基于高光谱成像技术的印刷品颜色测量

现代印刷品色彩丰富、图案复杂、品种繁多, 在线质量检测成为必然要求。 印刷品油墨污点、图案缺陷很容易通过相机成像识别, 而色彩受到光照环境变化、材质差异而显色不同, 且彩色相机自身存在的滤光片或色彩响应差异也会影响彩色相机测量色度。

现有印刷品颜色测量技术

宽幅色度测量技术能提高印刷品生产效率, 主要有滤光片法和高光谱成像法。 其中, 滤光片法有Bayer(或RGB)滤光片和三刺激值滤光片。

使用Bayer滤光片进行颜色测量时, 存在以下局限性: 无法满足Luther条件, 即光谱敏感度与人类视觉不同; 白平衡调整通常在RGB空间中进行, 即使引入颜色修正模型, 但光源的光谱分布并不明确, 简单的色温修正无法保障色度测量准确; 需将滤光片固定在探测器表面, 并与像元位置、大小匹配, 为获得某个像元非自身颜色值时需要通过周边所获颜色对应像元的灰度值进行插值, 由此用在色度测量中不确定度增大。

三刺激值滤光片需安装在滤光轮上, 滤光轮的旋转振动以及曲线光谱透过率与CIE1931-XYZ光谱三刺激值的不匹配都会使仪器测量产生随机误差和系统误差。 光谱增强式测色仪器采用XYZ滤光片并搭配高分辨率的光谱仪及色度增强算法降低滤光片透过率偏差等造成的系统误差, 增加了系统的复杂性又降低了使用效能。 因此, 滤光片法测量颜色信息偏差较大, 颜色匹配精度低, 无法保证多批次印刷品颜色测量结果的一致性。

高光谱颜色测量

高光谱成像技术是高光谱颜色测量系统的基础, 最早被用于遥感领域, 基于该技术的高光谱成像仪(hyperspectral imager, HSI)近年来被用于研究测量物体颜色。

J van Roy等使用HSI测量番茄的颜色并对比了两种基于高光谱图像计算颜色的方法, 发现从光谱中按CIELab值计算颜色的直接法测量精度低, 涉及多变量统计的软建模法仅适用于模型训练过的物体。 Khan[5]等提出了利用HSI检测红辣椒中色素掺假的新方法, 使用支持向量机对500~700 nm波段内的苏丹红等染料的响应光谱进行分类, 实现了高达100%的检测准确率。 Wang[6]等发现在400~1 000 nm的光谱范围内, HSI结合人工神经网络的方法能有效监测大黄鱼鱼片在低温存储期间的颜色变化。 Zhang[7]等提出基于HSI和深度学习算法的智能棉布染色配方预测模型, 但该模型仅应用于活性红、活性黄和活性蓝染色的白色粗棉织物。 Qiu[8]等评估了推扫式显微HSI系统的性能, 发现其可在微米级的高空间分辨率下检测颜色变化。 以上研究均使用HSI作为获取高光谱图像的工具, 并结合相关算法聚焦于提高颜色测量的准确性, 忽略了高光谱成像装置本身的性能参数以及光照条件等环境因素对颜色测量的影响。

本工作首先构建印刷品色度仪器指标需求分析模型, 确定了主要性能参数, 并由此研制了基于凸面衍射光栅Offner型分光组件的推扫式宽幅色度成像装置。 经过波长定标和反射率定标就可开展色度测量, 色板测量实验验证其用于印刷品颜色测量领域的可行性, 为高光谱成像技术在印刷品颜色测量的应用提供了理论参考和实验依据。

工作原理

成像光谱仪具有图谱获取能力, 通过归一化反射光谱数据处理可以反演各种照明条件下的物体颜色。 基于研制的成像光谱仪[9]构建推扫式宽幅色度成像装置(push-broom colorimetric imaging device, PBCID), 硬件主要由LED光源、像方远心前置物镜、Offner分光组件、CCD探测器、伺服直线移动平台和计算机组成。 LED光源提供均匀覆盖可见光范围的稳定照明, 并满足45° /0° 照明几何条件。

前置物镜对被照明的印刷品表面高清晰成像, 把收集的光信号汇集到分光组件的入射狭缝上。 Offner分光组件将入射的光线经准直、分光、汇聚后, 在探测器上可得到被测印品的一个条带的色散谱线。 狭缝在被测面的共轭长度形成成像幅宽, 伺服平台带动印刷品或仪器作相对扫描运动, 移动距离决定了成像幅长。

PBCID的测色处理流程如图1所示, 主要由光谱推扫成像、仪器标定和色度数据处理组成, 一次推扫成像可得到一定幅面印刷品的二维空间和一维光谱信息, 通过横向移动多次扫描并拼接图像可得到更大幅面的三维光谱数据立方体。

波长定标的目的是定位PBCID探测器谱面各空间视场波长, 反射率定标是建立探测器灰度值和被测面反射率之间的关系。

由此可得到印刷品表面宽波段光谱反射率曲线, 然后进行色度处理。 色度处理部分主要开展积分计算, 将光源相对光谱功率分布A、与光源无关的印刷样品的光谱反射率曲线B以及光谱三刺激值相乘并积分得到三刺激值D(X、Y、Z), 分别对应D-1、D-2、D-3三个曲线图中阴影区域的积分。 然后利用色空间计算公式或转化公式得到各点色坐标值, 后续可开展色差或色均匀性计算等处理。