光谱学 光谱学与光谱技术

O433．1 2005053268 基于多光谱成像的光谱反射率重建=Spectral reflectance recovery based on multispectral imaging[刊,中]／任鹏远 (北京理工大学信息科学技术学院．北京(100081)),廖宁 放…∥光学技术．-2005,31(3)．-427-429,433 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。图4表1参 13(王淑平)     

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。     

基于比较测量法的LCTF光谱相机光谱反射率重建研究

基于液晶调谐滤光片(LCTF)的光谱相机由于体积小、功耗低、集成方便,适合多种搭载平台,同时通过光谱反射率来识别目标物,可以有效解决同色异谱的问题,在伪装识别、精细农产品产值估计等方面有很好的应用前景。比较测量法因其能有效排除光照条件和场景背景条件的影响,重建效率较高,在光谱相机的光谱反射率重建中被普遍采用。比较测量法通常采用标准白板作为参考物,但实际应用中,经常会遇到目标场景空间位置不便放置标准白板的情况。针对这种情况,研究采用LCTF光谱相机采集的目标场景中亮度高的颜色作为参考的比较测量法进行目标物的光谱反射率重建来解决上述问题。实验以美国X-Rite的Gretg Macbeth Color Checker(MCC)色卡作为目标物,分别参考亮度高的五个不同色块,运用比较测量法完成红、绿、蓝三个色块的光谱反射率重建。将重建后三个色块的光谱反射率与采用台式分光光度计(X-Rite Color Eye7000A)测量的标准光谱反射比进行比较。结果显示,重建后的红、绿、蓝三个色块的光谱反射率曲线与用分光光度计测量的标准光谱反射率曲线的形状基本相似,每组曲线的均方根误差均小于0.05;重建的蓝色色块的光谱反射率以参考与其光谱反射比接近的蓝绿色重建的效果最好;重建的红色和绿色色块的光谱反射率以除白色外亮度最高的黄色为参考重建的效果最好;二者均比参考标准白板的反射率重建效果好。实验结果说明采用目标场景中亮度高目视效果明显的色块作为参考对象可被用来进行LCTF光谱相机的光谱反射率重建。该方法有效扩大了比较测量法以及液晶调谐光谱成像系统的应用效率。     

用于植物病虫害诊断的多光谱成像系统

准确重建被测目标的颜色信息对实现可靠的植物病虫害诊断具有十分重要的意义。文章提出把多光谱成像技术应用于植物病虫害诊断,所采集的多光谱图像可以从光谱维和图像维反映被测目标的特征信息。在此基础上,实验采用16个窄带滤色片、单色面阵CCD、积分球混合光源照明和标准观测环境建立了能进行适时、无损检测的多光谱成像系统。并利用该设备对Macbeth色卡中8个色卡进行光谱和颜色重建,重建的结果与光谱辐射度计的测量结果进行了比较。通过对光谱匹配角度和CIE标准色差分析,证明这种多光谱成像系统能够准确、稳定地重建出目标的光谱信息和颜色信息。     

一种离散点插值算法用于重建光谱反射率

提出了一种用离散点插值算法来重建光谱反射率的方法。首先建立数字相机响应值与典型反射样品表面光谱反射率之间的查找表,然后进行Delaullay分区、提取和插值,最后通过数字相机的输出数据来准确地重建物体表面的光谱反射率。实验结果表明,该方法能够重建典型反射样品的光谱反射率,能够实时获取被摄场景的多光谱图像,易于硬件的实现。     

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。     

一个评价光谱估计精度的新参数

研究了对多光谱成像系统进行光谱估计的精度评价的问题.在给出光谱估计偏指数定义的基础上,提出了多光谱图像获取系统的光谱估计性能的评价的新方法--系统光谱匹配偏度指数法.该方法用一个指标来定量评价两光谱向量的光谱匹配程度,避免了以往评价参数的复杂性,同时反映了光谱反射率估计曲线实际测量曲线之间的差异程度.采用一典型多光谱相机对Macbeth色卡的24个典型光谱仿真估计所得的24个光谱对数值模拟,验证了光谱反射率估计匹配偏度指数能全面的反映光谱反射率的估计精度的设想;并拿17个多光谱估计系统的仿真估计的光谱数据,计算了它们的系统光谱估计偏度指数,计算结果有很好的一致性.结果还显示,系统光谱估计偏度指数还可用作对多光谱相机光谱估计性能进行等级划分的依据.     

基于压缩感知的反射光谱重构算法研究

光谱反射率描述物体的表面颜色特征,为了能够获取物体自身更加精确的颜色信息,在图像处理领域光谱反射率重构成为了关注的话题。反射光谱重构算法是对实验物体表面在可见光范围内每一波长处的光谱反射率进行重构,以达到提高物体自身颜色准确复制的精度,最后建立相应的反射光谱。尝试将压缩感知(CS)理论应用到光谱实验中,对光谱反射率进行重构。首先是介绍了压缩感知理论知识,然后把压缩感知理论与光谱反射率原理相结合,根据基于压缩感知的光谱反射率重构的理论框架,选取合适的采样值,压缩感知的采样值即压缩值,小波基作为正交矩阵,高斯随机矩阵作为测量矩阵,正交矩阵与测量矩阵需要保证具有不相关性,将原始光谱反射率从高维到低维进行线性投影,得到低维的观测信号,运行简单的正交匹配追踪算法(OMP)对低维的观测信号进行由低维到高维的高精度重构,重构得到的光谱反射率与原始光谱反射率具有相同的维度,最后将压缩感知重构算法与传统的光谱反射率重构算法伪逆法与多项式回归法进行比较。经过压缩感知重构算法得到的色差值与均方根误差值都小于伪逆法和多项式回归法重构的结果,经压缩感知的重构精度明显提高;经压缩感知重构的光谱曲线可以达到或者更接近原始光谱曲线的峰值,整体效果更接近原始光谱曲线;经多项式回归法和伪逆法重构的光谱曲线达不到原始峰值,整体上存在偏差。可以认为压缩感知用低采样的数据达到了全采样的效果,提高了光谱反射率重构的精度。基于压缩感知的光谱反射率重构算法效果明显优于传统的多项式回归法和伪逆法,可以将压缩感知理论应用到实际的多光谱成像系统中。     

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要考虑到颜色恒常性（CII）问题,以保证产品颜色在不同光照条件下具有相近的颜色表现。光谱反射率是决定物体颜色恒常的重要属性,为解决重建反射率进行颜色复现后产生颜色恒常性问题,Takahama 和Nyatani提出具有颜色恒常性的线性规划光谱反射率重建方法,测试结果发现该方法重建的反射率呈现出类似“台阶”的形状,与实际物体色反射率差别太大。之后,Berns等在Takahama和Nyatani算法基础上,增加了色相角等约束,但重建出的反射率波动太大。Li和Luo提出具有光滑约束的二次规划颜色恒常性重建反射率算法,重建的反射率具有光滑性,比较接近实际物体色的反射率。提出一种非线性约束优化方法重建物体反射率,使之具有良好的颜色恒常性和光滑性。文中使用标准Munsell色卡中1 560个色块测量的反射率数据集对新算法进行测试,并与其他方法进行比较。结果表明,该方法不仅在重建反射率的颜色恒常性指标上远比Takahama和Nyatani方法,Berns等的方法以及Li和Luo的方法要好,而且重建反射率与原始反射率接近程度指标：均方根误差(RMSE)和拟合优度系数(GFC)也好于其他方法。因此该新方法对重建反射率时具有颜色恒常性要求的行业有着重要的应用价值。     

基于矩阵R理论的光谱降维方法研究

针对传统光谱降维方法的缺点,提出一种基于矩阵珟R理论的线性光谱降维方法。该方法在Cohen定义的矩阵R理论基础上提出修正矩阵珟R,可将物体光谱反射率分解为基本光谱和同色异谱黑光谱,再分别对两者进行线性降维。基本光谱的三个基向量由颜色匹配函数与光源的乘积再进行正交化得到,其三个基向量的累积贡献率可达100%。同色异谱黑光谱的基向量由主成分分析推导,取前三个特征向量作为同色异谱黑光谱的基向量。实验结果表明,使用该方法构建的六维线性模型能在光谱和色度两个方面较好地表征原始高维光谱反射率,满足光谱颜色复制的要求。     

Recovery of Surface Reflectances Using Video Camera Image Signals under Unknown Illuminations

Estimation of surface spectral reflectance functions and colorimetric values of object colors was carried out for the image data captured by video camera under unknown illuminations. The estimation method is based on the finite-dimensional linear model of illuminants and surfaces using a single reference reflectance with known surface spectral reflectance in a scene. Experimental results showed that recovered surface spectral reflectance functions are the almost same for different illuminations. This method is useful for the colorimetric calibration of the devices, since any set of orthonormal basis vectors to represent illuminations and any set of eigen vectors derived from principal component analysis on the data set of a color chart to express surfaces of different objects can be applied to the estimation. The recovered surface reflectances were evaluated by color differences in CIE L*a*b* color space.     

一种基于单色测量的迷彩色光谱反射比测量计算方法

提出一种基于单色测量的迷彩色光谱反射比的测量计算方法。这种方法根据单色光通量的计算方法推导得出,以单色块反射比的测量为基础,根据单色块光谱反射比和各单色在迷彩样品中所占面积,可计算出迷彩样品的光谱反射比。通过实地测量实验进行对比验证,证明了此计算方法具有一定的可行性。     

一种基于色域分析与聚类分析的基色筛选

提出了一种基于色域分析与聚类分析结合的基色筛选算法。该方法对传统4色色域和目标高保真色域进行分析,筛选出4色色域外的特征点,并对其光谱反射率进行主成分分析,确定基色的个数m。以m作为分类数,对集合中特征色光谱反射率进行聚类分析,在m个分类光谱中选择和特征色平均光谱距离最远的m个光谱作为基色光谱,在基色库中选择和m个光谱相关距离最小的实际专色作为最终基色。实验结果表明,提出的基色选择算法能够准确估计出新基色的光谱反射率,最大程度实现了目标高保真色域的再现。     

Colorimetric Calibration of Video Cameras Using Two Color Constancy Models

Colorimetric calibration of color imaging devices is important to realize device independent color reproductions. However the calibration for digital or video cameras is difficult because a color image is acquired for unknown objects under various unknown illuminants. An experiment was carried out based on two computational color constancy models, the finite-dimensional linear model and the spectral sharpening model, to estimate colorimetric values using image data of a color chart captured by video camera. We estimated the colorimetric values by using a single reference reflectance with known spectral reflectance in a color chart under an unknown illuminant. The accuracy was evaluated by color differences in CIELAB color space and was compared on three different color charts under three different illuminants including a fluorescent lamp. It was confirmed that the two computational models do not require prior knowledge of illuminants and surfaces. The finite-dimensional linear model gave more accurate results than the spectral sharpening model in the simulations and experiments.     

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。     

Limitation of Color Samples for Spectral Estimation from Sensor Responses in Fine Art Painting

A new technique is proposed to improve the way of selecting samples used to estimate spectral reflectance from sensor responses in multi-band images. This technique limits the samples of reflectance spectra based on the spectral reflectance estimated by the conventional estimation method, and estimates it again using the limited samples. Vector angle and distance among reflectance spectra as the criteria for the limitation can be applied to improve the estimation of reflectance spectra.     

敦煌壁画绘画材料多光谱图像标准数据库的建立和应用

多光谱摄影图像调查技术,基于不同物质对不同光谱吸收与反射的差异及不同波段单色光谱有相应的灰度偏向,以单色光谱灰度图像经伪彩色强化,可作为一种绘画材料普查方法。这种方法的应用首先需要建立相关遗址绘画材料多光谱图像标准,以此为基础才可以通过多光谱伪彩色等图像对壁画中漫漶壁画、相近色相颜料及无法观察的有机材料做前期普查,为后期高精度仪器的进一步调查提供参考。采用已知敦煌壁画中常用29种绘画材料制作标准颜料色板,通过规范多光谱拍摄程序和优化多光谱拍摄条件,在250～1 300 nm之间获取各种颜料在不同光谱区域的反射及荧光图像,再经过后期科学的图像校正及红外、紫外反射伪彩色图像合成,初步建立敦煌壁画颜料多光谱图像标准数据库。对真实壁画进行多光谱拍摄,将获取的可见反射、红外反射伪彩色和紫外反射伪彩色图像与标准数据库图像进行交叉对比,并采用便携式显微镜、便携式X荧光、近红外光谱等分析技术验证所获取的多光谱分析结果,表明壁画颜料多光谱图像标准数据库的建立,作为一种新型无损检测辅助方法,可通过多光谱图像对敦煌壁画颜料前期鉴别、推断绘画材料属性以及获取颜料分布状况等信息。绘画材料光谱图像数据库的建立可提高常见绘画材料类别及范围的前期调查效率和可靠性,是一种有效的颜料面集调查辅助方法。     

用于计算机配色的反射光谱数据质量评估方法研究

基础色样的反射光谱数据质量是影响计算机配色结果的重要因素之一。目前评价配色反射光谱数据质量的方法有反射光谱检测法和K/S检测法,但这两种方法需检测每种基础色样和各个波长的反射率与K/S值,检测过程过于复杂,故不适用于光谱数据质量的快速直观检测。本文使用45°/0°和d/8°几何条件的分光光度计测量以铜版纸和银卡纸为基材的胶印油墨基础色样反射光谱数据,基于光谱检测法优化获取基础色样反射光谱数据的几何条件,提出了一种明度色度对比检测法；并对比分析了反射光谱检测法,K/S检测法和明度色度对比检测法。结果表明,45°/0°和 d/8°几何条件均可用于铜版纸基础色样反射光谱数据的测量,但45°/0°几何条件不符合银卡纸基础色样反射光谱数据的测量要求；而对于d/8°分光光度计,在包含镜面反射时,银卡纸为基材的透明白反射率小于各基色墨反射率,且青墨与品红墨反射率分别在浓度为60%开始出现异常交叉,从而导致高浓度区域光谱质量较差；而在明度色度对比检测图中,青墨与品红墨样条与参考铜版纸基础数据偏离更加明显。故须选择大于或等于各基色墨反射率的透明白,基础色样中需约束青墨与品红墨的最大浓度；以漫反射特性较好的铜版纸作为配色基材时,明度色度对比检测法检测效果较现有两种检测法更为直观。     

基于成像光谱技术的土壤剖面发生层划分初探

土壤剖面是土壤发生学研究的核心,但过去几十年以来研究土壤剖面的技术并没有发生质的变化。成像光谱技术可以提供高空间、高光谱分辨率的土壤剖面数据,能够弥补反射光谱技术采样深度间隔较大的不足,用于定量研究土壤属性连续深度变化。以室内采集的土壤剖面成像光谱数据为研究对象,采用支持向量机方法进行光谱数据主成分分类,探讨成像光谱数据用于剖面发生层划分的可行性并分析影响因素。研究中首先定性分析各发生层平均光谱曲线形态特征,然后通过分析剖面光谱数据主成分深度变化特征及其散点分布情况,探讨其用于剖面发生层划分的可行性;最后进行1 000次随机划分数据集并建模、预测以减小误差,定量证明成像光谱数据用于土壤发生层划分的可行性,并通过样本分类错误频率来分析影响分类精度的因素。研究结果表明,受成土过程影响剖面内各发生层平均光谱曲线特征存在差异。成像光谱数据的主成分可以定量呈现土壤剖面深度方向上属性的连续变化及样本散点分布的集聚特征,能较好反映发生层之间的差异性,可以用于发生层划分。建模预测结果表明发生层的预测精度平均值达到93.08%。同时发现,光谱主成分分布相似区域的样本及位于发生层过渡区域的样本分类错误率较高。该研究为利用成像光谱技术进行土壤剖面发生层划分提供了理论依据,为下一步进行剖面发生层制图奠定了技术基础。