基于多光谱成像系统的光谱反射率重建研究

【摘要】：21世纪是一个信息时代,颜色信息的传递和真实再现与人们的日常生活密切相关。数字图像在人们日常生活中的应用越来越广泛,人们在享受数字图像设备带来巨大便利的同时也不同程度上受到彩色图像与原物不一致的困扰。基于光谱的颜色复制技术能有效避免同色异谱现象带来的各种困扰,但如何高效精确地获取物体表面的光谱反射率是实现基于光谱颜色复制的关键。分光光度计能直接测量物体的光谱反射率,但其对测量面积、平整度都有限制,且效率较低,光谱扫描仪效率较高但不能进行非接触式测量且测量面积有限,显然都不能满足国画、油画等艺术品基于光谱的颜色复制要求。多光谱相机能高效获取到物体表面的光谱反射率,但目前的多光谱相机均在不同程度上存在结构复杂、价格昂贵,效率低等问题限制了其在实际中应用。数码相机作为一种主要的图像获取工具,在人们的日常生活中得到了广泛应用,但普通的商用数码相机只有三通道,只能采集特定照明条件下的颜色信息,也不能满足高精度颜色复制的需要。因此,如何高效地获取物体表面的光谱反射率成为颜色科学研究领域的热点。当前颜色科技工作者在重建物体表面光谱反射率时最常用的有主成分分析法和R矩阵法,主成分分析法是一种数学意义上的统计方法,R矩阵法是把光谱分为同色异谱黑和基本刺激光谱。本文首先对主成分分析法与R矩阵法进行了理论推导,然后设计实验对推导的结果进行了验证,实验结果证明利用R矩阵法重建的光谱反射率在光谱精度和色度精度上均优于主成分分析法。在对主成分分析法与R矩阵法深入研究的基础上,本文提出了一种新的光谱重建算法——基于R矩阵法与主成分分析法以及多项式模型相结合的光谱重建法(PPR),并且设计实验验证了算法的可行性和可靠性。实验结果表明利用本文所提新方法重建的光谱反射率在光谱精度和色度精度上均优于主成分分析法,与R矩阵法相比,光谱精度提高,但色度精度相差不大。最后,以色卡、油画、国画作为测试样本,利用本文所设计的多光谱成像系统结合本文所提出的光谱反射率重建算法(PPR)重建出测试样本的光谱反射率,然后运用色度学和计算机图形图像学知识实现了测试样本表面颜色的真实再现,并对测试样本的颜色再现质量做了主观评价。初步的实验结果表明所提出的光谱重建算法(PPR)具有较高的应用价值和现实意义,在颜色复制、颜色质量评估和文化遗产的数字化再现等领域拥有广阔的应用前景。