光谱推断参数生成装置和方法以及光谱推断装置

摘要

本发明公开了光谱推断参数生成装置和方法以及光谱推断装置，该光谱推断参数生成装置和方法利用光谱计测器计测多个色卡的光谱分布，对多谱段照相机的谱段指示用数据设定初始值，基于通过谱段指示用数据确定时的照相机的光谱灵敏度和来自各色卡的光的光谱特性计算照相机输出信号，根据每个色卡的光谱分布和照相机输出信号计算光谱推断参数的候选值，使谱段指示用数据从初始值开始依次变化以使得评价函数接近目标值，求出并存储达到目标值时的光谱推断参数，所述评价函数定义在每个色卡的光谱分布与根据光谱推断参数的候选值及照相机输出信号计算的光谱推断值之间。

说明书

技术领域

本发明涉及根据从拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像生成 用于推断所述被摄体的光谱反射率谱的光谱推断参数的技术以及使用所述 光谱推断参数推断被摄体的光谱反射率谱的技术。

背景技术

以往，提出了根据从拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像推 断所述被摄体的光谱反射率谱的方法(专利文献1)。这种推断方法按每个 多谱段图像的波段预先编制变换表，从拍摄被摄体得到的多谱段图像使用 所述变换表变换成反射率，由此推断被摄体的光谱反射率谱。

然而，在上述现有技术中存在这样的问题：只能根据谱段数多的多谱 段图像推断高精度的光谱反射率谱。这是因为，要测定的各谱段被预先确 定，谱段的位置对于多谱段照相机和/或被摄体并不是最适合，因此只能根 据有大量谱段数的多谱段图像高精度地进行推断。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而实现的，其目的在于根据少量谱段数的 多谱段图像也可以高精度地推断光谱反射率谱。

本发明是为了解决上述课题的至少一部分而实现的，可以作为以下的 方式而实现。

本发明的第一方式是光谱推断参数生成装置，其生成光谱推断参数， 该光谱推断参数用于根据从驱动波长可变滤光器而在多个波段的各个拍摄 被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像，推断所述被摄体的光谱反射率 谱。光谱推断参数生成装置具备：初始值设定部，其对用于确定所述多个 波段的谱段指示用数据设定初始值；光谱计测器，其计测关于多个色卡的 各个的光谱分布；照相机输出计算部，其基于通过所述谱段指示用数据确 定了所述多个波段时的所述多谱段照相机的光谱灵敏度和来自所述各色卡 的光的光谱特性计算照相机输出信号，所述照相机输出信号表示按每个所 述色卡从所述多谱段照相机输出的多谱段图像；参数候选值计算部，其基 于通过所述光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布和通过所述照相机 输出计算部计算的照相机输出信号计算所述光谱推断参数的候选值；评价 函数控制部，其使所述谱段指示用数据从所述初始值开始依次变化以使得 评价函数接近目标值，并求出与所述评价函数达到了所述目标值时的所述 谱段指示用数据对应的光谱推断参数，所述评价函数定义在通过所述光谱 计测器计测的每个所述色卡的光谱分布与基于所述光谱推断参数的候选值 及所述照相机输出信号计算的光谱推断值之间；以及存储部，其存储通过 所述评价函数控制部求出的所述光谱推断参数和达到了所述目标值时的所 述谱段指示用数据。

根据第一方式的光谱推断参数生成装置，通过使所述谱段指示用数据 从初始值开始依次变化，来进行控制以使得评价函数接近目标值，所述评 价函数定义在通过光谱计测器计测的每个所述色卡的光谱分布与通过推断 求出了光谱分布的光谱推断值之间。光谱推断值基于光谱推断参数的候选 值和照相机输出信号计算。然后，将与评价函数达到了所述目标值时的所 述谱段指示用数据对应的光谱推断参数和其所述谱段指示用数据存储于存 储部。因此，在由多谱段照相机进行拍摄时，使用存储部中存储的谱段指 示用数据驱动波长可变滤光器，以便成为根据所述谱段指示用数据确定的 波段(谱段)，进而，在根据多谱段图像推断被摄体的光谱反射率谱时，只 要使用存储部中存储的光谱推断参数，便能够根据少谱段数的多谱段图像 推断高精度的光谱反射率谱。因此，根据第一方式的光谱推断参数生成装 置，可产生这样的效果：能够生成可以根据少谱段数的多谱段图像推断高 精度的光谱反射率谱的光谱推断参数。

在所述第一方式的光谱推断参数生成装置中，也可以设定为所述评价 函数控制部具有使所述光谱推断参数的候选值依次变化的结构。

根据该光谱推断参数生成装置，在评价函数为非线性的情况下也可以 实现评价函数的最优化。因此，可以生成能够实现更高精度的光谱推断的 光谱推断参数。

在所述光谱推断参数生成装置中，也可以设定为所述评价函数包含使 用了颜色匹配函数的权重系数。

根据该光谱推断参数生成装置，可以实现对色差加以考虑了的光谱反 射率谱的推断。

在所述第一方式的光谱推断参数生成装置中，也可以设定为所述评价 函数通过所述光谱推断值相对于每个所述色卡的光谱分布的误差的平方范 数而定义。

根据该光谱推断参数生成装置，能够使光谱推断值接近每个色卡的光 谱分布。

本发明的第二方式是光谱推断装置，其根据从驱动波长可变滤光器而 在多个波段的各个拍摄被摄体的多谱段照相机输出的多谱段图像，推断所 述被摄体的光谱反射率谱。光谱推断装置具备：推断装置侧存储部，其存 储用于推断所述被摄体的光谱反射率谱的光谱推断参数和用于确定所述多 个波段的谱段指示用数据；谱段指示部，其通过将存储于所述推断装置侧 存储部的所述谱段指示用数据传送至所述多谱段照相机，对所述多谱段照 相机指示要拍摄的多个波段；多谱段图像取得部，其从所述多谱段照相机 取得在所述各波段拍摄的多谱段图像；以及光谱运算部，其使用存储于所 述推断装置侧存储部的光谱推断参数，根据所述多谱段图像运算所述光谱 反射率谱。

根据第二方式的光谱推断装置，能够指定对于多谱段照相机适合化的 波段，并能够在根据这样得到的多谱段图像运算光谱反射率谱时使用适合 化的光谱推断参数。因此，能够用所述光谱推断装置根据多谱段图像高精 度地推断光谱反射率谱。

本发明的第三方式是生成光谱推断参数的方法，该光谱推断参数用于 根据从驱动波长可变滤光器而在多个波段的各个拍摄被摄体的多谱段照相 机输出的多谱段图像，推断所述被摄体的光谱反射率谱。该方法包括：对 用于确定所述多个波段的谱段指示用数据设定初始值；通过光谱计测器计 测关于多个色卡的各个的光谱分布；基于通过所述谱段指示用数据确定了 所述多个波段时的所述多谱段照相机的光谱灵敏度和来自所述各色卡的光 的光谱特性，计算照相机输出信号，所述照相机输出信号表示按每个所述 色卡从所述多谱段照相机输出的多谱段图像；基于通过所述光谱计测器计 测的每个所述色卡的光谱分布和所述照相机输出信号计算所述光谱推断参 数的候选值；使所述谱段指示用数据从所述初始值开始依次变化以使得评 价函数接近目标值，并求出与所述评价函数达到了所述目标值时的所述谱 段指示用数据对应的光谱推断参数，所述评价函数定义在通过所述光谱计 测器计测的每个所述色卡的光谱分布和基于所述光谱推断参数的候选值和 所述照相机输出信号计算的光谱推断值之间；以及将所述求出的所述光谱 推断参数和达到了所述目标值时的所述谱段指示用数据存储于存储部。

第三方式的光谱推断参数生成方法与第一方式的光谱推断参数生成装 置同样，可产生这样的效果：能够生成可以根据少谱段数的多谱段图像推 断高精度的光谱反射率谱的光谱推断参数。

本发明也能够以上述各方式以外的各种方式实现。例如，能够以具备 光谱推断参数生成装置与多谱段照相机的新鲜度判定系统的方式实现。

例如，本发明的一种方式可以作为具备初始值设定部、计测器、第1 计算部、第2计算部、控制部、存储部这6个要素内的1个以上要素的装 置实现。即，该装置可以具有设定部，也可以不具有。此外，该装置可以 具有计测器，也可以不具有。此外，装置可以具有第1计算部，也可以不 具有。此外，装置可以具有第2计算部，也可以不具有。此外，装置可以 具有控制部，也可以不具有。此外，装置可以具有存储部，也可以不具有。 设定部，例如可以构成为对用于确定多个波段的谱段指示用数据设定初始 值。计测器，例如可以构成为计测关于多个色卡的各个的光谱分布。第1 计算部，例如可以构成为基于通过谱段指示用数据确定了多个波段时的多 谱段照相机的光谱灵敏度和来自各色卡的光的光谱特性，按每个色卡计算 表示从多谱段照相机输出的多谱段图像的照相机输出信号。第2计算部， 例如可以构成为基于每个色卡的光谱分布和照相机输出信号计算光谱推断 参数的候选值。控制部，例如可以构成为使谱段指示用数据从初始值开始 依次变化以使得评价函数接近目标值并求出与评价函数达到目标值时的谱 段指示用数据对应的光谱推断参数，所述评价函数定义在每个色卡的光谱 分布与基于光谱推断参数的候选值及照相机输出信号计算的光谱推断值之 间。存储部，例如可以构成为存储光谱推断参数和达到目标值时的谱段指 示用数据的存储部。这样的装置例如能够作为光谱推断参数生成装置实现， 但是也可以作为光谱推断参数生成装置以外的其他装置实现。根据这样的 方式，能够解决装置的小型化和/或低成本化、省资源化、制造容易化、使 用便利性的提高等各种课题中的至少1个。上述的光谱推断参数生成装置 的各个方式的技术特征的一部分或全部均可应用于该装置。

进而，例如本发明的一种方式可以作为具备存储部、指示部、图像取 得部、运算部这4个要素内的1个以上的要素的装置而实现。即，该装置 可以具有存储部，也可以不具有。此外，装置可以具有指示部，也可以不 具有。此外，装置可以具有图像取得部，也可以不具有。此外，装置可以 具有运算部，也可以不具有。存储部，例如可以构成为存储用于推断被摄 体的光谱反射率谱的光谱推断参数和用于确定多个波段的谱段指示用数 据。指示部，例如可以构成为通过将谱段指示用数据传送至多谱段照相机 来对多谱段照相机指示要拍摄的多个波段。图像取得部，例如可以构成为 从多谱段照相机取得在各波段拍摄的多谱段图像。运算部，例如可以构成 为使用光谱推断参数来根据多谱段图像运算光谱反射率谱。这样的装置例 如能够作为光谱推断装置实现，但也能够作为光谱推断装置以外的其他装 置实现。根据这样的方式，能够解决装置的小型化和/或低成本化、省资源 化、制造容易化、使用便利性的提高等各种课题中的至少1个。上述的光 谱推断装置的各个方式的技术特征的一部分或全部均可应用于该装置。

附图说明

图1是概略地表示作为本发明的第1实施例的光谱推断参数生成装置 的结构的说明图。

图2是表示光谱推断参数生成处理的流程图。

图3是概略地表示多谱段照相机的内部结构的说明图。

图4是表示在光谱推断参数生成处理的步骤S130执行的照相机输出信 号的计算处理的流程图。

图5是图式化表示照相机输出信号的计算处理的前半部分的说明图。

图6是图式化表示照相机输出信号的计算处理的后半部分的说明图。

图7是概略地表示光谱图像处理装置及其外围装置的说明图。

图8是表示权重系数与波长的关系的曲线图。

图9是表示第2实施例中的光谱推断参数生成处理的流程图。

符号说明

10…CPU，12…初始值设定部，14…照相机输出计算部，16…参数候 选值计算部，18…评价函数控制部，30…ROM，40…RAM，60…输出接 口，100…光谱推断参数生成装置，200…光谱计测器，300…监视器，400… 多谱段照相机，410…透镜单元，420…波长可变滤光器，450…光源单元， 500…光谱图像处理装置，510…CPU，512…测定段指示部，514…光谱推 断部，516…检测/诊断部，530…存储器，550…输入输出接口，600…多谱 段照相机，700…显示装置，C…监视器显示色光谱特性，ET…滤光器光谱 灵敏度，PD…光电二极管光谱灵敏度，M…光谱推断参数，D…照相机输 出信号，S…照相机光谱灵敏度，I…光谱分布，F…评价函数，T…被摄体， BD…中心波长数据。

具体实施方式

以下，基于实施例说明本发明的实施方式。

A.第1实施例:

A-1.光谱推断参数生成装置:

图1是概略地表示作为本发明的第1实施例的光谱推断参数生成装置 100的结构的说明图。如图所示，光谱推断参数生成装置100与光谱计测 器200电连接。

光谱推断参数生成装置100具备：通过执行计算机程序来进行各种处 理和/或控制的CPU10；存储计算机程序和/或数据、信息的ROM(存储器、 存储部)30；作为临时数据的存放处的RAM40；输入接口(I/F)50；以及输 出接口(I/F)60。光谱推断参数生成装置100经由输入接口(I/F)50取得由光 谱计测器200计测的光谱分布数据。

ROM30是存储各种计算机程序和/或各种数据的只读存储器。作为计 算机程序，预先存储有光谱推断参数生成处理用的程序。作为各种数据， 如图所示，预先存储有用于光谱推断参数的生成的滤光器光谱灵敏度ET、 光电二极管光谱灵敏度PD和监视器显示色光谱特性C的各数据。关于这 些ET、PS、C，将在后文详述。RAM40为可读写的存储器。

CPU10，通过执行ROM30中存储的光谱推断参数生成处理用程序， 在功能上实现初始值设定部12、照相机输出计算部14、参数候选值计算部 16和评价函数控制部18。通过依次实现各部12～18，CPU10基于从光谱 计测器200得到的光谱分布数据生成光谱推断参数M，并将该生成的光谱 推断参数M与中心波长数据BD(后述)一起保存在RAM40中。

光谱计测器200是公知的设备，其使来自被计测体的光通过光谱器， 并由摄像元件的摄像面承接从光谱器输出的光谱，由此计测表示所述被计 测体对于波长的特性的光谱分布，在此，将被计测体设定为监视器300的 画面。

监视器300同时在一个画面显示多个色卡。各色卡是出射预定波长范 围(例如可见光380nm～780nm)内的不同波段的光的色样本，例如准备100 个或200个。光谱计测器200计测监视器300所显示的每个色卡的光谱分 布。另外，监视器300可以在画面上显示一个或多个(使用的多个色卡中的 几个)色卡。在这种情况下，顺序地反复显示不同的色卡，将使用的色卡全 部进行显示。

另外，本实施例中多个色卡以监视器300的彩色显示的形式提供，但 是也可代之设定为下述构成：准备具有各种颜色的比色图表，通过用光源 照射该比色图表来提供多个色卡。即，在本实施例中，光谱计测器200将 监视器300发出的色光作为色卡进行计测，相对于此，在使用比色图表的 情况下，将来自比色图表的反射光作为色卡进行计测。

A-2.光谱推断参数生成处理:

如上文所述，通过由CPU10执行ROM30中存储的光谱推断参数生成 处理用程序来实现光谱推断参数生成处理。

图2是表示光谱推断参数生成处理的流程图。如图所示，若处理开始， 则CPU10驱动光谱计测器200，取得由光谱计测器200计测的光谱分布数 据I(步骤S110)。使用光谱计测器200的计测，通过用光谱计测器200拍 摄监视器300上显示的各个色卡来进行。

执行了步骤S110后，CPU10进行对中心波长数据BD设定初始值的 处理，所述中心波长数据BD可确定要用多谱段照相机进行拍摄的波段(步 骤S120)。为了说明“多谱段照相机”、“中心波长数据”，关于多谱段 照相机的结构作如下说明。

图3是概略地表示多谱段照相机400的内部结构的说明图。如图所示， 多谱段照相机400具备透镜单元410、波长可变滤光器420、CCD430、 CCDAFE(Analog Front End，模拟前端)440和光源单元450等。

透镜单元410不具备将焦距对准被摄体T(被计测体)的自动对焦机构， 但是也可采用具有自动对焦机构的装置。波长可变滤光器420采用可改变 透射波段的液晶标准具型(法布里-珀罗型)的滤光器。CCD430是对透射 过波长可变滤光器420的光进行光电变换而得到表示被摄体像的电信号的 摄像器件。CCDAFE440是用于将CCD430的检测信号数字化的装置。光 源单元450用来照射被摄体T。

上述结构的多谱段照相机400由波长可变滤光器420从外部按顺序接 受进行拍摄的波段的指示，由此依次改变波长可变滤光器420的透射波段。 这样，多谱段照相机400能够以多个波段(多谱段)的灵敏度拍摄被摄体T。

返回到图2，在步骤S120设定初始值的中心波长数据BD，是用来对 多谱段照相机400的波长可变滤光器420进行指示的数据，用来确定由多 谱段照相机400进行拍摄的多个波段(以下称为“谱段”)。本实施例中， 设定用中心波长来确定各谱段。作为初始值，准备380nm、385nm、……、 780nm、即从380nm开始以5nm间隔到780nm的81个数据，将该初始值 设定为中心波长数据BD。

另外，中心波长数据BD的初始值不必限于上述的81个数据，而可以 设定为10nm间隔的41个数据，只要是多个则几个都可。此外，不必一定 是等间隔的数据。进而，范围也不必限于可见光的范围，而可以设定为包 含380nm～1100nm这样的红外光的范围内的数据。进而，置换利用中心 波长确定各谱段的结构，而既可以设定为利用各谱段的开始点的波长来确 定的结构，也可以设定为利用各谱段的结束点的波长来确定的结构。中心 波长数据BD相当于“发明内容”部分中记载的“谱段指示用数据”。

接着，CPU10执行计算与中心波长数据BD相应的照相机输出信号D 的处理(步骤S130)。照相机输出信号D是在使用多谱段照相机400在由中 心波长数据BD确定的各谱段拍摄被摄体T时得到的多谱段图像的信号值， 通过以下方式求出。

图4是用于详细说明在步骤S130执行的照相机输出信号D的计算处 理的流程图。如图所示，若处理转移到该计算处理，则CPU10进行从 ROM30读出与中心波长数据BD相应的滤光器光谱灵敏度ET的处理(步 骤S132)。

具体而言，ROM30中存储有以380nm到780nm的任意波长(例如， 每隔1nm的波长)为中心波长的每个谱段的标准具的灵敏度。在步骤S132， 从这多个标准具的灵敏度中选择出与中心波长数据BD的各值对应的各标 准具的灵敏度，将它们的集合作为滤光器光谱灵敏度ET从ROM30读出。 另外，ROM30中预先存储的标准具的各灵敏度是依赖于多谱段照相机400 的机型的数据，是多谱段照相机400的该机型用的灵敏度。

图5和图6是图式化表示步骤S130中的照相机输出信号D的计算处 理的说明图。在步骤S132从ROM30读出的滤光器光谱灵敏度ET，由图 5(a)的曲线图示出。如该图所示，滤光器光谱灵敏度ET示出从谱段1到谱 段m的各波段的灵敏度。m是在步骤S120设定的初始值所包含的数据的 个数即81。谱段1是以380nm为中心的预定宽度的波段，谱段2是以385nm 为中心的预定宽度的波段，……，谱段m是以780nm为中心的预定宽度 的波段。

在执行了图4的步骤S132后，CPU10进行从ROM30读出光电二极 管光谱灵敏度PD的处理(步骤S134)。光电二极管光谱灵敏度PD是构成 多谱段照相机400中所具备的CCD230的元件(光电二极管)的灵敏度，如 图5(b)所示，该灵敏度随着波长加大而增大。另外，ROM30中存储的光 电二极管光谱灵敏度PD是依赖于多谱段照相机400的机型的数据，是多 谱段照相机400的该机型用的灵敏度。

接着，CPU10对在步骤S132读出的滤光器光谱灵敏度ET乘以在步 骤S134读出的光电二极管光谱灵敏度PD，由此求出多谱段照相机400的 光谱灵敏度(以下称为“照相机光谱灵敏度”)S(步骤S136)。另外，照相 机光谱灵敏度S也依赖于多谱段照相机400的机型。

这样得到的照相机光谱灵敏度S是将图5(a)和图5(b)相乘而得到的， 因此成为图5(c)所示的特性。这样的照相机光谱灵敏度S能够如下式(1)所 示表示为将m×n的矩阵转置而得到的矩阵，此外，能够如下式(2)所示进 行表示。这里，m如上所述为谱段数，n为监视器300所显示的色卡数。

【数学式1】

在执行了图4的步骤S136后，CPU10进行从ROM30读出监视器显 示色光谱特性C的处理(步骤S138)。监视器显示色光谱特性C是表示前 述的监视器300所显示的各色卡的光谱分布的数据，通过用测色计测定各 色卡而得到。作为测色计，例如使用PHOTO RESEARCH公司制造的 “PR-650”。

图6(d)示出了监视器显示色光谱特性C。图6(d)的上部是表示关于一 个色卡的光谱分布的曲线图，图6(d)的下部是从ROM30读出的表示监视 器显示色光谱特性C的矩阵。如图6(d)的曲线图所示，关于一个色卡的光 谱分布，作为每个波长的光的强度而示出。关于在监视器300上显示的全 部色卡示出这样的光谱分布，便是监视器显示色光谱特性C。

监视器显示色光谱特性C能够用图6(d)的下部所示的n×m的矩阵表 示。n为色卡数，m为多谱段照相机400的谱段数。通过该矩阵表示每个 色卡的各谱段的光强度。该矩阵的值是用测色计测定的正确值(精度高的 值)。

在执行了图4的步骤S138后，CPU10将在步骤S138读出的监视器显 示色光谱特性C乘以在步骤S136计算的照相机光谱灵敏度S，由此计算从 多谱段照相机400得到的多谱段图像的信号值即照相机输出信号D(步骤 S139)。

图6(f)中示出了照相机输出信号D。图6(f)的上部是表示关于一个色卡 的照相机输出信号的曲线图，图6(f)的下部是表示步骤S139的计算结果即 照相机输出信号D的矩阵。如图6(f)的曲线图所示，关于一个色卡的照相 机输出信号作为每个谱段的信号值而示出。关于在监视器300上显示的全 部色卡示出这样的信号值分布，便是照相机输出信号D。

照相机输出信号D能够用图6(f)的下部所示的n×m的矩阵表示。n 为色卡数，m为多谱段照相机400的谱段数。通过该矩阵表示每个色卡的 各谱段的输出信号值。在执行了图4的步骤S139后，前进至“返回”，结 束该照相机输出信号D的计算处理。

另外，在该照相机输出信号D的计算处理中，设定位一旦在步骤S136 求出照相机光谱灵敏度S后，便在步骤S139使用该照相机光谱灵敏度S 求出照相机输出信号D的构成，但是也可代之而设定为这样的结构：将步 骤S136的处理删除，而在步骤S139根据滤光器光谱灵敏度ET、光电二 极管光谱灵敏度PD和监视器显示色光谱特性C这三者求出照相机输出信 号D。

若照相机输出信号D的计算处理结束，则CPU10进入图2的步骤S140 的处理。在步骤S140，CPU10基于在步骤S110取得的光谱分布的数据I 和在步骤S130计算的照相机输出信号D进行计算光谱推断参数M的处理。

光谱推断参数M表示从拍摄被摄体T的多谱段照相机400输出的多 谱段图像与被摄体T的光谱反射率谱(光谱分布)的关系。被摄体T的光谱 分布相当于在步骤S110取得的由光谱计测器200得到的光谱分布的数据 (也简称为“光谱分布”)I。因此，光谱分布I能够用下式(3)表现。

【数学式2】

I＝M·D+χ…(3)

这里，χ表示近似误差。根据式(3)，近似误差χ的平方范数能够根据 下式(4)得到。

【数学式3】

Δ²≡||χ||²＝||I-M·D||²…(4)

若在式(4)的两边以M进行偏微分，则能够得到下式(5)。

【数学式4】

$\frac{\partial {\Delta }^2}{\partial M}=-2(D^{t}I-D^t\mathrm{DM})···\left(5\right)$

式(5)的左边为0时，Δ²为最小，因此下式(6)成立，能够得到下式(7)。

【数学式5】

0＝-2(D^tI-D^tDM)…(6)

D^tDM＝D^tI    …(7)

对式(7)变形，能够得到下式(8)。

【数学式6】

M＝(D^tD)^-1D^tI    …(8)

在步骤S140，将在步骤S110取得的光谱分布I和在步骤S130计算的 照相机输出信号D代入式(8)，由此计算光谱推断参数M。

另外，式(8)成立的情况限于照相机输出信号D为正则的情况，在D 不为正则的情况下，能够使用Moore-penrose的一般化逆矩阵 (pseudo-inverse)以下式(9)表现。

【数学式7】

M＝pinv(D)·I    …(9)

因此，在D不为正则的情况下，在步骤S140将在步骤S110取得的光 谱分布I和在步骤S130计算的照相机输出信号D代入式(9)，由此计算光 谱推断参数M。

如上文所述，在步骤S120进行对中心波长数据BD设定初始值的处理， 但该中心波长数据BD成为初始值的状态可认为多谱段照相机400中波长 可变滤光器420成为初始特性的状态。以下将该状态称为“初始滤光器特 性”。因此，在步骤S140的最初执行时，求出针对初始滤光器特性的光谱 推断参数M。

另外，步骤S140中的计算处理能够设定为基于Winer推断和/或使用 MatrixR的运算方法的处理，取代之前说明的运算方法。

执行了步骤S140后，CPU10基于在步骤S110取得的光谱分布I、在 步骤S130计算的照相机输出信号D和在步骤S140计算的光谱推断参数 M，进行计算评价函数F(S)的处理(步骤S150)。

评价函数F(S)是上述的照相机光谱灵敏度S的函数，能够使用上述的 光谱分布I、照相机输出信号D和光谱推断参数M按照下式(10)求出。另 外，在照相机输出信号D、光谱分布I和照相机光谱灵敏度S之间，下式 (11)所示的关系成立。

【数学式8】

F(S)＝||I-M·D||²…(10)

D＝I·S    …(11)

即如式(10)所示，评价函数F(S)通过光谱推断参数M与照相机输出信 号D之积即光谱推断值相对于由光谱计测器200计测的光谱分布I的误差 的平方范数来定义。

执行了步骤S150后，CPU10判定在步骤S150计算的评价函数F(S) 是否在预定阈值以下(步骤S160)。这里，在判定为不在预定阈值以下、即 评价函数F(S)大于预定阈值的情况下(步骤S160：否)，CPU10进行使构成 中心波长数据BD的各值递增微小量的处理(步骤S170)。微小量例如为 0.1nm。即，在步骤S170，在最初执行时，从初始值380nm、385nm、……、 780nm改变到380.1nm、385.1nm、……、780.1nm，之后每次执行步骤 S170时将各值分别增加0.1nm。

另外，上述微小量不必限定于0.1nm，而也能够设定为其他大小。此 外，在本实施例中，设定为递增微小量的构成，但是也可代之设定为递减 微小量的构成。总之，只要将中心波长数据BD在一个方向上依次偏移， 则增大的方向、减小的方向均可。此外，步骤S150的处理也可利用非线性 最优化处理来进行。

在执行了步骤S170后，CPU10返回到步骤S130的处理，反复执行步 骤S130至S160的处理。即，执行与在步骤S170递增了的中心波长数据 BD对应的步骤S130至S160的处理。通过反复进行该处理来进行控制， 使得在步骤S150计算的评价函数F(S)接近预定阈值。在本实施例中，在 评价函数F(S)成为预定阈值以下的情况下(步骤S160：是)，评价函数F(S) 被看作为最小，可权宜地假定评价函数F(S)被最优化了。步骤S130至S170 的反复的处理，具体地说，使用公知的最优化方法、例如BFGS法等准牛 顿法和/或共轭梯度法等实现。

在进行了上述最优化时，即在评价函数F(S)成为预定阈值以下时，在 步骤S160进行肯定判定，CPU10进入步骤S180的处理。在步骤S180， CPU10将进行了该最优化时的中心波长数据BD和光谱推断参数M保存 在RAM40中。另外，能够设定为将保存到了RAM40的中心波长数据BD 和光谱推断参数M根据需要从输出接口60发送到外部的构成。

步骤S130至S170的反复的处理，相当于执行下式(12)所示的运算处 理。

【数学式9】

(S₁，S₂，…S_m)＝arg min{F(S)}…(12)

即，根据式(12)，求出评价函数F(S)成为最小时的S的值。步骤S180 的处理是保存与该求出的S的值对应的中心波长数据BD和光谱推断参数 M的处理。

另外，在步骤S130计算照相机输出信号D时，在步骤S132，需要针 对递增了微小量的各中心波长数据的滤光器光谱灵敏度ET，但是这些滤光 器光谱灵敏度ET也可这样获得：根据ROM30中预先准备的每个波长的 标准具的灵敏度进行插值处理，计算生成针对所需的中心波长的滤光器光 谱灵敏度ET。

此外，在图2的流程图中，关于评价函数F(S)无法最优化的情况的出 错处理没有进行记载，但也可以设定为根据需要而设置的构成。例如，在 即使步骤S170的递增量的总量经过预定量在步骤S160也无法进行肯定判 定的情况下，认为不能生成光谱推断参数，从而暂时结束该光谱推断参数 生成处理。所述预定量(预定值)例如设定为在步骤S120设定的中心波长数 据BD的初始值的间隔(在本实施例中为5nm)。

根据以上述方式构成的光谱推断参数生成处理，能够确定光谱推断参 数M以使得光谱推断值(=M·D)接近由光谱计测器200计测的正解值即光 谱分布I，并将这样的光谱推断参数M与适合于光谱推断参数M的中心波 长数据BD一起保存于RAM40。换言之，根据所述光谱推断参数生成处理， 认为光谱推断参数M的最优化与通过中心波长数据BD确定的多谱段照相 机的谱段的最优化被一起完成，通过两最优化得到的最优的光谱推断参数 M和最优的中心波长数据BD被保存。另外，这里所说的“最优化”和“最 优”，如前面说明，不是指评价函数成为最小值时的情况，而是指评价函 数成为预定阈值以下时的情况，严格地说，不能说“最优”，而指“适合”。

另外，在本实施例中，如上文所述，将评价函数成为预定阈值以下时 视为“被进行了最优化”，但是也可代之设定为将评价函数成为最小时作 为“最优化”而前进至步骤S180的构成。即，在“发明内容”部分记载的 “目标值”可以如本实施例那样是预定阈值，也可以是评价函数可取得的 值的最小值。

另外，由CPU10执行的步骤S120的处理相当于初始值设定部12(图 1)，步骤S130的处理相当于照相机输出计算部14，步骤S140的处理相当 于参数候选值计算部16，步骤S130至S170的反复处理相当于评价函数控 制部18。

A-3.光谱图像处理装置:

接着，关于利用由光谱推断参数生成装置100生成的光谱推断参数M 和中心波长数据BD的光谱图像处理装置500进行说明。

图7是概略地表示光谱图像处理装置500及其外围装置的说明图。如 图所示，在光谱图像处理装置500上电连接有多谱段照相机600和显示装 置700。

光谱图像处理装置500是下述装置：根据由多谱段照相机600拍摄被 摄体T而得到的多谱段图像推断所述被摄体T的光谱反射率谱，并根据该 推断结果检测关于被摄体T的特定成分的特征量，从而诊断被摄体T。在 本实施例中，将被摄体T设定为绿色蔬菜，将被摄体T的特定成分设定为 叶绿素，由此光谱图像处理装置500检测绿色蔬菜的叶绿素量，并根据该 叶绿素量诊断绿色蔬菜的新鲜度。

光谱图像处理装置500包括：通过执行计算机程序而进行各种处理和/ 或控制的CPU510；存储计算机程序和/或数据、信息的存储器530(推断装 置侧存储部)；从多谱段照相机600获取图像数据并且将新鲜度诊断的结果 传送给显示装置700的输入输出接口(I/F)550。

在存储器530中，预先存储有前面说明的由光谱推断参数生成装置100 生成的光谱推断参数M和中心波长数据BD。此外，在存储器530中，预 先存储有新鲜度判定用程序(未图示)。另外，也可以取代预先存储有光谱 推断参数M和中心波长数据BD的构成，而设定为光谱推断参数M和中 心波长数据BD根据需要经由互联网等网络从外部取得并存储在存储器 530中的构成。

CPU510执行存储器530中存储的新鲜度判定用程序，由此在功能上 实现测定段指示部512、光谱推断部514、检测/诊断部516。测定段指示部 512从存储器530读出中心波长数据BD并将中心波长数据BD中包含的各 要素发送至多谱段照相机600。

多谱段照相机600与上述的多谱段照相机400(图3)相同或者为同一机 型。即，多谱段照相机600是与光谱推断参数生成装置100的ROM30中 存储的滤光器光谱灵敏度ET和光电二极管光谱灵敏度PD相符的机型。 多谱段照相机600基于由测定段指示部512指示的中心波长数据BD的各 要素，依次改变波长可变滤光器420(图3)的透射波段，在多个谱段的各个 上拍摄被摄体T并将其拍摄结果即多谱段图像传送至光谱图像处理装置 500。光谱图像处理装置500的输入输出接口550取得该多谱段图像。输入 输出接口550与“发明内容”部分记载的“多谱段图像取得部”对应。

光谱图像处理装置500的光谱推断部514根据从多谱段照相机600传 送来的多谱段图像推断被摄体T的光谱反射率谱。光谱推断部514使用存 储器530中存储的光谱推断参数M进行该推断。具体地说，进行按照下式 (13)的运算处理。

【数学式10】

P＝Mx    …(13)

在式(13)中，x是表示多谱段图像的预定位置的值(像素值)的矩阵，P 是表示与该预定位置对应的部分的光谱的矩阵。“多谱段图像的预定位置 的像素值”指构成多谱段图像的各谱段图像的预定位置的像素值，“与该 预定位置对应的部分”指与该预定位置对应的被摄体上的位置。其结果， 能够推断被摄体T的预定位置的光谱反射率谱。光谱推断部514与“发明 内容”部分中记载的“光谱运算部”对应。

检测/诊断部516基于由光谱推断部514求出的光谱反射率谱来检测叶 绿素量，并根据该检测结果诊断被摄体T即绿色蔬菜的新鲜度。新鲜的蔬 菜在约700nm附近发生由叶绿素引起的光吸收，所以能够设定为发生由叶 绿素引起的光吸收的波长(约700nm)附近的光谱反射率越小叶绿素量就越 多。而且，该叶绿素量越多，诊断为新鲜度越高。例如，设定在叶绿素量 为预定值a以上时新鲜度为“优”，设定叶绿素量低于预定值a且为预定 值b(<a)以上时新鲜度为“良”，设定叶绿素量低于预定值b时新鲜度为 “不良”。检测/诊断部516将该诊断结果经由输入输出接口550显示于显 示装置700。

根据所述结构的光谱图像处理装置500，能够利用由光谱推断参数生 成装置100生成的光谱推断参数M，高精度地推断被摄体T的光谱反射率 谱，其结果，能够高精度地诊断被摄体T即绿色蔬菜的新鲜度。进而，在 用多谱段照相机600进行拍摄时，通过基于与光谱推断参数M成对的中心 波长数据BD驱动波长可变滤光器，可以实现在与光谱推断参数M相符的 谱段的拍摄。因此，根据本实施例的光谱图像处理装置500，能够根据少 谱段数的多谱段图像推断高精度的光谱反射率谱。具体地说，用例如3～ 10个左右的谱段数也可以进行高精度的推断。另外，测定的谱段数减少可 产生拍摄时间缩短的附带效果。

另一方面，如果从本实施例的光谱推断参数生成装置100来看，则可 以认为产生能够生成光谱推断参数、该光谱推断参数可以根据少谱段数的 多谱段图像推断高精度的光谱反射率谱的效果。

另外，在本实施例的光谱图像处理装置500中，采用了将检测的特定 成分设定为叶绿素来判定绿色蔬菜的新鲜度的结构，但是也能够代之设定 为将检测的特定成分设定为油酸来判定肉的味道的结构、将检测的特定成 分设定为胶原质来判定人皮肤的弹力的结构等。在这种情况下，需要将用 于检测/诊断部中的处理的参数改为与要检测的特定成分相应的参数，但是 不需要改变存储器530中保存的光谱推断参数M和中心波长数据BD。即， 无论所检测的特定成分的种类如何，光谱推断参数M和中心波长数据BD 能够通用。这是由于，由本实施例的光谱推断参数生成装置100生成的光 谱推断参数M和中心波长数据BD以与所检测的特定成分无关的方式对应 于宽广的波长范围。

现有技术的方法也能够将光谱推断参数以与检测的特定成分无关的方 式设定为可以对应于宽广的波长范围，但是在这种情况下，来自多谱段照 相机的多谱段图像的谱段数需要多到例如50～100个。与此形成对比，本 实施例的光谱推断参数生成装置100，如前面说明，测定的谱段数少量即 可。即，本实施例的光谱推断参数生成装置100可产生能够生成光谱推断 参数、该光谱推断参数可以遍及宽广的波长范围推断光谱分布并且测定的 谱段数少的效果。

A-4.变形例:

以下，说明上述第1实施例的变形例。该变形例，与第1实施例相比， 除了在步骤S150计算的评价函数F(S)不同，其他的构成均相同。此变形 例的评价函数F(S)示于下式(14)。

【数学式11】

F(S)＝||I-w(λ)(M·D)||²  …(14)

在式(14)中，λ表示波长，w(λ)为权重系数。因此，根据式(14)所示 的评价函数F(S)，可以实现按每个波长考虑了权重系数w(λ)的最优化。 权重系数w(λ)能够设定为例如由下式(15)所示的系数。

【数学式12】

w(λ)＝diag{z(z^tz)z^t}…(15)

在式(15)中，z(λ)为颜色匹配函数，diag表示取矩阵的对角分量。

图8是表示权重系数w与波长λ的关系的曲线图。如图所示，权重系 数w(λ)与颜色匹配函数的曲线图近似。

根据此变形例，根据通过滤光器而得到的照相机输出信号D推断的谱， 与以在视觉上独特的性质即色差为基准最优化的情况等价，所述滤光器通 过以将F（S）设定为最小的方式推断的中心波长进行驱动。因此，根据此 变形例，可以实现对色差加以考虑的光谱反射率谱的推断。

另外，在前述变形例中，设定为所推断的光谱反射率谱，若求取与计 测谱的单纯的平方误差，则会包含大的误差。因此，是使用第1实施例的 式(10)所示的评价函数F(S)还是使用变形例的式(13)所示的评价函数F(S)， 优选根据是注重光谱分布的推断精度还是对色差加以考虑等目的而区分使 用。

另外，关于评价函数，不必限于在第1实施例中说明的或在变形例中 说明的情况，而例如能够设定为基于平方误差与最大误差的加权之和的评 价函数等各种函数。即，评价函数只要定义在利用光谱计测器计测的每个 所述色卡的光谱分布和光谱推断值之间，则能够设定为包含其他因素的形 式。

B.第2实施例:

接着，关于本发明的第2实施例进行说明。第2实施例的光谱推断参 数生成装置具有与上述的第1实施例的光谱推断参数生成装置100相同的 硬件结构，只是软件的构成、即由CPU10执行的光谱推断参数生成处理的 内容不相同。另外，关于与第1实施例相同的结构，使用与第1实施例相 同的编号进行以下说明。

图9是表示第2实施例的光谱推断参数生成处理的流程图。图中的步 骤S110至S140为与第1实施例相同的处理，附加与第1实施例相同的编 号。在执行了步骤S140之后，CPU10基于在步骤S110取得的光谱分布I、 在步骤S130计算的照相机输出信号D和在步骤S140计算的光谱推断参数 M，进行计算评价函数F(M,S)的处理(步骤S250)。

在第1实施例中，评价函数F设定为照相机光谱灵敏度S的函数，而 在本实施例中，评价函数F设定为照相机光谱灵敏度S和光谱推断参数M 的函数。在评价函数F为线性的情况下，如第1实施例那样评价函数F只 要设定为S的函数即可，与此形成对比，在由于监视器显示色光谱特性和/ 或被摄体的颜色的灰度等级变化等而评价函数F成为非线性的情况下，评 价函数F不能只由照相机光谱灵敏度S确定。因此，在该第2实施例中， 评价函数F设定为S和M的函数。

评价函数F(M,S)能够按照下式(16)求出。另外，在照相机输出信号D、 光谱分布I和照相机光谱灵敏度S之间，下式(17)所示的关系成立。

【数学式13】

F(M，S)＝||I-M·D||²…(16)

D＝I·S    …(17)

在执行了步骤S250之后，CPU10判定在步骤S250计算的评价函数 F(M,S)是否为预定阈值以下(步骤S260)。这里，在判定为不在预定阈值以 下的情况下，即在评价函数F(M,S)大于预定阈值(步骤S260：否)的情况 下，CPU10执行使光谱推断参数M的各要素递增微小量的处理(步骤 S270)。之后，CPU10判定由步骤S270递增的总量是否高于预定值(步骤 S280)。预定值是假定随后在使中心波长数据BD的各值递增了微小量时光 谱指定参数M发生最大变化的量而预先确定的量。

在步骤S280，在判定为递增的总量为预定值以下(步骤S280：否)的情 况下，返回到步骤S250的处理，反复执行步骤S250至S270的处理。即， 在照相机光谱灵敏度S固定的状态下反复步骤S250至S270，由此边使光 谱推断参数M的各要素的值偏移边判定评价函数F(M,S)是否成为预定阈 值以下。

若评价函数F(M,S)不成为预定阈值以下且在步骤S280判定为递增的 总量高于预定值(步骤S280：是)，则CPU10进行使构成中心波长数据BD 的各值递增微小量的处理(步骤S290)。该处理与第1实施例中的步骤S170 的处理相同，微小量例如为0.1nm。另外，在执行该步骤S290时，将步骤 S270中递增的总量暂时置零。

在执行了步骤S290后，CPU10返回到步骤S130的处理，反复执行步 骤S130至S290的处理。即，执行与在步骤S290递增了的中心波长数据 BD相应的步骤S130至S160的处理。通过该处理的反复，使构成中心波 长数据BD的各值顺序地每次递增微小量，并在各次递增了时的中心波长 (即在照相机光谱灵敏度S固定的状态下)边使光谱推断参数M的各要素的 值偏移、边判定评价函数F(M,S)是否成为预定阈值以下。

在步骤S260判定为评价函数F(M,S)为预定阈值以下(步骤S260：是) 时，即在评价函数F(M,S)被视为最优化的情况下，CPU10保存进行了该最 优化(与第1实施例同样地被视为最优化)时的中心波长数据BD和光谱推断 参数M(步骤S300)。该处理与第1实施例中的步骤S180的处理相同。在 执行了步骤S300后，结束该光谱推断参数生成处理。

步骤S130至S290的反复的处理，相当于执行下式(18)所示的运算处 理。

【数学式14】

(S₁，S₂，…S_m，M)＝arg min{F(M ，S)}…(18)

即，根据式(18)，求出评价函数F(M,S)成为最小时的M,S的值。

以上述方式构成的第2实施例的光谱推断参数生成装置与第1实施例 的光谱推断参数生成装置100同样，能够根据少谱段数的多谱段图像推断 高精度的光谱反射率谱。特别地，在本实施例中，即使在评价函数F成为 非线性的情况下也能够使评价函数F适合化为目标值。因此，可以进行能 够实现更高精度的光谱推断的光谱推断参数的生成。

另外，作为上述的第2实施例的变形例，也能够采用与第1实施例的 变形例相同的结构。即，能够将评价函数F(M,S)设定为考虑了与波长相应 的权重系数w(λ)的评价函数。根据该构成，可以与第1实施例的变形例 同样地实现对色差加以考虑的光谱反射率谱的推断。

C.其他实施方式:

实施方式1:

在前述各实施例和各变形例中，生成光谱推断参数的光谱推断参数生 成装置100和实现该光谱推断参数的利用的光谱图像处理装置500是独立 的装置，但也能够代之而将二者设定为一体。例如，可以准备通用的个人 计算机，设定为使个人计算机具有光谱推断参数生成装置100的功能和光 谱图像处理装置500的功能的结构。

实施方式2:

在前述各实施例和各变形例中，通过软件实现的功能也可设置成通过 硬件实现。

另外，前述的各实施例和各变形例中的构成要素中的、独立权利要求 中记载的要素以外的要素为附加的要素，可以适宜省略。