一種平面式文物光譜圖像獲取方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于文物數(shù)字化保護(hù)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種文物光譜圖像獲取方法，具體涉 及一種平面式文物光譜圖像獲取方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 文物數(shù)字化保護(hù)技術(shù)是當(dāng)今國(guó)內(nèi)外文物保護(hù)研宄機(jī)構(gòu)關(guān)注的主流方向之一。光譜 圖像獲取技術(shù)作為數(shù)字影像與顏色科學(xué)領(lǐng)域的新興技術(shù)，受到了國(guó)內(nèi)外諸多科研機(jī)構(gòu)的青 睞，光譜圖像技術(shù)能夠獲得表征物體表面顏色的屬性的客觀真實(shí)信息，即物體表面可見(jiàn)光 光譜，從而對(duì)物體表面顏色表征信息進(jìn)行真實(shí)的記錄和表達(dá)，為物體顏色真實(shí)、客觀、準(zhǔn)確 傳遞提供保障。
[0003]當(dāng)前獲得物體表面光譜圖像的方式主要有以下三種：第一類是窄帶光譜圖像獲取 系統(tǒng)，利用如液晶可調(diào)諧濾光片（LCTF)或者濾光片輪與單色CCD數(shù)碼相機(jī)組裝而成，此種 方法可以獲得光譜分辨率圖像，但其濾光片透光率低（< 50% )，信息損失嚴(yán)重、獲取周期 長(zhǎng)，且對(duì)環(huán)境溫濕度、光源穩(wěn)定性要求較高；第二類為光譜相機(jī)，此種設(shè)備通過(guò)光柵或棱鏡 或多類型內(nèi)置濾光片與儀器后端光譜記錄與處理部件組合，通過(guò)線陣式掃描方法采集物體 表面光譜圖像，該方法雖然也能獲得較高光譜分辨率的圖像，但是其空間分辨率較低，且掃 描速度的設(shè)置不當(dāng)會(huì)引起獲得的光譜圖像發(fā)生壓縮或拉伸等物理畸變問(wèn)題；第三類為寬帶 光譜圖像獲取系統(tǒng)，采用寬帶濾光片配合三通道高分辨率RGB數(shù)碼相機(jī)，獲得物體表面多 通道數(shù)字響應(yīng)信息，然后通過(guò)光譜重建技術(shù)計(jì)算得到物體表面的光譜反射率信息，研宄已 經(jīng)證明采用兩個(gè)合適的寬帶濾光片配合高分辨率RGB相機(jī)就能滿足光譜重建要求，該方法 具有空間分辨率高、光譜重建精度高以及獲取周期短等優(yōu)點(diǎn)，具有較好的應(yīng)用前景。
[0004] 文物不可再生，也不能永生，文物的保護(hù)是一項(xiàng)永不落幕的工程。我國(guó)歷經(jīng)幾千年 的歷史文明，已經(jīng)積累大量的歷史文物，如壁畫、書法、古畫藝術(shù)品等，這些文物不僅從內(nèi)容 上映射了歷史各個(gè)朝代的政治經(jīng)濟(jì)文化的發(fā)展歷程，從形式上也折射出各個(gè)時(shí)期藝術(shù)創(chuàng)作 風(fēng)格的迥異。然而這些承載著珍貴歷史信息的寶貴載體卻無(wú)時(shí)無(wú)刻不在遭受著自然和人為 因素的損害，出現(xiàn)各種各樣的損傷和病害，其原有的藝術(shù)風(fēng)格和表現(xiàn)內(nèi)容遭到破壞，可以顯 現(xiàn)的藝術(shù)和歷史價(jià)值正不斷的消減，傳統(tǒng)的文物保護(hù)專家根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采取不同形式的物理和 化學(xué)保護(hù)方法對(duì)文物進(jìn)行保護(hù)，以期盡量挽留這些富麗堂皇的珍貴歷史文物，而事實(shí)證明， 這些方法雖然發(fā)揮了一定的積極作用，但受技術(shù)水平限制，具有不可逆性，存在著"破壞性" 保護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)，近些年國(guó)內(nèi)外文物破壞性修復(fù)的案例常有出現(xiàn)，給文物保護(hù)工作敲響了警鐘。
[0005] 目前隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，文物保護(hù)專家逐漸意識(shí)到人為干預(yù)式的保護(hù)方法 只能減緩文物病害損耗的進(jìn)程，卻不可能阻止文物逐漸消亡的腳步，而采用科學(xué)的數(shù)字化 保護(hù)方式可以克服先前方法的不足，利用多種多樣參數(shù)數(shù)據(jù)和高保真數(shù)字影像將當(dāng)前的歷 史文物永遠(yuǎn)的定格和保存，因此，歷史文物的數(shù)字化保護(hù)理論和方法已成為全世界各個(gè)國(guó) 家進(jìn)行歷史文物保護(hù)的研宄熱潮。當(dāng)前我國(guó)文保機(jī)構(gòu)進(jìn)行文物數(shù)字化保護(hù)的手段通常是使 用商業(yè)RGB數(shù)碼相機(jī)記錄文物色彩形貌信息，而這種記錄文物顏色信息的方式是在特定設(shè) 備和特定照明環(huán)境下進(jìn)行的，獲得的文物顏色數(shù)據(jù)包含了設(shè)備和環(huán)境光照信息，存在同色 異譜問(wèn)題，記錄的顏色信息不準(zhǔn)確，導(dǎo)致文物的顏色信息在傳遞過(guò)程中產(chǎn)生不同程度的失 真。針對(duì)上述問(wèn)題，當(dāng)前國(guó)內(nèi)文物保護(hù)機(jī)構(gòu)或博物館皆尚未提出采用寬帶光譜圖像獲取的 方式對(duì)平面式的文物進(jìn)行數(shù)字化采集保護(hù)的方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，提出一種平面式文物光譜圖像獲取方 法。
[0007] 本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種平面式文物光譜圖像獲取方法，其特征在于，包 括以下步驟：
[0008] 步驟1 :搭建六通道寬帶光譜成像系統(tǒng)，六通道寬帶光譜成像系統(tǒng)由高分辨率RGB 數(shù)碼相機(jī)與兩片寬帶濾光片組成，其中要求數(shù)碼相機(jī)存儲(chǔ)圖像的位深B多12bit，需對(duì)數(shù)碼 相機(jī)鏡頭進(jìn)行結(jié)構(gòu)改造，在鏡頭前方加裝濾光片卡槽，方便濾光片的取放；
[0009] 步驟2 :對(duì)六通道寬帶光譜成像系統(tǒng)的暗電流水平進(jìn)行標(biāo)定，獲得成像系統(tǒng)的暗 電流噪聲DdaA;對(duì)六通道寬帶光譜成像系統(tǒng)各通道的光電響應(yīng)特性進(jìn)行標(biāo)定，建立數(shù)碼相 機(jī)光通量與數(shù)字響應(yīng)值之間的光電響應(yīng)特性關(guān)系；
[0010] 步驟3 :針對(duì)需要進(jìn)行光譜圖像采集的平面式文物，選定需要獲取光譜圖像的區(qū) 域A，在區(qū)域A內(nèi)選定M個(gè)顏色測(cè)量點(diǎn)，要求M個(gè)測(cè)量點(diǎn)能代表文物畫面中所有顏色，且 20彡M彡30 ;
[0011] 步驟4 :利用六通道寬帶光譜成像系統(tǒng)對(duì)區(qū)域A內(nèi)的光照不均勻性進(jìn)行標(biāo)定，采用 均勻灰板以近距離平行不接觸方式遮擋住區(qū)域A，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝記錄均勻灰板數(shù)字響 應(yīng)值矩陣D gray，完成對(duì)區(qū)域A光照不均勻性的標(biāo)定，標(biāo)定過(guò)程做暗電流噪聲去除處理；
[0012] 步驟5:利用六通道寬帶光譜成像系統(tǒng)對(duì)區(qū)域A進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，得到區(qū)域A的六通 道數(shù)字響應(yīng)值D(A);
[0013] 步驟6 :利用步驟2中獲得的成像系統(tǒng)的暗電流噪聲DdaA，對(duì)步驟5中得到的區(qū)域 A的六通道數(shù)字響應(yīng)值D(A)進(jìn)行暗電流噪聲校正，即用D(A)的兩幅三通道數(shù)字圖像分別直 接減去暗電流噪聲D daA三通道數(shù)字圖像；
[0014] 步驟7 :對(duì)暗電流噪聲校正后的區(qū)域A的六通道數(shù)字響應(yīng)值D(A)進(jìn)行線性化校 正；
[0015] 步驟8 :利用步驟4中對(duì)區(qū)域A光照不均勻性的標(biāo)定結(jié)果，對(duì)暗電流噪聲校正后的 區(qū)域A的六通道數(shù)字響應(yīng)值D(A)進(jìn)行光照不均勻性校正；
[0016] 步驟9 :針對(duì)步驟3中在區(qū)域A內(nèi)選定的M個(gè)顏色測(cè)量點(diǎn)，提取區(qū)域A內(nèi)M個(gè)顏 色測(cè)量點(diǎn)的六通道數(shù)字響應(yīng)值D (M)，利用非接觸式光譜測(cè)量系統(tǒng)對(duì)M個(gè)測(cè)量點(diǎn)進(jìn)行光譜測(cè) 量，獲得M個(gè)測(cè)量點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)集P(M);
[0017] 步驟10 :針對(duì)步驟9中獲得M個(gè)測(cè)量點(diǎn)的六通道數(shù)字響應(yīng)值D(M)和光譜數(shù)據(jù) 集P (M)，采用偽逆或主成分分析光譜重建方法計(jì)算六通道數(shù)字響應(yīng)值D (M)與光譜數(shù)據(jù)集 P (M)轉(zhuǎn)換矩陣Q ;求出轉(zhuǎn)換矩陣Q之后，進(jìn)行光譜反射率的重建；
[0018] 步驟11 :結(jié)合光譜反射率值非負(fù)（>0)強(qiáng)制約束策略，利用轉(zhuǎn)換矩陣Q對(duì)六通道數(shù) 字響應(yīng)值D (A)進(jìn)行光譜重建，獲得區(qū)域A的光譜圖像P (A)，完成平面式文物區(qū)域A光譜圖 像的獲取工作。
[0019] 作為優(yōu)選，步驟2的具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程是：暗電流水平標(biāo)定在光譜圖像獲取環(huán)境下打 開(kāi)光源的條件下進(jìn)行，通過(guò)蓋上數(shù)碼相機(jī)鏡頭蓋拍攝，獲得成像系統(tǒng)的暗電流噪聲仏^:各 通道光電響應(yīng)特性通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)白板、光譜輻射度計(jì)配合進(jìn)行，利用數(shù)碼相機(jī)拍攝獲得白板在 從小到大連續(xù)變化曝光時(shí)間下的數(shù)字響應(yīng)值，然后利用光譜輻射度計(jì)測(cè)量在對(duì)應(yīng)時(shí)間下的 光通量，建立數(shù)碼相機(jī)光通量與數(shù)字響應(yīng)值之間的光電響應(yīng)特性關(guān)系，標(biāo)定過(guò)程做暗電流 噪聲去除處理。
[0020] 作為優(yōu)選，步驟7的具體實(shí)現(xiàn)包括以下子步驟：
[0021] 步驟7. 1 :利用步驟2中標(biāo)定的數(shù)碼相機(jī)光通量與數(shù)字響應(yīng)值之間的光電響應(yīng)特 性關(guān)系，建立數(shù)碼相機(jī)在不同光通量條件下真實(shí)數(shù)字響應(yīng)值與理想線性響應(yīng)值之間的映 射關(guān)系，即建立數(shù)碼相機(jī)各通道數(shù)字響應(yīng)值的線性化校正查找表，分別記為R-LUT、G-LUT、 B-LUT ；
[0022] 步驟7. 2 :利用最小二乘擬合方法對(duì)R-LUT、G-LUT、B-LUT利用