将RGB像素转换为波长

Question

我需要识别从光源（光谱仪）发出的光谱。 为此，我需要将每个像素转换为波长。

为了克服 RGB 值没有单一值的问题，我将使用棱镜来获得光学点阵。这样一来，我就收到了频谱的部署，频谱的差异仅在 X 轴上。

我的问题是，我如何将像素转换为波长并接收作为波长函数的强度图。

Answer 1

1. 你必须从x位置得到wavelength

   您不能从颜色计算波长，因为两者不是一回事。所以首先你应该用已知的波长校准你的光谱仪。从那个推断函数：

   wavelength = f(x)
   

   通过 LUT 和插值，或通过近似多项式。欲了解更多信息，请参阅：

   • Piecewise cubic interpolation
   • Reverse complex 2D lookup table 虽然你只需要一维案例

   您可以使用太阳光作为参考，并根据已知的光谱 (Fraunhofer) 线进行校准。这里先example I found on google：

   所以在我这里拍摄/绘制阳光：

   交叉匹配Fraunhofer lines（较暗的线条，当心过度曝光的图像，它们可能会搞砸，强度是R+G+B，没有重量，我们不希望人类感知像转换）并制作一张已知波长表图像中的 x 个位置。从中插入您的wavelength = f(x)。

   正如您所见，我拍摄的太阳光谱或多或少与参考光谱相匹配（差异是由于光栅材料、拜耳滤光片、相机属性、云层和大气等造成的）。弗劳恩霍夫线如何不容易被局部最小值检测到，因此可能是一些用户辅助 GUI 样式将是一个更好的主意。

   但请注意，WEB 上的大多数光谱图像都是错误的、非线性的或偏移的！！！ 所以为了确保我从线性化光谱数据 like this 创建了一个参考光谱，这里的结果是 @987654345 @：

   这里的情节：

   灰线是 400-700 nm 的网格，步长为 10 nm。

   您的设置应如下所示：

   这是来自我的光谱仪的图像（看着我的 LCD 上的白色区域）：

   我使用的是由 DVD 制成的光栅网格，因此是圆弧形状。现在，如果您的相机相对于棱镜处于固定位置，那么对于选定的水平线，像素的 x 位置直接对应于特定波长。

   如果您没有看到任何 Fraunhofer 线，则说明您缺少棱镜/光栅之前的光圈。我通常使用由薄纸设置的 2 个相距 0.1 mm 的剃须刀片。如果您的图像失焦，您需要在相机/传感器之前添加镜头，或者添加更多的外部光线屏蔽。

   正如我之前提到的您无法从颜色中获取波长，因为输入光谱的“无限”组合会产生相同的 RGB 响应。例如，采用白色......它可以由 3 个或更多不同的波长甚至连续的白噪声组成。所以从RGB你不能分辨它是哪一个......如果你还加上棱镜/光栅组合的x位置，那么你可以获得波长，但它会比直接从@987654347直接转换要复杂得多，精度也更低@位置...

2. 根据 RGB 计算强度

   这可能有点棘手，因为您的传感器可能对不同的波长具有不同的灵敏度。您可以将强度归一化，类似于 #1。只需拍摄已知强度的光源并估算丢失的波长即可。这也可以用阳光作为光源来完成

   根据标准化颜色，您只需计算灰度强度即可。

   为了提高准确性，您可以对同一 x 的所有像素进行平均。

   此外，为了提高准确性和灵敏度，通常会通过设计或删除Bayer filter 来使用非彩色传感器（主要是线性相机），这样它就不会弄乱数据。

3. 绘制数据

   x 轴是波长，y 轴是强度。如果你想应用光谱颜色，你可以使用这个：

   • RGB values of visible spectrum

注意校准数据可能会随温度变化...

Answer 2

如果我正确理解您想要达到的目标，它是可行的（有点），但需要校准。

首先您想在 hsv 空间上工作，您可以使用 rgb2hsv 进行此操作

在 HSV 空间中，“V”或“值”将为您提供给定像素的光强度。这将是您要绘制的值，以便获得您显示的图表。您可以获取每列像素的平均值，也可以只分析中间行，无论哪种方式更适合您。

现在，有趣的部分。如何获取图表的 x 轴值。从理论上讲，您的棱镜会将光分成特定的波长，每个波长都有一个独特的“H”或“色调”值，与

相关

Hue = (650 - wavelength)*240/(650-475)

更多关于它here

但这只能在理想的照明条件下工作，并且如果您的相机足够灵敏并且它的 ccd 具有真正的绿色、红色和蓝色，我不知道如何测试。更不用说您将在显示器中看到的波长还取决于显示器的校准，所以我不会相信它。

您可以通过“S”或“饱和度”的值来检查每个像素的纯净度和理想度。越高越好。

我建议你做的是手动校准它。查看您的光谱并用铅笔或其他东西标记您知道其波长的颜色，然后使用这些标记定义图表的 x 轴。

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我忘了说，你只需要校准一次，一旦你知道相机中哪个波长与哪个色调相匹配，你就可以自动进行设置，甚至你所有像素的scatter(hue_wavelenght,value) 都可以工作

Answer 3

聚会迟到了。但这里有一个想法，可以准确（接近科学方法）将传感器像素的 RGB 转换为波长图中的强度值。

1. 获取已知波长的光源。

发射带宽越窄越好。激光器适用于此类要求，但也要注意功率并确保它不超过图像传感器的限制。最好用三个波长（红、绿、蓝）校准测量系统。理想情况下，当使用红色激光时，读出原始图像并寻找像素的绿色和蓝色通道上的任何电荷积累。 （因为每个像素都有拜耳过滤器图案）。如果累积太高，请考虑使用质量好的图像传感器。并且，然后遵循 Noel Segura Meraz 建议的 HSV 方法。对您捕获的图像使用垂直合并。垂直分箱是您只需在传感器阵列中添加列的强度值。使用这三种激光校准系统后，将它们混合并匹配以验证您的插值功能是否正常工作。

1. 获取图像传感器中像素的波长效率

如果无法从图像传感器的规格表中获取此信息，则在图像传感器之前的光学设置中引入薄垂直狭缝，从而仅选择特定波长。获取每个波长的所有垂直分档强度值，以表征您的图像传感器。狭缝不应太薄，以免引入光的衍射效应。 如果图像传感器对于每个波长具有几乎相同的强度值，它将具有很好的特性。使用此数据缩放从第 1 步获得的波长与强度图。

1. 在进行光学设置之前使用宽带输入光源，以充分利用光谱

尽管您尝试实现的目标是完全有效的，但它并不是一个高精度的仪器系统，因此研究人员/行业不使用它。在真正的光谱仪中（主要）使用衍射光栅，光栅上的线之间的距离和入射角用于计算 CCD 传感器（或任何光传感器的线性阵列）上的波长扩展事实）。通常，调整该角度以实现所需的波长扩展而不损失分辨率。这是一个example from Andor，用他们的产品设计一个系统。

Answer 4

我会开始尝试反转this code，这与您想要的完全相反。最后的东西（% LET THE INTENSITY SSS FALL OFF NEAR THE VISION LIMITS）与你的情况无关，它试图重建人类的感知。

如果您真的想要一个准确的运行系统，您将需要建立某种校准过程，大多数相机都不是很准确，而且行为会根据温度等因素而变化，因此您必须重复它。

您是否也简化了替代方案，使用位置来识别波长？将所有东西都设置在固定位置后，您可以计算出每个波长在表面上的最终位置。剩下要做的是建立一些将像素与波长相关联的校准图，一些工作要做，但将所有内容都放在固定设置中，这是您只需要做一次的校准。另一个优势是，一旦您在表面上写下刻度，您就可以轻松记录并验证感应到的数据。