基于选择最优滤光片的多光谱成像系统的研究.docVIP

基于选择最优滤光片的多光谱成像系统的研究 　　摘要： 研究了基于选择最优滤光片多光谱成像系统优化问题，采用了优化的滤光片组合，组建了一个六通道的多光谱成像系统。利用提出的基向量和多项式组合的方式重构光谱数据，成功重建出博物馆、美术馆等展览馆常用的两种典型光源模拟器D65和A光源下油画的光谱反射率，并以光谱均方误差和色差综合误差评价成像质量。对两种光源下重建结果分析可得，最优滤光片的选取与光照环境密切相关。根据光照环境不同采用选取出的最优滤光片可得到最好光谱成像图，并且能在光谱和色度上都达到较高精度。 　　关键词： 多光谱成像； 最优滤光片； 基向量法； 多项式模型； 数码相机 　　中图分类号：O 433 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.05.004 　　文章编号： 1005-5630（2016）05-0393-009 　　引 言 　　多光谱成像技术早在20世纪70年代就应用于航空航天遥感领域，并且不断得到发展[1]。由于其克服了传统三原色数字成像设备固有的同色异谱问题，实现了物体表面光谱信息的真实记录。该技术逐步在博物馆、美术馆和计算机图形学得到应用[2]，为文化遗产真实的数字化典藏、艺术品的高保真复制提供基础[3]。当前在颜色科学领域，光谱成像设备主要分为由窄带滤光片组成的窄带光谱成像系统[4]和由宽带滤光片配合三通道或单色CCD数码相机组成的宽带成像系统[5]。宽带成像系统通过光谱重建算法计算得到物体表面的光谱反射率，并且只需要对具有高分辨率的数码相机进行简单的改造，即可获取具有高分辨率和高空间分辨率的光谱图像，较好地克服了窄带光谱成像系统的低空间分辨率的缺点，光谱图像获取周期短，所以得到了广泛应用[6]。 　　美国孟塞尔颜色科学实验室Berns等对Sinar54型号数码相机进行改造，配合从肖特（scott）滤光片中所选取出的两个宽带滤光片schottBG39和schottGG475组成6通道宽带光谱相机，重建出D50光源下油画的光谱反射率。所选的滤光片只是为了得到与改造后的数码相机有近似的光谱灵敏度，并未形成一个使用滤光片的选择方法[7]。Day在Berns等的指导下也进行了相应的滤光片选择实验，结合伪逆法与相机数学模型成功地选择出在光谱上达到最佳精度的滤光片柯达雷登55（Kodak Wratten 55）和unfiltered （NF）。在色度上达到较高精度的是柯达雷登60（Kodak Wratten 60）和unfiltered （NF），但只是对不同型号滤光片组合的性能进行了简单分析，且选取出的滤光片在短波段重建效果较差，因为实验中采用的光源主要分布在长波段[8]。由此可见，不同光源下对于滤光片的选择也是决定光谱成像系统能否精确获取数据的重要因素之一。 　　国内武汉大学参考美国孟塞尔颜色科学实验室的研究成果，建立了一套完整的宽带光谱成像系统，并在文物保护领域得到了有效应用[9-10]。而对于宽带光谱图像滤光片的选择研究工作，目前还尚未深入。本文针对展览馆或美术馆进行艺术品高保真复制时用到的模拟日光D65和偏红A光源这两种典型的光照环境，基于普通的商用数码相机与普通的吸收宽带滤光片搭建出多光谱成像平台，对不同光源下滤光片的选择进行研究。 　　3 实验样本的获取和数据处理 　　3.1 实验环境 　　搭建的宽带多光谱成像系统平台如图1所示。实验是在Image Quality Labs提供的反射测试光源下进行。左右两边照明光束的光轴方向与样品法线成45°，相机拍摄方向的法线和样品法线之间的夹角尽量重合，误差不超过2°，以确保待测样品在不同空间位置所受到的光辐射量是均匀的。 　　实验中采用国际照明委员会（CIE）针对颜色的测量和计算推荐的标准光源A和标准光源D65，这两种常见的光源的相对光谱功率分布用PR-715辐射分光光度计测得，如图2所示。 　　3.2 实验仪器及样本的选取 　　3.2.1实验仪器 　　为了检验光谱重建精度，需要预先测量训练样本和测试样本的光谱反射率。本实验使用X-RiteSP64分光光度计来测量实验样本的光谱反射率，测量范围为400～700 nm，采样间隔为10 nm，排除镜面反射。采用佳能EOS400D配合不同颜色的宽带滤光片来采集实验样本的颜色信息。通过反复实验找到最佳拍摄方法。采用光学变焦镜头，焦距为38 mm，光圈值为1/2.8，ISO设置为400，曝光时间为1/160 s，聚焦设置为手动模式，且拍摄过程中相机保持静止不动。拍摄完后，通过在MATLAB平台上编程提取实验样本的RGB值。 　　3.2.2滤光片及实验样本 　　滤光片的选择决定了多光谱成像系统获取数据的精度，实验采用高透光率的卓美P系列方