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芬兰Specim FX10c高光谱相机在工业检测上的应用---颜色测量


时间:2019-01-11

应用领域:相机 机器视觉


引言
   在面包烘焙行业,面包皮的颜色反映了烘焙时长和火候掌握的是否恰到好处。最佳的烘焙时间可以减少浪费,从而降低成本。
   将面包烘焙到最佳的颜色绝对是一项挑战。虽然烘焙师可以通过眼睛观察来掌握烘焙时间和火候,但结果非常主观,并且不同烘焙师的烘焙技术存在明显差异。RGB相机的色彩感知明显比人眼差,而且对于许多应用场景来说准确度远远不够。
芬兰Specim高光谱相机在色彩测量准确度上优于人眼,对颜色的测量结果客观可靠,且重复性好

   为了演示说明高光谱相机是如何用于颜色测量和分析的,我们测量了在烤箱中烘烤不同时长的面包的颜色。标准的烘烤时间为5-6分钟,最短的烘烤时间为3分钟,烘烤时间依次增加1分钟。明显烤焦的面包(黑色)烘烤了8分钟。

目录

01.Lab颜色空间
02.实验测试
03.分析和结果
04.结论

01. Lab颜色空间

   芬兰Specim高光谱相机可以采集目标物的反射光谱信息,并使用Lab颜色空间来分析光谱信息。 Lab颜色空间是一个三维颜色坐标系,其中,

   上文“引言”中提到,当涉及对色彩感知精度时,RGB相机甚至比不上人眼。为了表示颜色感知精度,我们使用ΔE值,它用于描述LAB颜色空间中两点之间的差异,ΔE值越小,感知越准确。人眼可以达到约ΔE= 1,而RGB相机只能达到ΔE= 8-10的精度。高光谱相机则能够达到ΔE<1(绝对值),它意味着在LAB色彩空间中颜色的准确位置。色差的相对值,是描述LAB颜色空间中两种颜色之间差异的相对值,高光谱相机可以达到约ΔE= 0.2。

   LAB颜色的绝对值意味着颜色精度,与设备无关,且用不同方法测量出的颜色结果具有可靠的对比性。

02. 实验测试

   实验环境:
  Specim FX10c
  Specim Labscanner 40x20
  卤素灯光源:DECOSTAR 51 ALU(型号)35W(额定功率) 12V(额定电压) 36deg (光束角度)GU5.3 lamps(灯座)
  工业PC和Lumo Recorder SW

   实验使用芬兰Specim FX10c高光谱相机,光谱范围为400-770nm。Specim FX10c是专为颜色测量而设计的一款高光谱相机。

   芬兰Specim FX10c高光谱相机采用推扫式成像原理,在图像集采过程中相机与目标物需要相对运动。在测试中,将Specim FX10c相机安装在Specim Labscanner 40x20运动平台上,该运动平台承载着目标物运动。或者将Specim FX10c相机安装在线性运动导轨上,目标物保持静止不动。
   为了得到充足的照明,使用2条光源照明。2条光源保持相对照明,即光线重叠为一条线,这样既保证了光照强度,又不会在目标物上留下阴影。
   光源的参数如下:

  型号:DECOSTAR 51 ALU
  额定功率:35W
  额定电压12V
  光束角度:36deg
  灯座:GU5.3 lamps

   数据采集使用Specim Lumo Scanner数据采集软件,该软件运行在工业PC上的。


03. 数据分析
   我们使用芬兰Specim公司的专有分析软件分析了样品的原始数据,并获得了表征面包外观颜色的Lab值。为使分析结果简单明了,我们仅呈现三个单独测量点的Lab值;当然,我们也可以获取图像的每个像素点的Lab值。

   请参阅下表,表中列出了每个面包上三个不同测量点的Lab值。

从以上分析得出的数据我们能够明显的看到:
  按照配方烘烤的面包,L值约为50-60。未烤熟的面包的L值明显较高(超过65),而烤焦的面包的L值明显较低,约为35。
  未烤熟或烤焦面包的a值都较低(﹤16),最佳的a值约为20-22。
  除非面包被烤焦,否则b值几乎没有差异。若b值﹤10,面包被轻微的烤焦;若b值﹤4,则面包明显被烤焦了

下图可以看到面包上每个测量点的具体情况:

烘烤3分钟:未烤熟的面包的L值始终高于65,而b值略高于烤熟的面包。

烘烤4分钟:有2个测量点的Lab值看起来与按配方烘烤的面包的Lab值接近。而第三个测量点(L:74.4  a:15.6  b:40.3)

表明面包尚未烤熟:该点的Lab值接近未烤熟面包(烘烤3分钟)的Lab值。

烘烤5分钟:此面包的烘烤时间是在配方要求的时间之内。三个测量点的L值均没有超过70,

而a值高于烤焦和未烤熟面包的a值,b值大约为30。


烘烤6分钟:虽然此面包的烘烤时间在最佳烘烤时间之内,但其中一个测量点(L:28.2  a:19.8   b:18.7)的值低于烘烤了5分钟的面包。

这表明该面包的烘烤时间应该接近5分钟,而不是6分钟,即使有两个测量点的Lab值符合按配方要求烘烤的面包颜色。
这表明,为了确保整个面包烘烤均匀,有必要测量尽可能多的点。


烘烤7分钟:在视觉检测中,此面包的烘烤时间略微过长,但还可以食用。所有测量的Lab值都更接近烤焦的面包(烘烤8分钟),

这表明此面包不符合我们的质量标准。


烘烤8分钟:此面包明显被烤焦,每个测量点的Lab值都低于我们测量过的其他面包。

04. 结论
   芬兰Specim高光谱相机可提供目标物的丰富的光谱信息,非常适用于颜色测量,且比RGB相机测量更精确、更客观。在烘焙行业,可以通过准确地测量面包的外观颜色来调整烘焙过程以提高产品质量。推扫式成像技术可以测量目标物的每个像素点,从而确保产品不会被过度或不均匀地烘烤。
   为了验证芬兰Specim高光谱相机在烘焙行业中的适用性,我们测量了不同烘烤时间下的面包的外观颜色。即使是通过小批量测试,也很容易看出烘烤时间是如何影响面包颜色的Lab值。随着烘烤时间的增加, L值(表示亮度)减小。过度烘烤的面包颜色的b值明显低于其他面包。根据测量结果,可以很容易的控制最佳烘焙时长,这不仅有助于根据烘烤质量对面包进行分类,而且还可以调整烘焙过程以获得最佳的烘焙质量。
   芬兰Specim高光谱相机不仅适用于食品的颜色测量,且适用于精美印刷品的色差检测,在汽车车身的颜色测量上也有应用案例。另外,针对食品,还可以检测食品中的异物、检测糖分或水分的含量、检测填充物是否均匀分布等。在线检测过程快速、可靠,可显著提高食品质量和安全性。