Spectral data compression using weighted principal component analysis with consideration of human visual system and light sources

This paper proposed two weight functions based on principal component analysis (PCA) to reserve more colorimetric information in spectral data compression process. One weight function consisted of the CIE XYZ color-matching functions representing the characteristic of the human visual system, while another was made up of the CIE XYZ color-matching functions of human visual system and relative spectral power distribution of the CIE standard illuminant D65. The improvement obtained from the proposed two methods were tested to compress and reconstruct the reflectance spectra of 1600 glossy Munsell color chips and 1950 Natural Color System color chips as well as six multispectral images. The performance was evaluated by the mean values of color difference under the CIE 1931 standard colorimetric observer and the CIE standard illuminant D65 and A. The mean values of root mean square errors between the original and reconstructed spectra were also calculated. The experimental results show that the proposed two methods significantly outperform the standard PCA and another two weighted PCA in the aspects of colorimetric reconstruction accuracy with very slight degradation in spectral reconstruction accuracy. In addition, weight functions with the CIE standard illuminant D65 can improve the colorimetric reconstruction accuracy compared to weight functions without the CIE standard illuminant D65.     

基于LED照明的色差评价研究

截止目前,多国相关颜色科学工作者已累计提出了40多个色差公式,但是目前所有的色差公式的相关使用,都只能限定在CIE给定的观测条件。固态照明作为近些年光源研究的重点方向,相关的研究如基于LED照明条件的色差研究仍未展开。该研究遵循CIE的色差研究指导原则,首先选取CIE推荐的17种颜色中心中的五种颜色,制成实验色块样张,分别以U30,TL84和D65光源为参考光源,以LED灯泡为实验光源。选用CIE1976LUV色差公式、CIE1976LAB色差公式、CIEDE2000色差公式分别对打印色块进行理论色差值的计算。然后采用20名观察者,通过心理物理学的视觉评价实验对打印色样进行主观色差评价,最后通过标准化残差平方和(STRESS)将客观计算值与主观评价数据进行对比分析。发现实验中选用的三种色差公式在LED照明条件下的色差预测性能均不是很理想。相比而言,在LED照明条件下,CIE1976LUV公式的预测性能相对要好,CIEDE2000公式次之,CIE1976LAB公式最差。     

线性规划法在用加色滤光技术模拟D65光源中的应用

国际照明委员会推荐的D65照明体的光谱分布比较特别.不容易用某种人工光源来实现,比较好的方法是用人工光源加上适当的滤色器来制成D65的模拟器。本文介绍一种用线性规划法来计算滤色器的配置的方法。     

非标准光源在颜色测量中的差异性分析

不同光源因光谱功率分布差异,具有不同色温、显色指数,测色差异很大。D65标准光源最接近日光光色,是国际照明委员会(CIE)推荐测色标准光源。但其价格昂贵、工作条件苛刻且不易得,实际测色中常用非标准光源代替。为了研究非标准光源的测色差异,设计了一套溶液比色系统,分别采用高压脉冲氙灯、LED灯、卤钨灯作为光源,亚硝酸盐显色实验为基础,以色度学原理计算3种光源的测色差异。结果显示,氙灯、LED灯光谱分布较为均匀,色度坐标接近等能白光E(0.33, 0.33), 测色比较接近真实颜色,而卤钨灯测色误差较大。氙灯与LED灯在L*a*b*空间测色平均色差ΔE_ab在10 NBS以内,两者与卤钨灯测色平均色差ΔE_ab在20 NBS以上。     

一种基于视觉评价的白光LED显色指数改进算法

现行的CIE显色指数对白光LED的评价结果存在与视觉感知不符的问题,需要新的显色指数计算方法或对CIE显色指数进行改进。提出了一种基于视觉实验改进的计算白光LED显色指数的新方法。通过色块样本的光谱反射比与光源相对光谱功率分布之间的关系,改进了显色指数计算公式,得到改进后的显色指数。把CIE显色指数与改进后的显色指数分别与视觉评价结果进行对比,证实了改进后的显色指数更符合视觉评价结果。     

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。     

蒙特卡罗模拟LED并联电路电流降额特性

利用蒙特卡罗方法对LED并联电路的电流降额特性进行了模拟,假设分档后的大功率白光LED的正向电压(VF)分布符合正态分布,研究了1×n(2≤n≤15)系列LED并联电路电流降额量(IP)的概率(P)分布。模拟结果表明,IP的概率分布函数偏离了正态分布,密度函数曲线最高值点的两侧不对称,左侧较右侧陡峭;随着LED并联数(n)的增加,概率密度函数沿IP增大的方向移动,并且越来越趋近于正态分布。当n一定时,IP随电路中出现LED承载电流超过其额定电流的概率增大而降低,降低的速度由快转慢;当P为0.01%～1%时,IP大约为20%～30%。当P一定时,IP随n的增加而增大;当n6时,IP的增大速度变缓。模拟结果可以推广到m×n阵列化互连大功率LED模组。     

多光谱可见光通信信道串扰分析

在可见光通信领域, 通过波分复用技术可以增加信道个数, 从而提高系统通信容量. 然而发光二极管(LED)的辐射光谱具有一定线宽, 当信道个数增加, 信道间隔将变小, 尽管有滤光片的通道选择, 但LED的辐射光谱会出现重叠从而产生信道串扰. 本文基于LED光谱重叠现象分析了多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰问题. 首先结合LED的物理机制和实际LED的光谱形状对其光谱进行建模; 然后根据光谱重叠现象和可见光通信信道推导出信道串扰公式; 最后利用不同中心波长的LED在两通道可见光通信系统中验证了信道串扰公式的正确性. 仿真和实验结果表明, 当两信道的信道间隔大于28 nm时, 两信道之间的信道串扰不超过-13.6 dB. 对多光谱波分复用可见光通信系统的信道串扰分析对未来可见光通信增加信道数量有一定指导作用.     

兼顾色度和光谱精度的多光谱图像LabW2P编解码

针对可见光多光谱图像在通用领域的应用,为提高压缩效率,有效提升重建光谱曲线的色度及光谱精度,进一步存储传输,提出了一种非线性光谱反射率模型,并基于此设计了复杂度适中、光照稳定性好且支持光谱跨设备再现的LabW2P编解码算法。首先根据多光谱图像物理特性,提出非线性光谱反射率模型,将光谱数据表示为线性成分和差别光谱,线性成分由六维变换空间及光谱投影系数组成,差别成分为非线性表示成分,该模型用于光谱数据至不同基变换空间的分解及表示,为算法的构建,光谱及色度重建性能的提升,提供了理论基础;然后,根据人眼视觉系统特征、光照条件,借助CIE标准色度空间转换函数,提取光谱反射率中的三维色度信息Lab,保证重建图像的色度精确性;基于光谱非线性表示模型,采用类视觉曲线的三角函数基,提取线性成分前两维投影系数作为光谱编码的后两维W₁和W₂,用于近似描述CIERGB色度空间中R和G通道,同时有效提高光谱数据的色度和光谱还原度;利用误差补偿机制生成预测差别光谱,采用主成分分析（PCA）法提取其第一维主成分作为编码值P,补偿了线性光谱重建误差,并进一步提升了光谱精确性;最后,组合提取的三部分数据,形成LabW2P编码。LabW2P解码即编码的逆过程。首先,根据Lab及W₁和W₂,结合CIELAB至CIEXYZ色度空间转换函数、光照条件、CIE标准观察者色匹配函数、及三角函数基,采用最小二乘回归,获得变换空间上的重建投影系数,进而重建线性光谱数据;然后,根据P值,采用PCA逆变换,获取重建预测差别数据,最后,结合两部分重建数据,获得光谱重建图像。实验分析显示,LabW2P算法的平均色度精度为0.207 6,较经典的PCA,LabPQR和LabRGB法分别提升了81.54%,55.48%,32.29%,最大平均色差为0.507 0,此外均处于0～0.5之间,达到了视觉难以辨认的可忽略色差的色彩重建水平;平均光谱精度为0.012 7,较PCA性能稍弱,较LabPQR和LabRGB法分别提升了13.01%,6.62%,表明LabW2P编码法的色度和光谱重建性能优势明显。此外该算法可直接用于物体色估计,较PCA和LabPQR法,传输附加信息少,可达压缩比更高。     

基于LED峰值的太阳光谱合成方法

为了利用不同波段LED快速准确地模拟太阳光谱,基于LED的光谱合成原理,提出了一种利用LED光谱峰值波长处的数据合成太阳光谱的方法,简化了太阳光谱的拟合过程。首先,建立所有LED峰值波长处的函数方程组,利用约束最小二乘法确定各波段的拟合参数。进而,通过3组等间隔的LED光谱数据组对该方法进行了仿真分析,间隔40,30,20 nm的LED合成光谱与目标光谱相关系数对应为0.902,0.935,0.977,并对合成光谱失真处进行了分析和修正。最后,根据所选LED的实际光谱对太阳光谱进行了仿真分析。仿真结果表明：合成光谱与太阳光谱最大失配误差为4%,达到AM1.5的A级标准,满足LED太阳模拟器光谱匹配要求。     

一种色度自适应投影标记点的选取方法

近年来,对物体的颜色显现力、光源光谱功率分布和自身表面反射光谱三者的定量关系方面的研究备受大家关注。在三维扫描测量领域,由于颜色特征具有反映物体材料和纹理等丰富信息的优势,提出了一种主要由彩色相机、投点光源和PC机组成的色度自适应投点仪结构,其中数字微镜(DMD)作为投点光源的核心元件用于调制R,G,B 三个LED光源的光谱功率分布。然而主动式标记点的颜色显现力因受未知反射光谱投影接受面的影响,其颜色特征往往难以识别和区分。为了提高投影标记点与不同反射光谱的投影接收面作为背景的分辨力,描述了一种色度自适应投影标记点的选取方法。在高维线性反射光谱建模的基础上,用光谱响应的方法对彩色投点仪设备特征化,以解决三通道彩色相机设备特征化精度低的问题。并通过样本训练为高维线性反射光谱的求解提供条件约束。继而,在CIE1931色度坐标空间下,选取与投影接收面背景色度坐标欧氏矩最大的色度坐标点。根据投点仪设备特征化结果,推导其LED最优设定值。最后,采用24孟塞尔色卡作为被投影对象,主动标记点与色块的色差作为其颜色显现力的评价参数,通过与激光二极管投点仪做对比性实验。实验结果表明对各不同色度的投点接受面,提出的色度自适应投影标记点的选取方法均有较好表现。     

Centroids analysis for circle of confusion in reverse Hartmann test

The point spread function(PSF) is investigated in order to study the centroids algorithm in a reverse Hartmann test(RHT) system. Instead of the diffractive Airy disk in previous researches, the intensity of PSF behaves as a circle of confusion(CoC) and is evaluated in terms of the Lommel function in this paper. The fitting of a single spot with the Gaussian profile to identify its centroid forms the basis of the proposed centroid algorithm. In the implementation process, gray compensation is performed to obtain an intensity distribution in the form of a two-dimensional(2D) Gauss function while the center of the peak is derived as a centroid value. The segmental fringe is also fitted row by row with the one-dimensional(1D) Gauss function and reconstituted by averaged parameter values. The condition used for the proposed method is determined by the strength of linear dependence evaluated by Pearson's correlation coefficient between profiles of Airy disk and CoC. The accuracies of CoC fitting and centroid computation are theoretically and experimentally demonstrated by simulation and RHTs. The simulation results show that when the correlation coefficient value is more than 0.9999, the proposed centroid algorithm reduces the root-mean-square error(RMSE) by nearly one order of magnitude, thus achieving an accuracy of ~ 0.01 pixel or better performance in experiment. In addition, the 2D and 1D Gaussian fittings for the segmental fringe achieve almost the same centroid results, which further confirm the feasibility and advantage of the theory and method.     

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪狭缝函数研究

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪是一种新型光学遥感仪器,具有分辨率高(0.3～0.5 nm)、宽光谱范围(240～710 nm)、大视场角(114°视场对应地面2 600 km)的特点,载荷采用推扫方式,可实现1日全球覆盖监测。载荷通过探测地球大气或地表反射、散射的紫外/可见光,利用差分吸收光谱技术来获取全球大气痕量气体(NO₂, SO₂, O₃等)分布和变化。定标是遥感数据定量应用的前提,同时为获取载荷光谱特性,需要在地面完成载荷的光谱定标。根据大气痕量气体差分吸收光谱仪视场角度大、谱段范围宽、空间和光谱分辨率高等特点,搭建了一套基于二维转台的光谱定标系统,此系统能够完成全视场光谱定标。光谱定标采用标准谱线法,光谱定标光源使用汞灯。光谱响应函数是描述光谱仪光谱响应特性的重要参数,根据光谱响应函数可以获取载荷的光谱分辨率,同时也是基于DOAS反演的关键输入参数,光谱响应函数的精度直接影响大气痕量气体的反演结果。根据载荷实际测试的光谱响应数据,选取了Gauss,Lorentz和Voigt三种函数作为待选的光谱响应函数。为对三种函数模型进行筛选,进行了两种筛选对比测试,首先分别用Gauss函数、Lorentz函数、Voigt函数对载荷的单色光响应数据进行拟合,以三种函数的拟合残差平方和作为评判标准,拟合结果表明Gauss函数作为狭缝函数拟合的残差平方和最小为0.01,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数拟合的残差平方和分别为0.033和0.021。从载荷单色光响应数据函数拟合的结果分析,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。为了进一步验证这一结论,进行了DOAS反演NO₂样气的实验,考察三种函数模型对反演的影响。在实验室开展了NO₂样气测试,大气散射光通过30*40cm的石英窗口入射到载荷狭缝,将NO₂样品池放置在载荷狭缝和石英窗口中间,获取的数据为NO₂样气吸收谱,随后充入N₂气体获取反演的参考谱,实验在晴朗天气下进行,并能够在较短时间内完成,可以减少外界天气条件对反演结果的影响。实验中NO₂样气浓度为8.481 2×1016 molec·cm-2,在利用DOAS进行反演时,设置仪器狭缝函数分别为Gauss,Lorentz和Voigt函数,分析三组不同的函数模型对应的NO₂浓度结果,根据反演结果的相对偏差对函数模型进行评价。实验结果表明Gauss函数作为狭缝函数反演结果的相对偏差最小为5.6%,Lorentz和Voigt函数作为狭缝函数的反演相对偏差分别为28%和15.1%。由光谱响应数据的拟合结果及样气反演结果表明,Gauss函数可以作为载荷的光谱响应函数模型。     

高功率激光装置输出光束相对光谱功率测量方法

针对SILEX-I超短超强脉冲激光装置输出光束光谱分布的精密测量问题,采用脉冲激光相对光谱功率来评价光谱分布,以溴钨灯为标准光源开展相对光谱功率测量方法的研究,获得相对光谱功率的理论计算公式。以SP2760光栅光谱仪作为光谱测量设备在SILEX-I激光装置上进行了光谱分布测量的验证实验,并给出了不确定度评定,获得了扩展相对不确定度1.7%的测量精度。测量结果显示,相对光谱功率分布与光栅光谱仪的原始光谱响应值分布具有显著的差异,可以更加准确地反映输出脉冲的光谱分布。     

基于LED的光谱可调光源的光谱分布合成

从实测的LED光谱分布出发,对基于LED光谱可调光源进行了可行性验证。提出用非对称高斯分布函数的数学模型来拟合单个LED光谱分布,并以该数学模型为基础,运用多种不同峰值波长的LED来合成所需要的光谱分布。在原理上实现了对任意目标光谱的最小二乘拟合,使用不同峰值波长的单色LED分别对D65、溴钨灯、5 500 K理想黑体、日光照射下的标准白板的光谱分布进行拟合,相关指数均在0.94以上。最后通过对数据的分析,总结出在工程实践中必须注意的要点。     

基于PSO粒子群算法的LED照明系统光照均匀性研究

实现大功率LED阵列在目标平面上的照度均匀分布对于照明系统具有十分重要的意义。不同于传统解析计算方法,本文采用粒子群（PSO）算法来优化平面随机分布的LED阵列结构,使其在目标光照平面上光照分布均匀。首先推导了LED阵列的照度分布函数,并在此基础上以光照函数的标准差构建一个评价函数,衡量光照分布均匀度。在Matlab中编程获得光照分布最优时候的LED阵列结构数据,并将几何模型导入光学仿真软件Tracepro中进行优化模拟,仿真结果表明该算法有效可行。     

基于光谱线性拟合的宽波段光源波动补偿方法

宽波段光源在工作过程中,光强通常会随供电电源输出功率的变化而波动。宽波段光源波段内各个波长的光谱强度将会发生不同程度的波动。为解决光源光强波动时其波段内各个波长光谱强度的补偿问题,提出了一种基于光谱线性拟合的补偿方法。使用这种方法,只需测量光源波段光强的变化,就可以补偿各个波长光谱强度的波动。通过分析理想黑体全波段辐射出射度与光谱辐射出射度的近似线性关系。建立了宽波段光源波段光强与光谱强度的线性模型。实验装置主要由卤素灯珠、光源电源、光阑、光谱仪及计算机构成。调节电源的输出功率,得到一组卤素灯珠在不同输入功率下的相对光谱强度。测量不同功率下卤素灯珠光谱强度来验证该方法补偿效果。按线性关系拟合了卤素灯珠光谱强度与其波段光强关系式,并分析了拟合误差。实验表明：卤素灯珠的光谱强度与其波段光强具有很好的线性关系,可以用波段光强按线性关系来补偿其光谱强度的波动。随着卤素灯珠输入功率的增大,补偿后的光谱强度的相对误差绝对值下降。在卤素灯珠输入功率范围内,使用该方法补偿的光谱强度在绝大部分(92%)波长下相对误差绝对值可在5%以内。     

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。     

基于改进粒子群算法的LED光源阵列优化

为了提高发光二极管（light emitting diode,LED）光源阵列的光照均匀度,提出一种改进粒子群算法和新型等差LED阵列排布方式。根据光照分布模型建立了照射面的光照均匀度评价函数,使用改进的粒子群算法对新型等差LED阵列、矩形及圆形阵列进行优化。将优化后的LED阵列数据导入光学软件TracePro中进行仿真验证,得到优化后等差、矩形及圆形LED阵列的光照均匀度分别为82.89%、73.31%及78.56%,比优化前LED阵列的光照均匀度分别提高了15.84%、10.65%及15.57%。研究结果表明,改进后的粒子群算法收敛速度更快、精度更高,且提出的新型等差LED阵列有着更好的光照均匀度。     

亮度均匀的LED路灯透镜设计与研究

针对路灯照明系统,设计了一种照度均匀和亮度均匀的LED路灯透镜。通过分析LED光源角度分布与目标面照度的关系引用了一种简化的线性校正函数。不同的道路亮度系数,选用合适的K值,设计基于自由曲面的亮度均匀路灯透镜。利用光学软件进行仿真,结果显示中间向边缘逐渐减弱的渐变照度分布有利于路灯照明亮度的均匀。通过注塑成型工艺加工了该透镜,并制作了一盏路灯进行配光和照度的测试。结果表明该透镜设计满足渐变照度分布的矩形光斑照明。采用Dialux软件对路灯照明效果进行评估,显示该路灯透镜设计,横向和纵向亮度均匀性达到0．6以上,满足道路照明的亮度均匀性要求。