本發(fā)明屬于光譜成像技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于彩色數(shù)碼相機(jī)單幅RGB圖像的光譜重建方法。

背景技術(shù)：

由于光譜成像技術(shù)在光譜與色度方面具有較高成像質(zhì)量的能力，且具有圖譜合一的功能，因此在遙感、彩色成像、生物醫(yī)療、文化遺產(chǎn)和藝術(shù)品研究等領(lǐng)域發(fā)展迅速。為了滿足以上不同領(lǐng)域的具體應(yīng)用，產(chǎn)生了各種類型的光譜成像系統(tǒng)，如相機(jī)+線陣掃描光譜儀、相機(jī)+濾光片輪、相機(jī)+帶通濾光片(寬帶或窄帶)、相機(jī)+多光譜光源、單色相機(jī)+聲光或液晶可調(diào)諧濾光片等，在顏色科學(xué)領(lǐng)域常被分為窄帶和寬帶兩大類。對(duì)于上述基于光學(xué)帶通濾光片的光譜成像系統(tǒng)而言，由于從低維度的數(shù)字響應(yīng)信號(hào)重建高維度光譜反射率信息是一個(gè)病態(tài)的數(shù)學(xué)求解過(guò)程，因此光譜重建方法是上述光譜成像系統(tǒng)的關(guān)鍵所在。此外，由于光譜成像系統(tǒng)自身的復(fù)雜性以及不同型號(hào)濾光片本身厚度、折射率和非理想共面等因素存在，導(dǎo)致不同濾光片對(duì)應(yīng)的數(shù)字圖像之間存在幾何扭曲，降低了光譜成像的精度。

分析當(dāng)前基于光學(xué)帶通濾光片的光譜成像系統(tǒng)的工作原理可知，相對(duì)于彩色數(shù)碼相機(jī)，其主要優(yōu)勢(shì)是通過(guò)配合濾光片來(lái)增加數(shù)字圖像采集的通道數(shù)，為光譜重建提供更高維度的輸入信息，從而提高光譜重建的精度。受此啟發(fā)，諸多學(xué)者開(kāi)展利用彩色數(shù)碼相機(jī)響應(yīng)值擴(kuò)展的方法實(shí)現(xiàn)物體表面光譜反射率重建的相關(guān)研究。雖然現(xiàn)有研究實(shí)現(xiàn)了基于彩色數(shù)碼相機(jī)的光譜重建，獲得了較好的光譜重建精度。但現(xiàn)有研究大多采用標(biāo)準(zhǔn)形式的多項(xiàng)式擴(kuò)展模型，忽略了相機(jī)響應(yīng)值擴(kuò)展項(xiàng)數(shù)對(duì)光譜重建精度的影響。此外，當(dāng)前方法多以整個(gè)訓(xùn)練樣本集去重建所有的測(cè)試樣本，所有的訓(xùn)練樣本的權(quán)重相同，忽略了訓(xùn)練樣本的數(shù)量以及其與測(cè)試樣本之間的相關(guān)性對(duì)光譜重建精度的影響，制約了整體的光譜重建精度。

對(duì)于以上問(wèn)題，目前學(xué)術(shù)界及工業(yè)界中均尚未提出合理有效的解決方法。本發(fā)明提出了一種基于響應(yīng)值擴(kuò)展和局部反距離加權(quán)的單幅RGB光譜重建方法，通過(guò)偽逆方法求解光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣，實(shí)現(xiàn)了光譜圖像的獲取，有效提高了光譜重建精度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是為了解決背景技術(shù)中所述問(wèn)題，提出一種基于彩色數(shù)碼相機(jī)單幅RGB圖像的光譜重建方法。

本發(fā)明的技術(shù)方案為一種基于彩色數(shù)碼相機(jī)單幅RGB圖像的光譜重建方法，具體包括以下步驟：

步驟1，測(cè)量獲得訓(xùn)練樣本集的光譜反射率數(shù)據(jù)；

步驟2，搭建均勻的拍攝照明環(huán)境；

步驟3，設(shè)定彩色數(shù)碼相機(jī)的各項(xiàng)拍攝參數(shù)，在相同拍攝條件下，拍攝獲取訓(xùn)練樣本集和重建對(duì)象的RGB圖像，同時(shí)拍攝獲取相機(jī)暗電流噪聲和標(biāo)準(zhǔn)灰板的RGB圖像；

步驟4，對(duì)訓(xùn)練樣本集和重建對(duì)象的RGB圖像進(jìn)行暗電流噪聲校正和光照不均勻性校正；

步驟5，提取訓(xùn)練樣本集的RGB響應(yīng)值和重建對(duì)象各像素的RGB響應(yīng)值；

步驟6，針對(duì)重建對(duì)象任一像素，計(jì)算其與所有訓(xùn)練樣本之間RGB響應(yīng)值的歐式距離，計(jì)算公式如式一所示：

其中，下標(biāo)j表示訓(xùn)練樣本集中第j個(gè)訓(xùn)練樣本，下標(biāo)test表示重建的一個(gè)像素點(diǎn)或一個(gè)樣本，e_j表示重建樣本與第j個(gè)訓(xùn)練樣本之間的歐幾里得距離，N表示訓(xùn)練樣本數(shù)量，r、g和b分別表示一個(gè)像素點(diǎn)或一個(gè)樣本的R通道、G通道和B通道的響應(yīng)值；

步驟7，將訓(xùn)練樣本集按照步驟6計(jì)算得到的歐氏距離值從小到大升序排列，提取前p個(gè)訓(xùn)練樣本，作為局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集；

步驟8，計(jì)算局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集中每個(gè)樣本的反距離加權(quán)權(quán)重，得到反距離加權(quán)矩陣，反距離加權(quán)權(quán)重計(jì)算方式如式二所示，

其中，下標(biāo)k表示局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集中第k個(gè)訓(xùn)練樣本，e_k表示重建樣本與第k個(gè)訓(xùn)練樣本之間的歐幾里得距離，σ是為了避免式二中出現(xiàn)分母為零而加入的一個(gè)極小數(shù)值，對(duì)于任意一個(gè)重建樣本，其對(duì)應(yīng)局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的反距離加權(quán)權(quán)重矩陣如式三所示，

其中，p表示步驟7中提取的前p個(gè)訓(xùn)練樣本；

步驟9，對(duì)局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集和重建像素的響應(yīng)值進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展項(xiàng)數(shù)為s，響應(yīng)值擴(kuò)展形式如式四所示，

其中，d_expanded表示一個(gè)像素點(diǎn)或一個(gè)樣本的相機(jī)響應(yīng)值的擴(kuò)展響應(yīng)向量，r、g和b表示一個(gè)像素點(diǎn)或一個(gè)樣本的R通道、G通道和B通道的響應(yīng)值；

步驟10，利用反距離加權(quán)矩陣對(duì)局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的響應(yīng)值擴(kuò)展矩陣和光譜反射率矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，如式六和式七所示：

R_wlocaltrain＝WR_localtrain 式六

D_wlocaltrain＝WD_localtrain 式七

其中，R_localtrain表示局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的光譜反射率矩陣，R_wlocaltrain表示反距離加權(quán)之后的局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的光譜反射率矩陣，D_localtrain表示局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的擴(kuò)展響應(yīng)矩陣，D_wlocaltrain表示反距離加權(quán)之后的局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的擴(kuò)展響應(yīng)矩陣，W為反距離加權(quán)權(quán)重矩陣；

步驟11，利用偽逆方法求解光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣，如式八所示，

Q＝R_wlocaltrainD_wlocaltrain⁺式八

其中，Q為光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣，上標(biāo)+表示偽逆運(yùn)算符號(hào)；

步驟12，利用光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣Q重建對(duì)應(yīng)像素的光譜反射率，如式九所示，

r_test＝Qd_test 式九

其中，r_test表示一個(gè)重建像素點(diǎn)或一個(gè)樣本的光譜反射率向量，d_test表示一個(gè)重建像素點(diǎn)或一個(gè)樣本的響應(yīng)值擴(kuò)展響應(yīng)向量；

步驟13，完成重建對(duì)象所有像素的光譜反射率重建，獲得重建對(duì)象的光譜圖像。

而且，所述步驟2中彩色數(shù)碼相機(jī)的各項(xiàng)拍攝參數(shù)包括曝光時(shí)間、光圈大小、感光度ISO。

而且，所述步驟4中對(duì)訓(xùn)練樣本集和重建對(duì)象的RGB圖像進(jìn)行暗電流噪聲校正和光照不均勻性校正的具體實(shí)施方式為，從拍攝的訓(xùn)練樣本、重建對(duì)象和標(biāo)準(zhǔn)灰板圖像信號(hào)中減去暗電流噪聲信號(hào)，完成暗電流噪聲校正，然后利用訓(xùn)練樣本和重建對(duì)象圖像每個(gè)通道的每個(gè)像素響應(yīng)值，分別除以標(biāo)準(zhǔn)灰板對(duì)應(yīng)每個(gè)通道的響應(yīng)均值，完成光照不均勻性校正。

而且，所述步驟7中局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本數(shù)量p的取值，由訓(xùn)練樣本集的樣本數(shù)量N確定，當(dāng)訓(xùn)練樣本集的樣本數(shù)量N大于等于100時(shí)，p值取100，當(dāng)訓(xùn)練樣本集的樣本數(shù)量N小于100時(shí)，p取值為N。

而且，所述步驟8中極小值σ的取值為0.001。

而且，所述步驟1中礦物顏料樣本集的光譜反射率數(shù)據(jù)由分光光度計(jì)測(cè)量獲得。

本發(fā)明從光譜重建過(guò)程自適應(yīng)優(yōu)化處理角度出發(fā)，提出通過(guò)將相機(jī)響應(yīng)值擴(kuò)展與光譜重建局部樣本反距離加權(quán)最優(yōu)化相結(jié)合的方式，提高基于彩色數(shù)碼相機(jī)的光譜重建精度。本發(fā)明相對(duì)于本研究方向的現(xiàn)有研究成果而言：1)有效地克服了首先將數(shù)碼相機(jī)響應(yīng)值映射到一個(gè)中間空間，然后再映射到光譜反射率信息的兩步方法的繁瑣性，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)信號(hào)到光譜反射率的直接映射。2)彌補(bǔ)了現(xiàn)有研究方法使用整體訓(xùn)練樣本集等權(quán)重計(jì)算光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣的缺點(diǎn)，構(gòu)建了自適應(yīng)優(yōu)化光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣計(jì)算方法，有效提高了重建樣本集的整體光譜重建精度。由于本發(fā)明技術(shù)方案具有重要應(yīng)用意義，受到多個(gè)項(xiàng)目支持：1.國(guó)家自然基金項(xiàng)目61275172，2.國(guó)家自然基金項(xiàng)目61575147，3.國(guó)家973基礎(chǔ)研究子項(xiàng)目2012CB725302。對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案進(jìn)行保護(hù)，將對(duì)我國(guó)相關(guān)行業(yè)競(jìng)爭(zhēng)國(guó)際領(lǐng)先地位具有重要意義。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的流程圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明技術(shù)方案具體實(shí)施時(shí)可由本領(lǐng)域技術(shù)人員采用計(jì)算機(jī)軟件技術(shù)運(yùn)行。結(jié)合附圖，提供本發(fā)明實(shí)施例具體描述如下。

如圖1所示,本發(fā)明實(shí)施例提供了一種基于彩色數(shù)碼相機(jī)單幅RGB圖像的光譜重建方法，可以有效地克服當(dāng)前方法的不足，提高重建樣本集的整體光譜重建精度，用于顏色科學(xué)、文物保護(hù)、病害檢測(cè)等諸多領(lǐng)域的光譜圖像獲取。本發(fā)明實(shí)施例采用佳能彩色數(shù)碼相機(jī)600D、由784個(gè)礦物顏料色塊組成的樣本集、愛(ài)色麗Eye-one Pro分光光度計(jì)、平面日光燈光源等設(shè)備，在標(biāo)準(zhǔn)暗室內(nèi)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)，對(duì)本發(fā)明方法進(jìn)行說(shuō)明，其中樣本集中奇數(shù)樣本為實(shí)施例的訓(xùn)練樣本集，偶數(shù)樣本為本實(shí)施例的重建樣本。需要說(shuō)明的是，本發(fā)明并不僅僅局限于上述設(shè)備和樣本的應(yīng)用支持，對(duì)于任意能實(shí)現(xiàn)上述設(shè)備功能的同等性質(zhì)的設(shè)備同樣適用。

實(shí)施例主要包括以下步驟：

1)測(cè)量獲得礦物顏料樣本集的光譜反射率數(shù)據(jù)。

利用愛(ài)色麗Eye-one Pro分光光度計(jì)測(cè)量784個(gè)礦物顏料樣本的光譜反射率數(shù)據(jù)，該設(shè)備采用0/45測(cè)量條件，在測(cè)量中通過(guò)三次測(cè)量求平均的方法減小隨機(jī)噪聲引起的測(cè)量誤差；同時(shí)，為去除在光譜曲線兩端由系統(tǒng)誤差造成的噪聲，以10nm為采樣間隔，截取400-700nm范圍內(nèi)光譜反射率用于后續(xù)計(jì)算。

2)搭建均勻的拍攝照明環(huán)境。

在標(biāo)準(zhǔn)暗室內(nèi)，利用平面日光燈光源，以45°角照明方向均勻照明拍攝區(qū)域，將佳能數(shù)碼600D固定于三腳架，相機(jī)光路垂直于拍攝平面，關(guān)閉標(biāo)準(zhǔn)暗室其它光源，完成拍攝環(huán)境的搭建。

3)設(shè)定好彩色數(shù)碼相機(jī)的各項(xiàng)拍攝參數(shù)，在相同拍攝條件下，拍攝獲取礦物顏料樣本集的RGB圖像，同時(shí)拍攝獲取相機(jī)暗電流噪聲和標(biāo)準(zhǔn)灰板的RGB圖像。

根據(jù)搭建的拍攝場(chǎng)景，設(shè)定佳能600D彩色數(shù)碼相機(jī)各項(xiàng)拍攝參數(shù)，分別是曝光時(shí)間為1/20s，光圈大小為f4，感光度ISO為100，采用自動(dòng)白平衡校正，攝獲取上述保護(hù)784個(gè)顏料色塊樣本集的RGB圖像，同時(shí)拍攝獲取相機(jī)暗電流噪聲和標(biāo)準(zhǔn)灰板的RGB圖像，通過(guò)蓋上相機(jī)鏡頭蓋方式，拍攝獲取暗電流噪聲RGB圖像。

4)對(duì)礦物顏料的RGB圖像進(jìn)行暗電流噪聲校正和光照不均勻性校正。

從拍攝的礦物顏料樣本集和標(biāo)準(zhǔn)灰板圖像信號(hào)中減去暗電流噪聲信號(hào)，完成暗電流噪聲校正，然后利用礦物顏料樣本集圖像的每個(gè)通道的每個(gè)像素響應(yīng)值，分別除以標(biāo)準(zhǔn)灰板對(duì)應(yīng)每個(gè)通道的響應(yīng)均值，完成光照不均勻性校正。

5)提取訓(xùn)練樣本集的RGB響應(yīng)值和重建對(duì)象各像素的RGB響應(yīng)值。

利用在MATLAB工具，將礦物顏料樣本集圖像轉(zhuǎn)換為雙精度數(shù)值類型，然后提取礦物顏料樣本集中每個(gè)樣本中心5×5像素區(qū)域的平均響應(yīng)值，作為該樣本的RGB響應(yīng)值，完成礦物顏料樣本集RGB響應(yīng)值的提取。

6)針對(duì)重建對(duì)象任一像素，計(jì)算其與所有訓(xùn)練樣本之間RGB響應(yīng)值的歐式距離。

以礦物顏料樣本集中的392個(gè)奇數(shù)樣本作為訓(xùn)練樣本，以392個(gè)偶數(shù)樣本作為重建樣本，針對(duì)每一個(gè)偶數(shù)重建樣本，通過(guò)式一計(jì)算其與訓(xùn)練樣本集中每個(gè)樣本響應(yīng)值的歐式距離：

其中，下標(biāo)j表示訓(xùn)練樣本集中第j個(gè)訓(xùn)練樣本，e_j表示重建樣本與第j個(gè)訓(xùn)練樣本之間的歐幾里得距離，N表示訓(xùn)練樣本數(shù)量，r、g和b分別表示一個(gè)像素點(diǎn)或一個(gè)樣本的R通道、G通道和B通道的響應(yīng)值，下標(biāo)test表示重建的一個(gè)像素點(diǎn)或一個(gè)樣本；本發(fā)明實(shí)施例中N＝392。

7)將訓(xùn)練樣本集按照步驟6計(jì)算得到的歐氏距離值從小到大升序排列，提取前p(1≤p≤N)個(gè)訓(xùn)練樣本，作為局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集。

其中的局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本數(shù)量p的取值，由訓(xùn)練樣本集的樣本數(shù)量N確定，當(dāng)訓(xùn)練樣本集的樣本數(shù)量N大于等于100時(shí)，p值取100，當(dāng)訓(xùn)練樣本集的樣本數(shù)量N小于100時(shí)，p取值為N。實(shí)施例中，對(duì)392個(gè)訓(xùn)練樣本，按照其與重建樣本的歐式距離值，從小到大進(jìn)行升序排列，取前100個(gè)訓(xùn)練樣本作為重建樣本的局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集，p＝100。

8)計(jì)算局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集中每個(gè)樣本的反距離加權(quán)權(quán)重，得到反距離加權(quán)矩陣。

本實(shí)施例中，針對(duì)392個(gè)重建樣本中的每一個(gè)樣本的局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集，按照式二分別計(jì)算局部最優(yōu)樣本集中每個(gè)樣本的反距離加權(quán)權(quán)重：

其中，下標(biāo)k表示局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集中第k個(gè)訓(xùn)練樣本，e_k表示重建樣本與第k個(gè)訓(xùn)練樣本之間的歐幾里得距離，σ是為了避免式二中出現(xiàn)分母為零而加入的一個(gè)極小數(shù)值，實(shí)施例中，σ＝0.001，對(duì)于任意一個(gè)重建樣本，其對(duì)應(yīng)局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的反距離加權(quán)權(quán)重矩陣如式三所示。

其中，p表示步驟7中提取的前p個(gè)訓(xùn)練樣本；

9)對(duì)局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集和重建像素的響應(yīng)值進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展項(xiàng)數(shù)為s。

實(shí)施例中，響應(yīng)值的具體擴(kuò)展方式以如式四所示的標(biāo)準(zhǔn)四階多項(xiàng)式模型為參考，對(duì)局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集和重建樣本的響應(yīng)值進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展項(xiàng)數(shù)為35項(xiàng)。

其中，d_expanded表示一個(gè)像素點(diǎn)或一個(gè)樣本的相機(jī)響應(yīng)值的擴(kuò)展響應(yīng)向量，r、g和b表示樣本的R通道、G通道和B通道的響應(yīng)值。但如果采用式式四中所有35個(gè)擴(kuò)展項(xiàng)進(jìn)行光譜重建，則可能導(dǎo)致數(shù)據(jù)過(guò)擬合問(wèn)題，因此在正式光譜重建之前，應(yīng)該首先確定最優(yōu)響應(yīng)擴(kuò)展項(xiàng)數(shù)s，本發(fā)明利用訓(xùn)練樣本集的奇數(shù)樣本重建偶數(shù)樣本方式，實(shí)施例中采用392個(gè)奇數(shù)樣本作為訓(xùn)練樣本，采用392個(gè)偶數(shù)樣本作為重建樣本，通過(guò)測(cè)試從4項(xiàng)到35項(xiàng)的方法確定最優(yōu)擴(kuò)展項(xiàng)數(shù)s，如式五所示，得到本實(shí)施例對(duì)應(yīng)的最優(yōu)擴(kuò)展項(xiàng)數(shù)為19。

10)利用反距離加權(quán)矩陣對(duì)局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的響應(yīng)值擴(kuò)展矩陣和光譜反射率矩陣進(jìn)行加權(quán)處理。

實(shí)施例中，針對(duì)每一個(gè)重建樣本，利用步驟8)中得到反距離加權(quán)權(quán)重矩陣，分別對(duì)局部最優(yōu)樣本集的反射率矩陣和響應(yīng)值擴(kuò)展矩陣進(jìn)行加權(quán)處理，如式六和式七所示：

R_wlocaltrain＝WR_localtrain 式六

D_wlocaltrain＝WD_localtrain 式七

其中，R_localtrain表示局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的光譜反射率矩陣，R_wlocaltrain表示反距離加權(quán)之后的局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的光譜反射率矩陣，D_localtrain表示局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的擴(kuò)展響應(yīng)矩陣，由式五計(jì)算得到，D_wlocaltrain表示反距離加權(quán)之后的局部最優(yōu)訓(xùn)練樣本集的擴(kuò)展響應(yīng)矩陣，W為反距離加權(quán)權(quán)重矩陣；

11)利用偽逆方法求解光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣。

實(shí)施例中，針對(duì)每一個(gè)重建樣本，利用偽逆方法求解光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣Q，如式八所示：

Q＝R_wlocaltrainD_wlocaltrain⁺ 式八

其中，Q為光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣，上標(biāo)+表示偽逆運(yùn)算符號(hào)。

12)利用光譜重建轉(zhuǎn)換矩陣Q重建對(duì)應(yīng)像素的光譜反射率。

實(shí)施例中，利用步驟11)中計(jì)算得到的光譜轉(zhuǎn)換矩陣Q，對(duì)每一個(gè)重建樣本進(jìn)行光譜重建，如式九所示：

r_test＝Qd_test 式九

其中，r_test表示一個(gè)重建樣本的光譜反射率向量，d_test表示一個(gè)重建像素點(diǎn)或一個(gè)重建樣本的響應(yīng)值擴(kuò)展響應(yīng)向量。

13)獲得392個(gè)重建樣本的光譜反射率數(shù)據(jù)。

本文中所描述的具體實(shí)施例僅僅是對(duì)本發(fā)明精神作舉例說(shuō)明。本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對(duì)所描述的具體實(shí)施例做各種各樣的修改或補(bǔ)充或采用類似的方式替代，但并不會(huì)偏離本發(fā)明的精神或者超越所附權(quán)利要求書所定義的范圍。