を推定対象画素全てについて実行した後(S8)、終了する。 Thereafter, the above-described series of processing steps (S3 to S7) are executed for all the estimation target pixels (S8), and the process ends.
従って、以上のような実施形態によれば、干渉フィルタ11とRGBデジタルカメラ13とを組み合せることでマルチバンド化を行い、被写体1の分光反射率を取得する際、干渉フィルタ11の分光透過率の入射角度依存性を考慮し、分光反射率推定行列及び該当画素の画素値から分光反射率を算出するので、画像の周辺部に向うに従って分光反射率推定精度を低下させることなく、精度の高い撮影対象の分光情報を取得することができる。
Therefore, according to the embodiment as described above, when the
(その他の実施の形態)
なお、前述した実施の形態は本発明の一例を示したものであり、本発明はこれに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、適宜の変更または改変を行ってもよい。
(Other embodiments)
The above-described embodiment shows an example of the present invention, and the present invention is not limited to this, and appropriate changes or modifications are made without departing from the scope of the present invention. Also good.
(1) 例えば前述した実施の形態例では、取得分光情報として被写体の分光反射率としたが、これに限定されることではなく、別の分光情報、例えば撮影シーンの分光強度分布としてもよい。例えば、撮影光源2の分光分布が既知であれば、前記(9)式で求めた分光反射率に対して撮影光源2の分光強度分布Eを掛けることで、撮影シーンの分光強度分布を求めることができる。一方、撮影光源2の分光分布が未知であるなら、前記(4)式で導出するウィーナー推定に基づく分光情報推定行列(ここでは分光強度分布推定行列)に用いる相関行列を、様々な光源の分光分布に対してサンプリングして算出すればよい。 (1) For example, in the above-described embodiment, the spectral reflectance of the subject is used as the acquired spectral information. However, the present invention is not limited to this, and other spectral information, for example, the spectral intensity distribution of the shooting scene may be used. For example, if the spectral distribution of the photographic light source 2 is known, the spectral intensity distribution of the photographic scene is obtained by multiplying the spectral reflectance obtained by the equation (9) by the spectral intensity distribution E of the photographic light source 2. Can do. On the other hand, if the spectral distribution of the imaging light source 2 is unknown, the correlation matrix used for the spectral information estimation matrix (here, the spectral intensity distribution estimation matrix) based on the Wiener estimation derived by the above equation (4) is used as the spectral of various light sources. The distribution may be sampled and calculated.
(2) また、前述した実施の形態例では、分光情報推定行列の導出方法として、ウィーナー推定法を用いる例について説明したが、これに限定されることではなく、例えば主成分分析にもとづく方法など別の推定行列算出式に変えても、画素毎に光学フィルタの入射角度依存性を考慮して分光情報推定行列を算出すればよい。 (2) In the above-described embodiment, an example in which the Wiener estimation method is used as the method for deriving the spectral information estimation matrix has been described. However, the present invention is not limited to this. For example, a method based on principal component analysis, etc. Even if the formula is changed to another estimation matrix calculation formula, the spectral information estimation matrix may be calculated in consideration of the incident angle dependency of the optical filter for each pixel.
(3) また、前述した実施の形態例では、干渉フィルタ11の分光透過率をフィルタ透過率データテーブル151に記憶し、これに基づいて分光透過率の算出を行なったが、例えば(11)式に基づき、画素毎のフィルタ分光透過率のシフト量を算出し、分光透過率データを求めても良い。
(3) In the embodiment described above, the spectral transmittance of the
(4) また、前述した実施の形態例では、分光情報推定行列を画素毎に再計算して求めるようにしたが、これに限定されることではなく、予めフィルタ入射角毎に、(10)式に基づいて分光反射率推定行列を算出し、これをキャッシュデータとして事前にコンピュータ14を構成する外部記憶機装置15に格納しておき、画素毎の推定時には既に格納されているキャッシュデータを参照することで分光反射率推定行列を求めてもよい。
(4) In the above-described embodiment, the spectral information estimation matrix is recalculated for each pixel. However, the present invention is not limited to this. For each filter incident angle, (10) Spectral reflectance estimation matrix is calculated based on the formula, and this is stored in advance in the
(5) さらに、前述した実施の形態例では、干渉フィルタ11及びデジタルカメラ13で構成される撮像系を1つとしたが、これに限定されることではなく、各々撮像系全体の分光特性が異なるような撮像系を複数有し、これらから撮影して得た複数の画像によってマルチバンド化を行い、被写体1の分光反射率取得を行ってもよい。また、複数の撮像系を有しておらず、また撮像系におけるフィルタ11の着脱を行なわなくても、3チャンネルの色情報から分光反射率推定が可能な素材の分光反射率取得が必要な場合でも、干渉フィルタ11など透過率の入射角度依存性のある光学フィルタを撮像系に組み込む場合は、本手法が適用可能である。
(5) Further, in the above-described embodiment, the number of the imaging system including the
(6) さらに、前述した実施の形態例では、干渉フィルタ11はRGBデジタルカメラ13の光軸に垂直に設置するようにしたが、これに限定されることではなく、各画素に入射した光と干渉フィルタ11とのなす角が同定できる手段があれば、角度に応じた干渉フィルタ11の分光透過率を算出し、分光反射率推定行列を求めればよい。
(6) Furthermore, in the above-described embodiment, the
(7) さらに、前述した実施の形態例では、光学フィルタとして干渉フィルタ11を用いるとしたが、これに限定されることではなく、液晶チューナブルフィルタなど、透過率の入射角度依存性が存在するフィルタ全般を使用する際に適用可能である。
(7) Furthermore, in the above-described embodiment, the
(8) さらに、前述した実施の形態例では、被写体1が十分に遠く、レンズ中心を通る光線と干渉フィルタ11がなす角のみを使用するとしたが、これに限定されることではなく、被写体1が分光反射率取得装置10に近く、様々なフィルタ入射角度の光がレンズにより当該画素に集光される場合でも、口径と被写体距離との関係から集光する光のフィルタ入射角度の期待値を求め、それに入射角度を代表させてもよい。
(8) Further, in the above-described embodiment, the
(9) さらに、前述した実施の形態例では、RGBデジタルカメラ13の応答特性は各チャンネル線形であるとしたが、これに限定されることではなく、事前にRGBデジタルカメラ13の応答特性を同定しておき、この逆関数を取得画素値に適用することで線形化すれば、本手法を適用することが可能である。 (9) Furthermore, in the above-described embodiment, the response characteristics of the RGB digital camera 13 are linear for each channel. However, the present invention is not limited to this, and the response characteristics of the RGB digital camera 13 are identified in advance. In addition, if this inverse function is linearized by applying it to the acquired pixel value, this method can be applied.
1…被写体、2…撮影光源、10…分光反射率取得装置、11…干渉フィルタ、12…干渉フィルタ着脱装置、13…RGBデジタルカメラ、14…コンピュータ、15…外部記憶装置、16…プログラム記憶部、17…画像処理部、18…機器制御部、151…フィルタ透過率データテーブル、152…分光反射率・ノイズ記憶部、153…カメラ分光感度データ記憶部、154…光源分光データ記憶部。
DESCRIPTION OF
Claims (9)
前記撮影対象を撮影する撮像機器と、この撮像機器及び撮影対象の間において前記撮像機器の光軸と垂直に設置する光学フィルタとからなる撮像手段と、
この撮像手段で撮像される画像の各画素に対応するイメージセンサの位置に結像される光の前記光学フィルタへの入射角度を算出し、予め入射角度毎に測定し記憶された前記光学フィルタの分光透過率データを用いて、前記光の入射角度に対応する分光透過率データを算出し、前記各画素における分光情報推定行列を算出する手段と、
この算出手段で算出された分光情報推定行列と画素の画素値とから、結像する前記撮影対象上の位置の分光情報を算出する手段と
を備える分光情報取得装置であり、
前記光学フィルタへの入射角度は、画像中心の座標値と、前記各画素の画像上の座標値と、所定の方向における前記イメージセンサの長さに対する前記画像の画素数の比と、前記撮影機器の焦点距離と、により演算される
ことを特徴とする分光情報取得装置。 A spectral information acquisition device that acquires spectral information of an imaging target,
An imaging device for photographing the photographing target, an imaging device consisting of an optical filter to be installed perpendicular to the optical axis of Oite the imaging device during the image acquisition device and the imaging target,
The incident angle to the optical filter of the light imaged at the position of the image sensor corresponding to each pixel of the image picked up by the image pickup means is calculated, and measured and stored in advance for each incident angle of the optical filter. Means for calculating spectral transmittance data corresponding to the incident angle of the light using the spectral transmittance data, and calculating a spectral information estimation matrix in each pixel;
And a pixel value of the spectral information estimation matrix and pixel calculated by the calculation means, a spectral information acquisition device Ru and means for calculating the spectral information of the position on the imaging target to be imaged,
The incident angle to the optical filter includes the coordinate value of the center of the image, the coordinate value on the image of each pixel, the ratio of the number of pixels of the image to the length of the image sensor in a predetermined direction, and the photographing device. And a focal length of the spectral information acquisition device.
この第1のステップで取得された画像の各画素に対応するイメージセンサの位置に結像される光の前記光学フィルタへの入射角度を算出し、予め入射角度毎に測定し記憶された前記光学フィルタの分光透過率データを用いて、前記光の入射角度に対応する分光透過率データを算出し、前記各画素における分光情報推定行列を算出する第2のステップと、
この第2のステップで算出された分光情報推定行列と画素の画素値とから、結像する前記撮影対象上の位置の分光情報を算出する第3のステップと
を設けることにより、前記撮影対象の分光情報を取得する分光情報取得方法であり、
前記光学フィルタへの入射角度は、画像中心の座標値と、前記各画素の画像上の座標値と、所定の方向における前記イメージセンサの長さに対する前記画像の画素数の比と、前記撮影機器の焦点距離と、により演算される
ことを特徴とする分光情報取得方法。 An imaging device for photographing a photographic subject, the first acquiring an image of the imaging target by the imaging means comprising an optical filter to be installed perpendicular to the optical axis of Oite the imaging device during the image pickup device and the imaging target And the steps
The incident angle to the optical filter of the light imaged at the position of the image sensor corresponding to each pixel of the image acquired in the first step is calculated, and the optical measured and stored in advance for each incident angle A second step of calculating spectral transmittance data corresponding to an incident angle of the light using spectral transmittance data of the filter, and calculating a spectral information estimation matrix in each pixel;
By providing the third step of calculating spectral information of the position on the imaging target to be imaged from the spectral information estimation matrix calculated in the second step and the pixel value of the pixel, A spectral information acquisition method for acquiring spectral information,
The incident angle to the optical filter includes the coordinate value of the center of the image, the coordinate value on the image of each pixel, the ratio of the number of pixels of the image to the length of the image sensor in a predetermined direction, and the photographing device. And a focal length of the spectral information.
前記撮影対象を撮影する撮像機器とこの撮像機器及び当該撮影対象の間に設置する光学フィルタとからなる撮像系により前記撮影対象の画像を取得する画像取得手順と、
この画像取得手順で取得された画像の各画素に対応するイメージセンサの位置に結像される光の前記光学フィルタへの入射角度を算出し、予め前記光の入射角度毎に測定し記憶された前記光学フィルタの分光透過率データを用いて、前記光の入射角度に対応する分光透過率データを算出し、前記各画素における分光情報推定行列を算出する分光情報推定行列算出手順と、
この分光情報推定行列算出手順で算出された分光情報推定行列と画素の画素値とから、結像する前記撮影対象上の位置の分光情報を算出する分光情報取得処理手順とを実行させるための分光情報取得用プログラムであり、
前記光学フィルタへの入射角度は、画像中心の座標値と、前記各画素の画像上の座標値と、所定の方向における前記イメージセンサの長さに対する前記画像の画素数の比と、前記撮影機器の焦点距離と、により演算される
分光情報取得用プログラム。 An imaging device for photographing a photographic subject, an imaging system is provided comprised of said shooting target and the optical filter to be installed vertically to the optical axis of Oite the imaging device between the imaging device, and advance the light Spectral transmittance data of the optical filter for each incident angle is stored, and the computer for acquiring and processing the spectral information of the imaging target,
An image acquisition procedure for acquiring an image of the imaging target by an imaging system including an imaging device that captures the imaging target and an optical filter installed between the imaging device and the imaging target;
The incident angle to the optical filter of the light imaged at the position of the image sensor corresponding to each pixel of the image acquired by this image acquisition procedure is calculated, and measured and stored in advance for each incident angle of the light. Spectral transmittance data corresponding to the incident angle of the light is calculated using spectral transmittance data of the optical filter, and a spectral information estimation matrix calculation procedure for calculating a spectral information estimation matrix in each pixel;
And a pixel value of the spectral information estimation matrix and pixel calculated by the spectral information estimation matrix calculation procedure, the order to execute the spectral information acquisition processing procedure for calculating the spectral information of the position on the imaging subject in the imaging A program for obtaining spectral information,
The incident angle to the optical filter includes the coordinate value of the center of the image, the coordinate value on the image of each pixel, the ratio of the number of pixels of the image to the length of the image sensor in a predetermined direction, and the photographing device. Spectral information acquisition program calculated by the focal length of .
The image acquisition procedure includes an imaging system including the imaging device such as a digital camera and the optical filter installed between the imaging device and the imaging target, and each has a different spectral characteristic. The spectral information acquisition program according to claim 7, further comprising: a plurality of such imaging systems, wherein the images captured by the plurality of imaging systems are used as a set of image inputs.
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