局部k最近邻加权线性回归的光谱反射率重建

现实中很多场景都需要精确的颜色表示,如纺织、印刷、艺术品扫描存档、在线商品展示等。光谱反射率是决定物体颜色的本质属性,如果知道了光谱反射率,就可以重现物体在任何光照和观测条件下的颜色。采用专业仪器测量光谱反射率有成本高、分辨率低、测量时间慢等问题。随着数码成像设备的普及,基于相机RGB响应值的光谱反射率重建算法具有重要现实意义。光谱反射率重建的目的是建立低维RGB响应值到高维光谱反射率向量的映射关系,回归方法在这一领域已取得广泛应用。由于光谱反射率向量所处的空间是嵌在高维欧氏空间中的一个低维子流形,在训练样本有限的条件下,传统的全局回归方法不能有效地学习该流形结构,往往导致过拟合,使得学习出来的模型泛化能力较差。局部线性回归方法虽然可以改善全局回归过拟合的问题,但是局部学习方法易受例外点的影响,导致拟合不足。针对这一问题,提出一种基于局部加权线性回归的光谱反射率重建方法,这种方法在一个k最近邻范围约束内,给每个局部训练样本赋予不同的权重,从而有所侧重地利用局部训练样本来估计光谱反射率。实验结果表明,基于局部k最近邻加权线性回归的方法能更有效地利用局部信息,缓解过拟合和拟合不足,更准确地重建光谱反射率。     

基于主成分分析的光谱重建训练样本选择方法研究

训练样本构成是影响光谱重建精度的一个重要因素,针对学习型光谱重建算法中训练样本选择问题,提出了一种基于主成分分析的训练样本选择方法。为了保证训练样本与重建样本的相似度,首先根据欧式距离最小原则从待选样本集中选择与重建样本相机响应值相似的样本,并去掉其中的重复样本;然后进行主成分分析;设定阈值筛选各主成分系数较大的样本作为训练样本,最后得到与主成分个数相同的训练样本子集。为验证该方法的有效性,通过在镜头前加载宽带滤色片搭建多通道图像获取系统采集多通道图像信息,将得到的各样本子集用作训练样本,利用伪逆法重建光谱信息,最后将重建的光谱精度与常用的训练样本及训练样本选择方法得到的重建光谱精度进行比较。实验结果表明：提出的方法显著提高了光谱重建的色度精度和光谱精度,优于常用的样本选择方法,能较大程度满足高精度颜色复制要求。     

基于宽带多通道的光谱反射率重建方法研究

复制的多光谱数据获取要求图像数据具有设备无关、场景无关特性,能够真实客观表征物体颜色信息。针对获取系统扰动、噪声误差以及光谱重建中训练样本典型代表性与相关性要求,提出了基于正交回归的光谱重建算法,并通过子空间跟踪的训练样本选择算法,选择重建样本与训练样本集中相关性与代表性最好的样本参与光谱重建。实验通过改造后的仙娜宽带多通道成像系统进行验证,数据表明本文提出的方法,所选训练样本能较好的表征样本空间并具有较好的正交性,在宽带多光谱成像方面,重建光谱平均色度误差为3.6,其光谱精度与色度精度较其他方法具有明显提高。     

局部建模方法用于烟草样品的近红外光谱定量分析

采用近红外光谱在主成分空间的距离作为样本相似性的判据,建立了一种用于近红外光谱定量分析的局部建模方法。该方法首先对校正集的光谱进行主成分分析(PCA),然后基于主成分空间中预测样本与校正集样本的距离选择校正子集并建立局部偏最小二乘(PLS)回归模型。对欧氏距离和马氏距离的比较表明,欧氏距离可以更好地表达样本之间的相似性。将所建立的方法用于烟草样品中氯和尼古丁含量的测定,结果表明局部建模方法比常用的全局建模方法具有更好的预测准确性,特别是在低含量成分的预测中具有明显优势。     

彩色扫描仪的光谱反射率估计方法

为从扫描仪获取精确的、设备无关的颜色描述,必须对扫描仪进行颜色表征(Characterization)。考虑到实际扫描仪的成像过程往往偏离线性反射模型,并且训练样本在颜色空间中的不同分布对颜色估计的精度有较大影响,提出了一种基于有限样本加权训练的彩色扫描仪光谱表征方法,从而可以从低维的RGB颜色值计算得到精确的光谱反射率。 实验结果表明,该方法在色度及反射率精度方面均明显优于先前的方法。     

基于光谱连接空间的彩色相机光谱重构研究

针对彩色相机三通道响应值重构光谱反射率精度低的问题,提出了基于光谱连接空间的彩色相机光谱反射率重构方法。首先通过光谱反射率已知的训练样本集和多项式拟合方法建立相机响应值到光谱连接空间的转换矩阵,然后利用该矩阵将待重构样本的相机响应值映射到光谱连接空间,最后选用合适的光谱重构算法在光谱连接空间内实现光谱反射率重构,并利用色度误差和光谱误差两个指标对重构结果进行评价。在上述过程中,鉴于转换矩阵的重要性,采用了基于反距离加权的最小二乘法计算转换矩阵以提高相机响应值到光谱连接空间的转换精度。实验结果表明:本文方法切实可行且精度可靠,与基于彩色相机三通道响应值的光谱重构方法相比,色度重构精度和光谱重构精度均显著提高,平均色差和谱差分别为1.145 2和0.010 3,可在较大程度上满足数字典藏、高保真颜色复制等的需要。     

具有颜色恒常性的光谱反射率重建

给定物体三刺激值,重建物体反射率在跨媒体颜色复制领域有着重要应用.常见的重建反射率算法包括基向量法、维纳估计法、加权伪逆方法等,这些方法大多都是为了建立由低维度三刺激值或者RGB向高维度光谱反射率的映射关系,以重建的反射率与原始反射率的接近程度为评价指标,并且需要光谱反射率数据进行训练.但是很多工业领域在产品设计时都需...     

基于相机rawRGB通过加权多项式和维纳估计方法重建光谱反射率

基于相机RGB预测物体光谱反射率的研究一直备受研究者们的关注。传统方法都是通过单一光源下的信息进行光谱反射率恢复。最近,Zhang等在Color Research & Application报道了一种基于单光源相机RGB信息预测物体光谱反射率的两步方法。首先基于单个光源下的相机响应RGB值,挑选出一定量的训练数据,采用多项式模型和伪逆的方法预测出不同光源下的CIE XYZ值;然后根据预测的多光源下的CIE XYZ值及整体训练数据预估光谱反射率,再通过预估的光谱反射率挑选一定量训练样本,通过伪逆方法预测出物体光谱反射率。尽管仍然基于一个光源下的相机响应RGB,但通过映射到多光源下的色度值XYZ,提高输入信息的维度来优化光谱反射率的重建精度。受Zhang等工作的启发,提出新的基于单一光源下相机的raw RGB响应信息,通过三阶多项式模型扩展的加权最小二乘方法对多光源下的CIE XYZ值进行预测,然后根据预测出的多光源下的CIE XYZ值再通过维纳估计的方法进行光谱反射率重建,通过这样的两步方法实现从相机响应RGB到光谱反射率的重构。该新方法,采用全体训练数据,应用十分方便,避免了Zhang等的方法需要挑选一定量的局部训练样本的问题。同时Zhang等的方法挑选出的局部训练样本同等重要,而该方法在第1步中,根据训练样本与给定的测试样本的接近程度,赋予训练样本不同的权重,以提高预测精度。通过采用140色色卡作为训练样本,24色色卡和自制的44色印刷品样本进行测试,以判断预测和实测反射率接近程度的均方根误差（RMSE）和人感知色差为评价标准进行比较,结果表明,该方法明显优于Zhang等的方法,而且预测精度随着光源数量的增加而提高,当光源个数达到6时,表现最佳。     

彩色数码相机单幅RGB图像光谱重建研究

通过彩色数码相机单幅RGB图像的响应值重建物体表面的光谱反射率,不仅可以有效避免基于带通滤光片光谱成像系统存在的通道间图像像素偏移问题,而且可以缩短图像采集周期和获得高空间分辨率的光谱图像,但是光谱重建误差受光谱重建方法的影响。提出了一种基于相机响应值扩展和局部反距离加权优化的光谱重建方法,以CIEDE2000色差和光谱均方根误差为评价指标,以600个矿物颜料色块为实验样本,利用佳能600D型数码相机对所提方法进行了验证,并与当前几种较先进的方法进行了对比。实验结果表明,所提方法的平均CIEDE2000色差和平均光谱均方根误差分别降低到1.0389和0.0230,所提方法的光谱重建精度优于当前几种较先进方法的光谱重建精度。     

基于彩色数字相机的光谱反射率重建方法研究

如何在给定照明条件和观测条件的情况下,由彩色数字相机的响应值重建物体表面光谱反射率,仍是颜色科学与工程领域一个尚待解决的重要课题。文章使用奇异值分解的方法将光谱反射率近似为若干基向量的线性组合,求得组合系数,然后使用相机输出数据与组合系数训练人工神经网络,使之能够准确的模拟相机输出与组合系数之间的非线性关系,最后采用经训练的神经网络,与基向量结合,由相机输出准确的重建物体表面的光谱反射率。实验结果显示,与线性近似的方法相比,使用该方法对标准Munsell色块进行反射率重建,重建误差减小了约67%,具有高精度、易实现、易操作的特点,可用于对重建精度要求较高的诸多领域。     

光谱反射率重建中代表颜色分步选取方法

光谱反射率重建一般指采用标准色卡上的颜色样本,对成像系统进行光谱表征(Spectral character-ization),进而从系统响应中精确地求出物体表面的光谱反射率.由于标准色卡的颜色样本数量较大,在实际成像系统中使用时有诸多不便.考虑到颜色样本之间存在较大冗余,可从中选出具代表性的少数样本用于光谱表征.针对已有方法未考虑实际成像系统特性的不足,文章提出了一种代表颜色的分步选取算法,即首先通过假设一个虚拟成像系统,根据全局误差最小的原则,挑选出部分最具代表性的颜色,估计出实际成像系统的光谱响应函数,然后在此基础上继续选择其余的代表颜色.实验表明,对于窄带多光谱成像系统及宽带彩色扫描仪而言,文章提出的方法在光谱精度及色度方面均明显优于先前方法.     

基于多光谱成像的光谱反射率重建

一些对颜色重现要求较高的应用领域需要获取目标表面上各点的光谱反射率。大多数天然物质表面的光谱反射率曲线比较平滑,可视为几个基向量的线性组合。基于这一原理的多光谱成像技术可以准确快速地重建目标表面的光谱反射率。通过对NCS色卡进行主成分分析,得出了彩色印刷品光谱反射率的基向量。建立了一个多光谱成像系统,用以比较基向量个数不同对反射率重建效果的影响。     

基于遗传算法选择多光源下的光谱反射率重构研究

为解决基于RGB三通道信息值重构光谱反射率精度不理想的问题,提出了一种优化的基于RGB三通道信息的光谱反射率重构算法。首先编码产生随机选择多个光源的个体,RGB三通道值通过多项式回归算法预测多个光源下的三刺激值,并采用伪逆法进行多光源下的光谱反射率重构,然后将样本的重构精度作为个体的适应度评估值,以优胜劣汰,适者生存为原则对个体进行选择、交叉、变异操作,最后得到适用于颜色样本光谱重构的多个光源与基于这些光源重构得到的光谱反射率。实验选用Munsell颜色集作为训练样本集,RC24色卡、SG140色卡作为检测样本集,8个标准光源和82个发光二极管光源作为实验光源,采用该算法从90个光源中选取最优的光源组合并重构得到样本的光谱数据,并与Zhang提出的基于穷举法选择的多光源下的光谱重构方法和A光源下的伪逆法进行了重构精度对比。实验结果显示该研究提出的方法随着光源个数的增加,光谱反射率重构精度提高,特别是光源个数增加到3时,光谱重构精度提高的幅度最大。在三种重构方法中,该方法重构RC24的平均色差和平均光谱均方根误差分别为0.332 4和0.002 9,而Zhang的方法与伪逆法的平均色差分别为0.429 3和3.266,平均光谱均方根误差分别为0.029 7和0.004 8;该文方法重构SG140的平均色差和平均光谱均方根误差分别为0.486 2和0.007 3,而Zhang的方法与伪逆法的平均色差分别为0.544 8和3.821 9,平均光谱均方根误差分别为0.035 6和0.013 3。结果表明基于多光源下的光谱反射率重构精度明显优于基于单个光源下的重构精度,而基于遗传算法的多光源选择方法又优于穷举法,它能够根据颜色样本自动寻找到最优光源组合,从而基于最优多光源下的三刺激值重构样本的光谱反射率,提高了光谱反射率重构的精度。     

GA-BP神经网络结合PCA的多基色颜色预测模型

颜色分区法是简化多基色颜色复制的主要方法,本研究以3基色为组将7基色色空间分成6个子空间,结合主成分分析(PCA)对分区内颜色样本的光谱反射率降维,通过3层BP神经网络,建立样本网点面积率与多基色复制色光谱反射率的转换模型,并通过遗传算法(GA)对神经网络权值阈值进行优化,提高多基色复制的颜色预测精度.实验结果表明,在各分区训练样本数为64、检测样本数为216时,GA-BP神经网络模型颜色预测的平均色差(△Eab*)为1.669,光谱均方根误差(RMSE)为0.7％,预测精度和稳定性均高于BP神经网络模型和胞元Neugebauer模型.最后,将训练样本数为64的GA-BP模型与训练样本数量为125,216,343的BP神经网络模型(平均△Eab*分别为3.267,2.776,2.175,光谱RMSE为0.97％,0.79％,0.76％)进行了比较,结果表明训练样本数为64的GA-BP模型的预测精度与训练样本数量为343的BP神经网络模型相当.GA-BP模型仅需少量样本即可实现高精度的颜色预测,在应用中具有良好的可移植性.     

净信号的局部建模算法及其在近红外光谱分析中的应用

提出了一种基于净信号分析的局部建模算法,以克服光谱定量分析中样本间差异性过大和样本待测性质与光谱之间存在非线性等问题。首先利用净信号分析方法得到校正样本和待测样本的净信号,然后用待测样本净信号和校正样本净信号之间的欧式距离作为样本相似性判据,选取一定数量的与待测样本最相似的校正样本组成局部校正子集,建立局部PLS回归模型。针对一组猪肉近红外光谱数据集的实验结果表明,该方法的预测精度显著优于全局建模方法和基于光谱欧式距离的局部建模方法。     

空-谱二维蚁群组合优化SVM的高光谱图像分类

提出了一种空-谱二维特征蚁群组合优化支持向量机的高光谱图像分类算法。利用两类蚁群分别在光谱维空间和样本分布空间交替搜索最大类间距波段组合和异质样本,提取最优特征波段,降低了高光谱的波段信息冗余,去除训练样本中的异质样本,优化了训练样本特征空间分布。将蚁群组合优化后的高光谱图像和训练样本应用到支持向量机(SVM)分类器中,扩大了特征空间类间距,提高了SVM算法的分类精度。实验表明该算法总分类精度达95.45%,Kappa系数0.925 2,是一种分类精度较高的高光谱图像分类方法。     

基于支持向量机(SVM)特征加权/选择的光谱匹配算法

高光谱数据波段多、冗余大,为了提高数据的分析效率和精度,降维是一个关键步骤。文章在文献(参考了后面的文献[18])研究的基础上,引入了迭代SVM特征选择/加权算法,为多目标遗传优化获取最优参考光谱提供一个包含有效分类信息的低维空间。基于Indiana-AVIRIS高光谱数据的实验表明,特征加权/选择的引入使光谱匹配分类精度提高了13%(相对于无特征选择的情况而言)。文章还根据光谱样本距SVM分类面的远近,定义和计算了局部权重,不仅细致刻画了同类光谱样本在局部特征空间中的分布,还使光谱相似度的计算更加灵活化,精度提高幅度达到了17%(相对于无特征选择的情况而言)。文章研究方法的提出推进了SVM在光谱数据分析中的应用深度和广度。     

基于改进的主成分分析法宽带光谱反射率重建

为了降低光谱反射率重建设备的复杂度和成本并且在宽带光谱上进行更高精度的反射率重建,采用宽带多光谱成像的方法,将投影仪的红、绿、蓝三色光作为光源,用彩色数码相机对光谱图像进行采样。在主成分分析法的基础上引入加权系数,以及误差校正函数,利用改进后的方法重建色卡、染色纸张、油画表面的反射率。选取表征反射率重建精度的均方根误差、拟合度系数、光谱匹配偏度指数3个指标,对所提方法与主成分分析法和加权伪逆法的重建结果进行对比,结果表明：所提方法的重建精度较主成分分析法提高了约45%,较加权伪逆法提高了约30%;由所提方法计算的反射率重建的颜色色差值也优于后两者。     

基于迭代Tikhonov正规化的三刺激值重建光谱方法研究

光谱图像中的反射率光谱数据维数高,且与光源、设备均无关,能够比较全面、真实、客观地描述图像中物体的颜色信息。针对三色相机的光谱图像获取系统中三维色度数据重建多维光谱数据产生的光谱信息丢失、以及伴随而生的颜色信息丢失问题,提出了迭代Tikhonov正规化的光谱重建方法。首先依据色度学理论中色度值与反射率光谱之间的关系,构建反射率光谱重建方程建立起相机所获三维色度数据与高维反射率光谱数据的映射关系;然后,通过反射率光谱重建方程的病态分析,在Moore-Penrose伪逆矩阵求解思想的基础上构建迭代Tikhonov正规化方法求解反射率光谱,并利用训练样本数据通过L-曲线方法训练获取迭代Tikhonov正规化的最优正规化参数,以有效控制并改善反射率光谱重建方程求解的病态、减少重建光谱的光谱信息丢失。实验通过选取样本数据对光谱重建方法进行验证。验证实验的结果表明所提出的光谱重建方法改善了三色相机的光谱图像获取系统中重建光谱的光谱信息丢失程度,使得重建光谱的光谱误差和色度误差较其他光谱重建方法均有明显降低。     

基于同色异谱黑理论的非线性复合模型光谱重建研究

同色异谱现象是光谱反射率重建与颜色再现中的一个重要问题。采用三基色CCD相机采集CIE标准光源D65下的颜色样品信号,建立非线性复合模型,使用主成分分析结合神经网络的方法(PCA-NET)改进基于同色异谱黑理论的R矩阵算法,对标准Munsell色卡光谱重建进行研究。在保证给定照明条件下的色度精度同时,对光谱重建的结果进行了实验评价和讨论。实验结果表明,在给定的照明条件下,PCA-NET算法能够准确的拟合相机输出信号与主成分系数之间的非线性关系, 将其代替线性算法应用于R矩阵算法中时,测试集的平均均方根值是未改进R矩阵算法的0.76,平均标准差是R矩阵算法的0.85,可有效提高光谱反射率的重建精度。改进后的R矩阵算法具有精度较高、操作简单易实现的特点, 可用于对重建色度精度及光谱精度均要求较高的领域。