[发明专利]一种混合颜料信息解混的聚类优化方法

说明书

本发明公开了一种混合颜料信息解混的聚类优化方法，首先制作单一颜料色块和不同浓度比例的混合颜料色块；然后使用光谱反射率采集系统获取颜料色块反射光谱信息数据；利用模糊C均值聚类算法对单一颜料光谱信息进行光谱特征降维，将聚类结果作为解混矩阵初始值；代入快速独立成分分析算法的牛顿迭代公式计算出解混矩阵，完成混合颜料光谱信息的解混识别。该方法能够提高解混精度，满足混合颜料解混的要求。

技术领域

本发明属于数字图像处理领域，具体涉及一种混合颜料信息解混的聚类优化方法。

背景技术

古代壁画中存在不同颜料混合使用的情况，对颜料的正确检测识别是文物修复者进行壁画修复的重要前提，也是进行文物数字化虚拟修复的重要研究内容。近年来壁画颜料的研究大多是针对单一颜料的识别，对混合颜料的分析较少。使用反射光谱方法进行颜料的识别分析，不仅可以得到精确的色度信息，而且具有无损检测的优点，能够避免传统检测方法对壁画造成的二次破坏，已成为许多国内外研究学者进行光谱分析的重要研究技术手段。

针对古代壁画常用颜料中反射光谱曲线的分布特点，利用快速独立成分分析(FastICA)结合反射光谱是进行混合颜料光谱信息解混的有效模型。然而，FastICA算法选择解混矩阵初始值敏感容易导致解混结果收敛不稳定。因此，需要研发新的算法，以提高解混结果的稳定性和解混精度。

发明内容

针对上述现有技术存在的缺陷或不足，本发明的目的在于，提供一种混合颜料信息解混的聚类优化方法，该方法利用模糊C均值聚类对单一颜料光谱信息进行光谱特征降维，选择最具代表性的聚类结果作为解混矩阵初始值，然后通过FastICA牛顿迭代公式计算聚类优化后的解混矩阵，最后代入解混公式得出混合颜料的解混光谱信息。

为了实现上述任务，本发明采取如下的技术解决方案：

一种混合颜料信息解混的聚类优化方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一，制作单一颜料色块和不同浓度比例的混合颜料色块；

步骤二，使用光谱反射率采集系统获取矿物颜料色块反射光谱信息数据；

步骤三，利用模糊C均值聚类算法对单一颜料色块光谱信息进行光谱特征降维，将聚类结果作为解混矩阵初始值；代入快速独立成分分析算法的牛顿迭代公式计算出解混矩阵，完成混合颜料光谱信息的解混识别。

根据本发明，步骤一中所述的矿物颜料块的制作过程为：在木板上涂抹石灰泥模拟制作古代壁画的地仗层，放在通风处阴干；将明胶倒入4倍清水浸泡至膨胀，搅拌使完全融合成胶液；给颜料按比例加入胶液和清水，制作单一颜料色块和不同比例的混合颜料色块。

进一步地，步骤二所述的光谱反射率采集系统选择海洋光学公司的QE6500科研级光纤光谱仪。

优选地，步骤三所述的利用模糊C均值聚类算法是，对采集的单一颜料光谱信息进行聚类，完成光谱特征降维，将聚类后的结果作为分离矩阵的初始值；再代入快速独立成分分析的牛顿迭代公式计算出分离矩阵，得到解混的光谱曲线，将解混后的光谱信息与对应的单一颜料光谱信息进行对比。

所述混合颜料光谱信息的解混识别过程如下：

a)基于反射光谱法的混合颜料光谱信息解混算法，首先根据库贝尔卡和芒克推导的介质光谱反射率与介质吸收和散射之间的简化公式将反射率表示成吸收散射比：

式中，K/S为吸收散射比，R为光谱反射率；

b)将混合颜料光谱信息表示为几个单一颜料光谱信息的线性组合，则混合颜料的吸收散射比可以看作各个单一颜料吸收散射比的线性组合：