微型化多通道滤光片光谱串扰模型的建立和评价

多光谱成像可以从背景中凸显出目标物,但微型多通道滤光片在不同通道之间存在光谱串扰问题,影响目标的识别。通过光谱串扰分析,建立光谱串扰模型,提出光谱串扰系数,通过灰度值统计的方法定量评价光谱串扰。对已加工的一种光谱串扰程度约为16.74%的微型多通道滤光片获取的多光谱图像进行了对比分析,经过串扰模型处理后的图像与原始图像相比,其对比度有了显著的提高。实验分析结果表明,该模型对评价多通道微型多光谱滤光片的光谱串扰具有很强的针对性,对提高多光谱图像目标识别效果明显。     

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。     

一种多波段光源的显微多光谱成像系统研究

复合染色方法可以解决传统宫颈癌联合筛查无法在同一张涂片上实现的问题。针对复合染色带来的DNA吸光度干扰和色彩还原失真等问题,本文建立了一套多波段光源的显微光谱成像系统.组合光源的设计兼顾彩色图像的还原和吸光度模型的建立,采用多元线性回归法建立多光谱剥离模型,利用该模型从混叠的多光谱图像中剥离出福尔根染料的真实吸光度用于DNA定量分析,同时合成符合医生诊断习惯和要求的伪彩色图像.实验结果表明:选用的四个波段的光源的带宽为12nm/12nm/14nm/19nm,是符合要求的窄带单色光;以显微测微尺为标尺,以原光源测量参数为标准,测得组合光源的光斑偏移量最大不超过3个刻度,其平行度和同轴度满足成像系统要求;合成的伪彩色图像颜色明亮饱满、背景干净,不会对阅片医生诊断造成干扰和障碍;吸光度剥离模型可以成功将福尔根染料真实吸光度剥离出,能够准确计算DNA含量.选用小鼠肝脏涂片作为测量标本,测量计算的DI值符合肝细胞多倍体性的特点;选择宫颈阳性样本进行对比实验,两种方法测得的二倍体细胞和四倍体细胞DI值相吻合.本系统具有较高的准确性和可靠性.     

多通道窄带滤光片光学特性的测试与修正

多通道窄带滤光片在多光谱成像领域具有重要应用,各通道中心波长、通带半高宽、截止带深度等指标是评价滤光片光学性能的重要参数,准确测试窄带滤光片的光谱特性对镀膜工艺及多光谱成像应用具有重要意义。针对多通道窄带滤光片光谱特性测试过程中存在的光谱串扰问题进行了分析,提出了基于显微镜和光纤光谱仪的多通道窄带滤光片光谱特性测试方法,介绍了测试原理和装置;研究了光谱分辨率对测试结果的影响规律,采用微分算子五点修正法对原始数据修正,并对修正前后的误差进行分析。文章解决了在多通道滤光片测试过程中存在的光谱串扰和光谱分辨率等问题,光谱修正结果可用于指导滤光片的生产以及为光谱成像提供准确的光谱信息。     

窄带快照式多光谱成像色彩还原方法

由于兼具光谱分辨和空间分辨能力, 快照式窄带多光谱成像在资源遥感、精准农业、医疗检测等领域将有广泛应用。由于该方法使用窄带成像来提高光谱分辨率及图像对比度,所获得的图像是灰度信息,失去了场景的色彩信息,不便专家对图像鉴别、评价与赏析。已有的色彩还原算法主要针对光谱波段带宽较宽或者多个波段叠加基本覆盖整个可见光谱范围等两种光谱成像仪,不适合窄带多光谱成像方法的色彩还原。该研究适合于快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法,提出建立窄带多光谱彩色相机的概念。首先,提出两种窄带多光谱色彩还原方法：(1)基于CIE色度系统三刺激值色的,(2)基于贝尔阵列插值算法的;其次,分别应用两种算法还原快照式窄带多光谱相机所获得的植物、手臂及宫颈组织等三种代表性场景窄带多光谱灰度图像;之后,计算并比较表征两种算法所得的代表性场景彩色图像的均值、方差、熵及梯度等表征图像质量的参数数值,确定出适合快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法;最后,对所确定的色彩还原算法进行色偏校正。实验结果表明,基于CIE三刺激值色彩还原方法比贝尔阵列插值法更适用于窄带多光谱成像颜色复原。配合使用CIE三刺激值色彩还原方法及灰度图象校正算法,从窄带光谱成像所获得的植物、手臂皮肤及宫颈组织的灰度图像所还原出的近彩色图像逼近物体真实色彩,满足人眼观察习惯。介绍了仅覆盖可见光光谱范围30%的窄带多光谱图像进行色彩还原的方法,该方法证明快照式窄带多光谱成像可以兼具光谱分辨能力,同时保持可供人主观辨识的色彩信息。所提出实现快照式窄带多光谱彩色成像的方法,有望设计不同于传统RGB相机的彩色相机实施方案。     

微型快照式窄带多光谱成像宫颈癌筛查方法

白光阴道镜图像对比度较低,不利于医生鉴别不同病变程度组织,也不利于自动化宫颈癌筛查。利用癌变组织富含血红蛋白成分及血红蛋白具有特征波段这一特性,与传统高光谱空间扫描成像及分时获取不同波段多光谱成像方法相反,利用快照式多光谱窄带成像来加速光谱图像获取过程,提升不同病变程度组织之间灰度对比度同时,降低后续图像分析处理算法难度,实现对宫颈组织病变类型高帧率自动化分类。首先,使用微型快照式窄带多光谱摄像方法,在血红蛋白的两个强吸收峰(415±10)和(525±10) nm、一个反射带(620±10) nm和一个背景波段(450±10) nm共四个波段对宫颈组织进行快照式零时差获取四幅窄带光谱图像。而后,对所获取的光谱图像进行简单代数加减,以生成突显病变组织的融合图像,提高不同病变程度组织之间的对比度。最后,使用欧式距离分类算法,对光谱融合图像中不同病变级别进行分类,建立计算机辅助宫颈癌筛查方法。创新点在于实现了高帧率计算机辅助光学病理诊断方法。分别采用临床常规白光阴道镜及微型快照式窄带多光谱摄像对宫颈癌手术切下的新鲜组织进行彩色图像及光谱融合图像的高帧率采集,并使用同一个欧式距离分类算法对两种图像进行自动分类,分类结果都以组织病理诊断作为标准来计算正确率。通过对比两种分类结果正确率来检验光谱融合图像相对于彩色图像是否提升对比度,及其是否可以实现与组织病理诊断(金标准)结果一致的诊断。欧式距离分类算法对光谱融合图像分类准确率接近100%,远高于对白光阴道镜图像约50%的准确率。多位临床医生对基于微型快照式多光谱摄像头光谱融合图像的计算机自动分类结果表示接受。微型快照式窄带多光谱成像方法能有效提升光谱融合图像获取帧率及不同病变程度组织之间灰度对比度,能有效快速地将宫颈组织划分为与组织病理诊断结果一致的病变类型。由于诊断客观、无创伤、结果立等可得,该方法将有助于实现落后地区宫颈癌筛查的普及以及图像导航下的宫颈癌精准治疗手术。     

敦煌壁画绘画材料多光谱图像标准数据库的建立和应用（英文）

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 300nm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。     

一种八谱段滤光片成像系统设计

针对多光谱滤光片阵列成像采样率低,原始(Raw)数据稀疏所导致的重建图像模糊,高频信息丢失等问题,提出了一种新八谱段滤光片阵列分布方案,利用基于邻域梯度延伸方法对光谱Raw图像进行重建.首先基于二叉树生成法,在重复排列的4×4阵列中设计了一种等空间概率比的八谱段滤光片分布方案;然后针对传感器直接获取的稀疏Raw图像,计算各谱段采样点的梯度信息,在保持图像结构特征和纹理信息的基础上,利用邻域采样点的像素值和梯度值对未采样点进行重建,从而获得完整的光谱图像信息;最后,基于已重建的八谱段光谱图像,采用伪逆矩阵法重构各像素位置的31波段光谱值.结果表明,相对于主流图像重建方法,本文算法提高了重建八谱段光谱图像的峰值信噪比、复合峰值信噪比,降低了光谱均方差,更好地保留了图像的纹理和边缘,有效降低了多光谱滤光片阵列成像中的颜色伪影和图像模糊等现象.     

园艺作物病害的多光谱组合分类

选取设施园艺作物黄瓜的主要病害为研究对象,利用窄带滤光片型多光谱成像系统,获取患病黄瓜叶面的14个可见光通道和近红外通道、全色通道的多光谱图像。采用多光谱图像分类技术中的距离分类器、相关系数分类器和BP人工神经网络分类器,将不同病害类型对应的16个波段的反射率看作线性波谱,对210个多光谱数据样本进行识别分类,目的是探讨一个能有效识别黄瓜植株常见病害的多光谱组合分类器。实验结果表明,将人工神经网络和距离分类器有效组合,不仅分类性能明显优于单个分类器的性能,而且能够充分发挥各个分类器的特性,对园艺作物病害进行快速、准确、实时的无损检测。     

四通道可见光光谱相机的设计

随着光谱技术的发展，多光谱相机在农业、医疗、机器视觉、遥感探测等领域都得到了广泛的应用。提出一款小型化四通道可见光波段的多光谱相机，尺寸为107 mm×110 mm×74 mm，质量1 043 g，适合搭载在小型化无人机上进行遥感探测。相机系统采用棱镜分光光路设计方案，避免光程差和光轴偏移；设计开发的四通道可见光多光谱相机，采用一个FPGA控制器同时驱动4个图像传感器，实现4个通道像素级同步采集，曝光完全一致。实验结果显示:在红、绿、蓝3个特定波段及全波段相机可实时输出图像，既可输出某个特定波段图像(60 fps)，也可同时输出4个波段图像(15 fps)，有利于多波段图像同步采集，以及多光谱图像融合的研究。     

多波段红外图像的海面舰船目标检测

现有的基于单个红外宽波段的海面舰船目标探测系统在面对复杂海天背景、岛岸背景、恶劣天气、亮带干扰或诱饵弹干扰等情况时,系统的探测率、虚警率、探测距离等性能指标均会受到严重的影响;为此,开展了基于多波段红外图像的海面舰船目标检测方法的研究。通过中波红外多波段数据采集系统实际采集107组五个中波红外波段的图像;波段1-5分别为3.7～4.8,3.7～4.1,4.4～4.8,3.7～3.9和4.65～4.75 μm;对多波段图像进行手动标注构建样本数据集,其中,正样本舰船目标298个,负样本非舰船目标353个。对于多波段红外图像,首先进行PCA降维并采用选择性搜索算法生成初始目标候选区域;针对候选区域中存在大量明显的非舰船目标区域的问题,利用积分图像计算候选区域的局部对比度,依据红外舰船目标的几何和灰度特征从初始目标候选区域中筛选出舰船目标可能性大的区域作为舰船目标候选区域。然后对舰船目标候选区域进行拓展以融入局部上下文信息,对于候选区域对应的5波段红外图像,分别提取每个波段图像的稠密SIFT特征,并将128维SIFT特征向量降为64维,融入SIFT特征的空间和波段位置分布信息得到新的特征向量,基于高斯混合模型对候选区域的特征向量集合进行编码融合得到舰船目标候选区域的费舍尔向量表示,最后利用线性SVM分类器识别出舰船目标。对多波段图像进行舰船目标候选区域生成实验,所提出的基于红外舰船目标的几何和灰度特征的约束方法可以有效地克服选择性搜索算法的不足,从初始目标候选区域中快速定位出舰船目标候选区域,对25组多波段图像进行实验,舰船目标候选区域生成的整体耗时为0.353 s,定位舰船目标区域耗时0.005 s。对100个正负样本进行目标识别测试,所提出的目标识别算法融合了目标的多波段图像特征信息,通过引入费舍尔向量挖掘了多波段图像梯度统计特征的深层次信息,算法的识别率达到了0.97,显著高于单波段红外图像的目标识别率。对25组多波段图像进行舰船目标检测实验,所提出的舰船目标检测方法能够在海天背景、岛岸背景以及亮带干扰等不同场景下完成海面舰船目标的检测工作,舰船目标定位准确,舰船目标召回率达到了0.95,每组多波段图像的平均检测耗时为1.33 s。研究结果表明,充分考虑海面舰船目标在红外图像中与局部海洋背景的辐射差异以及有效地融合舰船目标在多个红外波段图像中的辐射特征,可以增强舰船目标的可分性,提高舰船目标的识别率以及检测率,为基于多波段红外图像的海面舰船目标检测提供了新的技术支持。     

基于阵列波导光栅的边缘滤波温度解调系统

为克服传统阵列波导光栅解调系统体积大、价格昂贵等问题,提出了以窄带光源为输入光源,采用边缘滤波和阵列波导光栅相结合的解调方案,实现对增敏封装后的光纤光栅温度传感器进行温度解调实验。以窄带光源作为输入,通过边缘滤波的方法使得温度传感器反射谱的中心波长偏移程度与解调光路输出光强的变化相对应,利用阵列波导光栅的波分复用实现多传感器同时测量,实现了多传感器多通道的分布式测量,实验结果表明:解调系统的波长解调范围为1 545.30 nm～1 560.50 nm,对35 ℃～42 ℃的温度范围进行检测,波长解调精度为±5.34 pm,温度测量误差可达±0.1 ℃。     

高温下数字图像相关散斑最优成像探究

为了测量材料在高温甚至超高温下的力学性能,采用数字图像相关方法,并研究其在高温下的最优成像。采取不同的散斑制作方法,同时加入不同颜色的高温漆,在不同的温度节点,外加不同光源及相应的滤波片,采集并观察图像是否具有良好的对比度。普通的单色光源在800℃以后会逐渐失效,无法获取图像,而紫外光在1 200℃时依然可以获取较好的图像,且直接利用试件本身颜色作为底色效果更佳。采用紫外光照明可以实现DIC在高温环境下的测量。同时利用黑色或者蓝色散斑直接喷涂在试件上有着最佳的对比度,要优于常规的散斑制作方法。     

红外和彩色可见光图像亮度-对比度传递融合算法

以红外和彩色可见光图像为研究对象,提出了一种基于亮度-对比度传递（LCT）技术的彩色图像融合算法。首先借助灰度融合方法将红外图像与彩色可见光图像亮度分量融合,然后用LCT技术改善灰度融合结果的亮度和对比度,最后利用快速YCBCR变换融合策略在RGB空间内直接生成彩色融合图像。文中利用像素平均融合法和多分辨率融合法作为不同的灰度融合措施以分别满足高实时性和高融合质量的需求。实验结果表明,提出算法的融合结果不仅具有与输入彩色可见光图像相近的自然色彩,而且具备令人满意的亮度和对比度,即使采用运算简单的像素平均法进行灰度融合,同样可以获得良好的融合效果。     

基于多光谱成像技术的水稻叶瘟检测分级方法研究

实时、可靠的植物病害检测是进行科学的植物喷药作业的基础,也是精确农作的关键技术之一。目前水稻稻瘟病害检测鉴定方法存在着专业知识要求高、花费大、效率低等缺点。文章提出了利用包含绿、红、近红外三波段通道的多光谱成像技术对水稻叶瘟病进行检测。研究目的是建立能够快速、准确分析稻叶瘟病情的检测模型,实时过滤掉背景噪声、自然枯叶等干扰因素,实现对水稻生长状况进行及时、有效、非破坏性检测。研究表明,利用多光谱成像技术提取水稻叶面及冠层图像信息,可以快速有效地检测稻叶瘟病情。通过实验建立的稻叶瘟病情检测分级模型,对于营养生长期的水稻苗瘟的识别准确率为98%,叶瘟的识别准确率为90%,为实施科学的稻叶瘟防治提供了决策支持。     

机械快门滤光片式多光谱成像仪相对定标方法研究

大面阵滤光片阵列多光谱成像仪采用了全帧转移大面阵探测器,并利用机械快门保证采集数据时不发生拖尾现象,但由于机械快门开合时间的不稳定性,使多光谱成像仪数据出现区域间的亮度不均匀,而且还会造成彩色图像偏色条带。故提出了一种基于目标辐射一致性的相对辐射定标方法,利用图像重叠部分的辐射特性,计算光谱图像的辐射矫正因子,对拼接图像的非均匀性进行矫正。并利用差分评价矫正效果。最后对多光谱相机采集的外场实验数据进行处理和矫正,结果表明,该方法可以很好的矫正单色拼接图像区域间的非均匀性,并可以消除彩色合成图像中的偏色条带;适用于有重叠部分的图像拼接,并且对于拼接误差不敏感。     

Real-time joint spectral-spatial matched filtering

A technique for real-time joint spectral-spatial matched filtering is presented. The technique involves the real-time conversion of an input color image into a set of sampled monochromatic coherent images through the use of a tricolor grid and real-time spatial light modulator. These color-coded monochromatic images are then processed by a multi-channel, coherent matched filtering subsystem. The advantage of this technique over prior matched filtering methods is its ability to use both color and shape in recognizing objects.     

Plasmonic Fraunhofer-wavelength narrow-band filter based on calcium film

We theoretically investigate plasmonic properties of a calcium film in a Kretschmann excitation scheme. Based on surface plasmon polaritons, the absorbance of the calcium film can be as high as 100% for the p-polarization, much higher than the absorbance for the s-polarization at the wavelength of 422.7 nm, correspondingly to the g Fraunhofer line. The 45 nm thick film of calcium has a high reflectance of about 76% at 422.7 nm for s-polarization. But for p-polarization, there is a minimum in the reflectivity curves at the angle of 19°. The narrow-band filter based on calcium film is particularly suited for working with conventional calcium atomic filter and on-chip integration due to its solid-state bulky feature. Furthermore, the plasmonic filter based on the calcium film is described that may offers new applications in angle- and polarization-sensitive sensor and the detection of weak laser light.     

一种自适应的多光谱图像与全光图像融合新方法

对于不同多光谱图像与全光图像的融合,目前一些融合算法在光谱信息和分辨率上不能同时得到较好的融合效果.针对这一问题,提出一种新的自适应图像融合方法.实验结果表明,该方法不仅能够较好地保留融合图像的光谱信息和提高空间分辨率,而且具有较强的自适应性.