[发明专利]一种基于数码相机的多光谱图像获取方法

摘要

本发明公开了一种基于数码相机的多光谱图像获取方法。首先搭建具有良好照明均匀性及稳定性的照明拍摄环境，并对数码相机焦距、白平衡、光圈、快门速度、ISO值等参数进行手动设置。在此基础上获取训练样本色卡及目标样本的数字化图像。然后采用基于局部训练样本的多项式模型实现RGB值到XYZLMS值的预测，最后采用伪逆法实现XYZLMS值到光谱值的预测，最终实现基于数码相机的多光谱图像获取。本发明可以广泛应用于文物古迹、文化艺术品、历史文档等的数字化典藏，机器视觉、远程医疗、光谱颜色管理、动植物病虫害检测等应用中多光谱图像的获取。

主权项

一种基于数码相机的多光谱图像获取方法，其特征在于，具体步骤如下： 步骤一：在具体应用环境中搭建一个照明均匀及稳定的照明拍摄环境； 步骤二：手动调节数码相机焦距、白平衡、光圈、快门速度、ISO值，使得拍摄目标能够清晰成像，拍摄图像无偏色，拍摄过程及结果具有良好的重复性； 步骤三：制作用于获取模型参数的训练样本色卡，训练样本色卡介质应与待测量目标样本介质相同，训练样本色卡中的色块颜色分布范围能够包含测量目标颜色样本的颜色，训练样本色卡中色块颜色均匀分布在颜色空间中； 步骤四：根据期望优先在目标照明体或光源下准确获取目标样本的多光谱图像，挑选两个照明体或光源； 步骤五：测量训练样本色卡中各个色块的光谱反射比，并按照式(1)‑(4)计算在两个选定的照明体或光源下各个色块的XYZLMS值； 式中，I₁(λ)和I₂(λ)分别表示所选取的两个照明体或光源的光谱辐射强度分布，r(λ)表示色块的光谱反射比，λ_min和λ_max分别表示选取波段的最小和最大波长， k₁和k₂分别表示在两个照明体或光源下对应的归一化系数，和表示CIE1931XYZ或CIE1964XYZ标准色度观察者，可以根据实际应用需求选取，l(λ)、m(λ)和s(λ)表示基于CIE1931XYZ或CIE1964XYZ标准色度观察者定义的互补三刺激值，如表1所示，可以根据CIE1931XYZ或CIE1964XYZ标准色度观察者的选取情况在表1中选取相应的l(λ)、m(λ)和s(λ)互补光谱刺激值；步骤六：在搭建的照明拍摄环境中，对训练样本色卡拍照，读取训练样本色卡各个色块中心区域RGB的平均值，作为代表该色块的RGB值； 步骤七：在搭建的照明拍摄环境中，对目标样本拍照，并采用基于局部训练样本的11项多项式模型实现目标样本图像中各个像素RGB值到XYZLMS值的预测，具体如式(5)所示； t_i＝a₀+a₁r+a₂g+a₃b+a₄r²+a₅g²+a₆b²+a₇rg+a₈rb+a₉gb+a₁₀rgb,  (5)式中t_i(i＝X,Y,Z,L,M,S)表示XYZLMS刺激值，r,g和b表示归一化RGB值，a_s(s＝0,1…10)表示多项式模型系数；多项式模型系数通过在RGB颜色空间中距离目标RGB值最近的m个局部训练样本确定；m个局部训练样本对应的多项式模型用矩阵形式表示为 A＝MC  (6) 式中A为m*6矩阵，表示m个局部训练样本对应的XYZLMS刺激值，M为m*11矩阵，表示多项式的项，C为11*6矩阵，表示多项式模型系数；经过矩阵变换，对应该目标样本的多项式模型系数的最小二乘解为 C＝(M^TM)^‑1M^TA  (7) 式中“T”表示矩阵转置，“‑1”表示矩阵的逆； 步骤八：采用伪逆法实现目标样本对应的XYZLMS预测值到光谱反射比的预测，具体方法如式(8)所示； r＝Wt,  (8) 式中r表示预测的光谱反射比，t表示步骤七中预测的目标样本XYZLMS值，W为转换矩阵，可以通过式(9)确定； W＝N_t×PINV(T_t),  (9) 式中N_t和T_t分别表示局部训练样本对应的光谱反射比和XYZLMS刺激值，PINV()表示Moore‑Penrose伪逆； 通过以上步骤即可实现经数码相机获取的RGB图像任一像素对应的光谱反射比值，即可利用数码相机获取多光谱图像。 表1基于CIE1931XYZ和CIE1964XYZ标准色度观察者定义的两组lms互补光谱刺激值。