專利名稱：多光譜掃描系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及捕獲和處理歷史文物和其他物體的圖像，尤其涉及用于多光譜成像的系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
可達(dá)到3000年之久的歷史文獻(xiàn)，例如紙莎草紙文稿(papyri)，通常是脆弱的并且是已退色的。因此，這通常使襯底，例如紙莎草紙(papyrus)，和油墨之間的接觸減少到使油墨在襯底上幾乎不可見的水平。這種低水平接觸可以歸因于許多不同的因素，比如，磨擦或磨損掉油墨，或者是因?yàn)檎麄€(gè)文獻(xiàn)已經(jīng)變臟，例如由于污垢、淤泥、碳化、氧化、日光、熱量等
坐寸ο 因此，需要分析這些文獻(xiàn)以便顯露在這些文獻(xiàn)上的字跡的技術(shù)。與已退色的油墨和降解的襯底一樣，還存在其他難題。例如，襯底可以包括來自多個(gè)不同作者來自不同時(shí)期的字跡，該字跡可以以不同類型的油墨書寫。因此該技術(shù)還需要能夠在這些不同的油墨之間進(jìn)行辨別，以及增強(qiáng)油墨和襯底之間的接觸。目前，用于成像和分析這種文獻(xiàn)的技術(shù)為使用多光譜照相機(jī)對(duì)文物拍下多光譜圖像，以及用專用的軟件分析圖像。利用這種裝置，用光照明文物，然后通過高清晰度照相機(jī)，例如具有大數(shù)目像素的數(shù)碼照相機(jī)，捕獲圖像。典型地，用寬波段白光光源照明文物，并且在照相機(jī)鏡頭的前方放置可更換的波長濾波器以便給出需要的單色圖像。通過在不同的波長下捕獲相同文物的多個(gè)圖像，由于根據(jù)文物和阻擋裸眼察看的物體的特性典型地一些波長將比其他波長給出更清晰的圖像，所以提高了分析文物的能力。而且，在這些多重圖像中，每個(gè)相應(yīng)的像素的強(qiáng)度之間的關(guān)系可以用于多光譜圖像處理并且引出更清晰質(zhì)量的圖像。然而，發(fā)明人意識(shí)到現(xiàn)有技術(shù)具有缺陷。執(zhí)行該技術(shù)必要的光學(xué)設(shè)備通常是昂貴的并且該光學(xué)設(shè)備需要培訓(xùn)過的人員來啟動(dòng)和操作。為了操作裝置需要大量操作者的介入，例如以便聚焦照相機(jī)的鏡頭、布置甚至照明被成像的文物、以及改變波長濾波器。需要在特定的假設(shè)下包住裝置，例如暗室，因?yàn)檠b置較大并且需要在避免外部光和振動(dòng)的環(huán)境下工作。而且，即便是最仔細(xì)的操作，由于更換部件(例如濾波器)是必要的，拍攝連續(xù)的圖像之間，很難實(shí)現(xiàn)連續(xù)圖像的完美排布，這導(dǎo)致產(chǎn)生的多光譜圖像的質(zhì)量(其依靠在不同波長處拍攝的相應(yīng)像素之間的排布)降低。這轉(zhuǎn)而使多光譜圖像分析中的一些潛在益處無效。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明旨在提供用于將其實(shí)現(xiàn)的改進(jìn)技術(shù)和裝置。當(dāng)從第一方面來看時(shí)，本發(fā)明提供了捕獲和處理物體的多光譜圖像的方法，包括將所述物體放置在平臺(tái)式掃描儀上；使用所述平臺(tái)式掃描儀來利用一系列波長的單色光連續(xù)地照明物體，以便產(chǎn)生一起形成合成的多光譜圖像的多個(gè)圖像；確定所述多光譜圖像的至少一部分的光譜輪廓；以及將所述光譜輪廓與存儲(chǔ)的光譜輪廓相比較。本發(fā)明還延伸到用于捕獲和處理物體的多光譜圖像的裝置，包括平臺(tái)式掃描儀，所述平臺(tái)式掃描儀具有照明機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述照明機(jī)構(gòu)可配置為發(fā)射多個(gè)不同波長的單色射線，所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)被布置為檢測(cè)由所述物體反射的射線(radiation)的強(qiáng)度并且由此在所述多個(gè)波長的每個(gè)波長下產(chǎn)生所述物體的圖像；所述裝置進(jìn)一步包括被布置為由所述圖像形成合成的多光譜圖像的機(jī)構(gòu)和處理機(jī)構(gòu)，所述處理機(jī)構(gòu)被布置為確定所述多光譜圖像的至少一部分的光譜輪廓并且將所述光譜輪廓與存儲(chǔ)的光譜輪廓相比較。因此，本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意思到，本發(fā)明提供了產(chǎn)生和分析物體的多光譜圖像方法。平臺(tái)式掃描儀通常是緊湊的、低成本的并且容易在任何地點(diǎn)、環(huán)境中使用或者容易被任何人使用，即不必須是僅為那些高素質(zhì)人員。可以產(chǎn)生在多個(gè)不同波長下的多重掃描而不使物體在掃描之間移動(dòng)，因?yàn)橛蓡紊渚€源(monochromatic radiation source)改變了波長，該單色射線源并不必須要求任何人工介入或者波長的改變之間的部分的機(jī)械運(yùn)動(dòng)，以及因?yàn)槲矬w股東在掃描儀表面上。而且，單色射線源可以是遠(yuǎn)處的并且由此與掃描儀在機(jī)械上獨(dú)立，從而確保在改變單色射線源的波長時(shí)引起的任何振動(dòng)不傳遞到掃描儀。由此物體和成像裝置可以仍然保持彼此相關(guān)，使得在不同波長下的所有圖像為最佳排布，即在 所有圖像上的某個(gè)像素與被成像物體上的唯一的點(diǎn)向?qū)?yīng)。由此這樣允許產(chǎn)生可以認(rèn)為是物體的3D圖像映射的、完全登記過的、合成的多光譜圖像，物體的3D圖像映射的χ-y平面對(duì)應(yīng)物體的x_y坐標(biāo)并且z坐標(biāo)對(duì)應(yīng)圖像的不同波長。通過在多個(gè)不同的單色波長下對(duì)物體多次照明，物體僅僅始終用成像所必須的光強(qiáng)照明。這與用寬帶白光源(broadband white light source)直接照射物體相比較,在光從物體中反射后對(duì)寬帶白光源進(jìn)行過濾，因?yàn)樵谟幸娴奶囟úㄩL下光源的強(qiáng)度必須足夠給予充足的強(qiáng)度。較高的總強(qiáng)度引起易碎物體比如歷史文物的損壞的較高風(fēng)險(xiǎn)。處理機(jī)構(gòu)提供了物體上不同物質(zhì)(比如以例如油墨、涂料或色素應(yīng)用到物體的襯底的文字或圖案)的、增強(qiáng)的可視性，以及增強(qiáng)該文字或圖案與襯底的差異，在襯底上使用了油墨、涂料或色素。這由此允許顯露出降解的文字或圖案，該降解的文字或圖案在傳統(tǒng)的攝影術(shù)中是不可見的，或者使用專用波長(例如紅外線)的真實(shí)攝影中是不可見的。在一組實(shí)施例中布置處理機(jī)構(gòu)以便執(zhí)行一定數(shù)量步驟，從而提供物體上的元件(例如紙莎草紙上的油墨)的可視性。隨著在一定數(shù)量的不同波長下對(duì)物體進(jìn)行掃描，針對(duì)圖像上的每個(gè)像素，存在對(duì)于掃描物體時(shí)的所有不同波長的反射射線的強(qiáng)度。這形成了如上所述的三維多光譜圖像。物體的襯底以及使用的油墨、染料或涂料等對(duì)不同波長的射線給出了各自不同的反映?？紤]給定的像素或像素組，代表在每個(gè)波長下的強(qiáng)度的信息可以認(rèn)為是光譜輪廓(等同于“光譜特征”)。通常，根據(jù)在物體的由像素或像素組覆蓋的區(qū)域上存在的油墨、色素或涂料的量以及襯底的品質(zhì)(例如由于變模糊或降解)，這些光譜輪廓可以是從油墨、色素或涂料以及襯底中反映的強(qiáng)度的疊合。處理機(jī)構(gòu)被布置為分析這些光譜輪廓，并且將這些光譜輪廓與存儲(chǔ)的光譜輪廓比較。如果比較是針對(duì)物體上存在的各種可能材料(例如油墨、涂料或色素)的已知光路輪廓，則這可以使得能夠確定構(gòu)成物體的相應(yīng)部分的每個(gè)像素或像素組。通常針對(duì)襯底的光譜輪廓將不同于針對(duì)在襯底上的任何油墨、色素或涂料的光譜輪廓。
在一組實(shí)施例中，對(duì)于用于襯底、油墨、色素或涂料等的每個(gè)可能材料，針對(duì)油墨或襯底材料的已知的光譜輪廓(或者如果這些材料不是已知的，則針對(duì)每個(gè)可能的匹配)為每個(gè)像素或像素組計(jì)算相關(guān)系數(shù)。典型地，相關(guān)系數(shù)的值應(yīng)該是在O和I之間，該值隨著圖像的包括相應(yīng)材料部分的可能性的增加而增加。在比較給定的光譜輪廓(例如對(duì)于給定油墨的假設(shè))通過為每個(gè)像素或像素組描繪相關(guān)值可獲得在物體上存在油墨等的較清晰圖像。當(dāng)然，如果用戶試圖與襯底區(qū)分開的物質(zhì)是未知的，則可能會(huì)需要嘗試一定數(shù)量的假設(shè)并建立最清晰的圖像。這可以可視地或者自動(dòng)地選擇。可替換地，可由用戶選擇圖像的較清晰部分作為與用于比較較為不清晰的部分的那部分的光譜輪廓的參考。為了進(jìn)一步優(yōu)化圖像可以應(yīng)用針對(duì)相關(guān)系數(shù)的閾值，所有低于某個(gè)閾值(例如在O. 85至O. 95的范圍內(nèi))的值都由于涉及背景材料(即非用于討論中的前提的材料)而被拒絕。閾值可以根據(jù)物體或前提而改變。最終產(chǎn)生的圖像可以是二值圖像，該二值圖像可以用于研究物體上的某種材料的位置，例如以便顯露出在文獻(xiàn)上以某種油墨書寫的文字。處理機(jī)構(gòu)可以被布置為生成反饋優(yōu)化命令，針對(duì)某個(gè)前提該反饋優(yōu)化命令 優(yōu)化了圖像的提取。用來這樣做的一種可行的方式可以是自動(dòng)地改變并優(yōu)化閾值。在一組有利的實(shí)施例中，反饋用于選擇一組簡(jiǎn)化過的波長，該組簡(jiǎn)化過的波長從初始掃描中給出最佳結(jié)果以便用于掃描物體的部分中的隨后的物體。這樣加速了隨后的掃描和處理而不損失任何質(zhì)量，尤其是在同樣的襯底上并且具有同樣的油墨涂料或染料的物體是小型物體時(shí)。由此，這種分析由掃描儀產(chǎn)生的圖像的布置結(jié)構(gòu)增強(qiáng)了灰度圖像(即未處理的強(qiáng)度響應(yīng)數(shù)據(jù))的對(duì)比，以便產(chǎn)生物體上的某種物質(zhì)的清晰圖像。由于這剛好根據(jù)每個(gè)像素的光譜特征(spectral signature),所以對(duì)在物體上的某種物質(zhì)的量較為不敏感,這是因?yàn)楦鶕?jù)討論中的前提光譜特征可以確定為需要的值，以便促進(jìn)與已知光譜輪廓進(jìn)行比較。由此可以看出掃描儀與處理機(jī)構(gòu)的結(jié)合允許在多個(gè)波長下使物體成像，并且隨后使得物體的襯底(例如紙莎草紙)與物體上的油墨、涂料或染料之間的對(duì)比增強(qiáng)了，并且使襯底與襯底上的油墨、涂料或染料分離。使用光譜輪廓允許鑒別并由此分離在襯底上使用的(例如來自不同作者或時(shí)期的)不同油墨、涂料或染料，并且甚至允許襯底上的非常模糊的圖像作為清晰可見的銘文顯露出來。如前面描述的用于選擇用來進(jìn)行掃描的不同波長包括已經(jīng)預(yù)設(shè)掃描功能，處理機(jī)構(gòu)還可以包括不同的可選特征。這可以包括能夠選擇針對(duì)相關(guān)系數(shù)的閾值，或者能夠根據(jù)物體的類型或者被分析的材料選擇不同版本的過程。這些可選特征可以是在掃描儀本身上可選的，例如作為一組按鈕，或者可以是在處理機(jī)構(gòu)上可選的，例如作為計(jì)算機(jī)上的菜單。在優(yōu)選的實(shí)施例中，在掃描儀和處理機(jī)構(gòu)之間存在直接數(shù)據(jù)連接(direct dataconnection)，例如經(jīng)由電纜或者通過無線通信到達(dá)計(jì)算機(jī)，通過實(shí)施例顯示了平臺(tái)式掃描儀合并專門的處理機(jī)構(gòu)的位置。然而，發(fā)明人已經(jīng)意識(shí)到這些中的任何一個(gè)都是必不可少的，并且例如由檢測(cè)機(jī)構(gòu)拍攝的圖像可以例如借助于數(shù)據(jù)存儲(chǔ)設(shè)備比如USB設(shè)備或者經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程計(jì)算機(jī)?？商鎿Q地，數(shù)據(jù)可以存儲(chǔ)在掃描儀中或存儲(chǔ)在外部用于隨后的處理。由此，當(dāng)從第二方面來看時(shí)，本發(fā)明提供了用于捕獲物體的多光譜圖像的裝置，包括平臺(tái)式掃描儀，該平臺(tái)式掃描儀具有照明機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述照明機(jī)構(gòu)可配置為發(fā)射多個(gè)不同波長的單色射線，所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)被布置為檢測(cè)由所述物體反射的射線并且由此產(chǎn)生在所述多個(gè)波長的每個(gè)波長下的所述物體的圖像；所述裝置適用于傳達(dá)或?yàn)殡S后的處理存儲(chǔ)與在所述多個(gè)波長中的每個(gè)波長下的所述圖像相關(guān)的數(shù)據(jù)。下面討論的特征適用于本發(fā)明的任何前述方面。在一組優(yōu)選的實(shí)施例中，照明機(jī)構(gòu)包括連續(xù)的帶狀照明器，如在平臺(tái)式掃描儀中的慣例，連續(xù)的帶狀照明器被布置為光學(xué)組件的一部分以便繞掃描儀的平臺(tái)移動(dòng)從而使掃描儀上的整個(gè)物體照明。照明機(jī)構(gòu)可以包括多個(gè)發(fā)光二極管(LED)，這可以使得多個(gè)不同波長的LED可以用來產(chǎn)生單色射線，當(dāng)在某個(gè)波長進(jìn)行掃描時(shí)使該波長的LED通電?？商鎿Q地，照明機(jī)構(gòu)可以包括具有可調(diào)液晶濾波器或單色儀的寬帶白光源。然而，在一組優(yōu)選的實(shí)施例中，照明機(jī) 構(gòu)包括穿過波長帶通濾波器的寬帶白光源。波長帶通濾波器可以具有各種波長并且選擇性地布置透過需要的單個(gè)單色波長，或者可以提供多個(gè)不同的濾波器，例如，以濾波器輪的形式來提供。因此，在優(yōu)選的實(shí)施例中，照明機(jī)構(gòu)可以通過從多個(gè)濾波器(每個(gè)濾波器處在不同的波長下，寬帶白光源穿過這些濾波器)中選擇一個(gè)濾波器來旋轉(zhuǎn)至某個(gè)單色波長。這樣使得物體能夠被照明，因此在這個(gè)特定的單色波長下成像，并且所后在多個(gè)不同的波長下成像。照明機(jī)構(gòu)可以位于與掃描儀的平外相同的外殼中。力圖在該組實(shí)施例中包括移動(dòng)的光學(xué)組件，光源可以安置在所述光學(xué)組件上。這樣在單色光源包括多個(gè)LED時(shí)可能是合適的，雖然光學(xué)組件的有限物理尺寸可能在可以被使用的不同波長LED的數(shù)目上進(jìn)行限制。然而，在一組優(yōu)選的實(shí)施例中，照明機(jī)構(gòu)包括遠(yuǎn)離掃描儀的平臺(tái)的單色光源。這樣允許單色光源必須盡可能大以便生成必須的多個(gè)單色波長。該組實(shí)施例使得可以從照明機(jī)構(gòu)中容易提供更大數(shù)目的不同波長，以及確保從改變射線源的波長中產(chǎn)生的任何振動(dòng)與掃描儀在機(jī)械上獨(dú)立，并且不傳播到掃描儀。優(yōu)選地，遠(yuǎn)處的單色光源與掃描儀的其余部分通過纖維光導(dǎo)器連接。纖維光導(dǎo)器可以與連續(xù)的帶狀照明器連接，帶狀照明器包括在直線上的光學(xué)纖維的端部。連續(xù)的帶狀照明器可以包括圓柱形透鏡，通過圓柱形透鏡透過從光學(xué)纖維的端部發(fā)射出的光，以便將光聚焦到掃描儀上的物體。圓柱形透鏡可以是固定的或者其可以布置為上下移動(dòng)以便將光聚焦到被掃描的物體的表面上。系統(tǒng)可以多個(gè)單色波長下工作，這些個(gè)單色波長是固定的，即不意圖改變或選擇使用的波長而硬線連接至掃描儀。這種類型的系統(tǒng)可以自動(dòng)地工作，例如按下啟動(dòng)按鈕然后在預(yù)定的波長下進(jìn)行掃描和隨后的處理。這樣的操作可能適合于重復(fù)地掃描相似文獻(xiàn)的系統(tǒng)，這種相似文獻(xiàn)都在相同的襯底上并且在襯底上具有相同類型的油墨、涂料或染料。然而，有利地是能夠改變或選擇使用的波長。因此，一組替代實(shí)施例中系統(tǒng)包括用于控制哪個(gè)波長的射線來照明目標(biāo)物體的機(jī)構(gòu)。調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)可以包括任何合適的用于改變單色射線源的波長的機(jī)構(gòu)，并且可以根據(jù)使用的單色射線的類型而不同，尤其是在可用的波長是不連續(xù)的預(yù)定值時(shí)(例如當(dāng)單色射線源包括多個(gè)不同波長的LED或者多個(gè)分離濾波器時(shí))，或者能夠從連續(xù)光譜中進(jìn)行選擇(例如當(dāng)單色射線源包括單色儀時(shí))。由此，一組按鈕、開關(guān)或模式轉(zhuǎn)盤(indexed dial)可以適用于離散波長的光源，并且連續(xù)的滑動(dòng)鈕(slider)可以適用于連續(xù)波長的光源(這些可以是硬件或軟件控制)。系統(tǒng)可以是完全地可編程有前面描述的調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)以選擇每個(gè)單獨(dú)掃描的波長和/或系統(tǒng)可以預(yù)編程有數(shù)個(gè)自動(dòng)功能，例如類似預(yù)前面描述的完全地自動(dòng)系統(tǒng)。這種系統(tǒng)例如可以包括多個(gè)設(shè)定，這些設(shè)定在被選擇時(shí)在多個(gè)預(yù)定波長下操作掃描儀。設(shè)定可以由任何合適的機(jī)構(gòu)，例如掃描儀上的按鈕轉(zhuǎn)盤或觸屏來選擇，或者來自連接到掃描儀的計(jì)算機(jī)上的菜單。設(shè)定可以使掃描儀與編程有數(shù)個(gè)設(shè)定，這些個(gè)設(shè)定適用于不同物體中的某些類型，由此使用戶能夠在多個(gè)不同波長下進(jìn)行掃描，這些波長對(duì)于其專注的物體來說是合適的。這是因?yàn)樵诓煌M波長下更加有效地掃描了不同物體以便最好地顯露其上的文字和/或圖像。由此，系統(tǒng)可以包括針對(duì)具有不同襯底(例如紙莎草紙、紙)以及具有不同油墨、涂料或染料的物體的設(shè)定。例如，鐵油墨在紫外線(ultraviolet radiation)下尤其可見，碳油墨在紅外線(infrared radiation)下尤其可見。由此,如果已知被掃描的物體包括這些油墨中的一種，則用戶可能會(huì)想要將關(guān)聯(lián)的波長包括在掃描儀正在工作的多個(gè)不同波長中的一個(gè)波長中。系統(tǒng)還可以包括允許用戶創(chuàng)建和存儲(chǔ)新的針對(duì)多個(gè)預(yù)定波長的設(shè)定的能 力。在一些實(shí)施例中，系統(tǒng)可以工作在小數(shù)目的不同波長下，例如3個(gè)或6個(gè)。在其他組實(shí)施例中，系統(tǒng)可以工作在非常大數(shù)目的波長下，例如成百或者上千，使得其進(jìn)行超光譜成像。在一組典型的實(shí)施例中，由單色射線源發(fā)射的波長被布置在從紫外線到紅外線的范圍內(nèi)，即在350nm至950nm范圍內(nèi)。然而，顯示了在其中布置單色射線源的實(shí)施例，以便沿電磁光譜的更廣的范圍發(fā)射波長，電磁光譜包括近紅外線范圍(NIR，0. 75-1. 4 μ m)、短波紅外線范圍(SWIR，1.4-3ym)、中波紅外線范圍(MWIR，3_8ym)以及長波紅外線范圍(LWIR,8-15ym)。此外優(yōu)選地包括透明(例如玻璃)板，要被掃描的物體放置在在透明板上，優(yōu)選地掃描儀還包括蓋子，該蓋子允許平坦物體仍然保持在掃描儀上的平板蓋子之間。這種蓋子還可以布置為主當(dāng)來自環(huán)境的光線。這樣由此意味著在使用多光譜照相機(jī)時(shí)必要情況下不必在暗室中使用裝置來拍攝多光譜圖像，使其使用更加靈活。用于檢測(cè)由物體反射的單色射線的強(qiáng)度的檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以在掃描儀中位于固定位置，如果有必要?jiǎng)t使用鏡子或透鏡使反射的射線直接朝向檢測(cè)機(jī)構(gòu)。然而，在一組優(yōu)選的實(shí)施例中，檢測(cè)機(jī)構(gòu)位于移動(dòng)的光學(xué)組件中。然后，檢測(cè)機(jī)構(gòu)在物體被掃描時(shí)隨著光源移動(dòng)，使得從物體中反射的光直接返回到檢測(cè)機(jī)構(gòu)上。將意識(shí)到，這樣在照明器沿著掃描儀(至少針對(duì)平坦物體)移動(dòng)時(shí)由于文圖和檢測(cè)機(jī)構(gòu)之間的距離是恒定的，所以能夠拍攝高質(zhì)量圖像。檢測(cè)機(jī)構(gòu)可以包括能夠記錄射線的各種波長的強(qiáng)度的任何合適的機(jī)構(gòu)。一個(gè)實(shí)例可以是互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片陣列、電荷耦合器件(CCD)陣列或者接觸式圖像傳感器(CIS)。另一個(gè)實(shí)例可以是焦平面陣列(FPA)。C⑶和CMOS傳感器優(yōu)選地用于可見的并且近紅外線成像，而FPA優(yōu)選地用于中波和長波紅外線成像。如這里所使用的，單色射線定義為在半強(qiáng)度下以小于20nm傳播的某個(gè)波長下的射線。然而，在一些實(shí)施例中使用更窄的波長帶，例如具有IOnm或更小的半寬度。在一些實(shí)施例中射線可以具有小于5nm的半寬度。
雖然顯示了本發(fā)明將主要用于掃描并且產(chǎn)生歷史文獻(xiàn)(例如紙莎草紙或其他文物)的多光譜圖像。本發(fā)明并不意味著僅先于這種應(yīng)用?？梢允褂帽景l(fā)明掃描的其他物體包括印刷品、繪制品、圖片、紡織品、雕塑、遺物，即在其上具有可以通過多光譜成像顯露的物質(zhì)的任何物體。本發(fā)明也不限于與歷史文物一起使用，而是可以用于現(xiàn)今的物體。本發(fā)明可以預(yù)見的一個(gè)特殊應(yīng)用在于其可與被使用的現(xiàn)代取證技術(shù)，例如檢測(cè)官方文件的真?zhèn)?。該技術(shù)所顯示的其他應(yīng)用可以是在一些物品制造中的質(zhì)量控制，既控制它們的襯底比如紙張、紡織品、塑料、金屬、木材、皮革、橡膠是等，又控制覆蓋襯底的材料層比如涂料、漆、防護(hù)和裝置涂層、光學(xué)安全特征等。技術(shù)還可以應(yīng)用于生物和醫(yī)學(xué)特征的樣本(比如植物葉子以及動(dòng)物或人類皮毛、頭發(fā)等以及其他生物產(chǎn)品)的多光譜和紅外檢查。


現(xiàn)在將僅僅通過實(shí)例，參照附圖描述本發(fā)明的某些優(yōu)選實(shí)施例，在附圖中圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例；以及
圖2示出了針對(duì)油墨和紙莎草紙的光譜特征的曲線圖。
具體實(shí)施例方式圖I示出了根據(jù)本發(fā)明的平臺(tái)式掃描儀I。掃描儀I包括玻璃板2，可以將諸如文獻(xiàn)之類的物體放置在玻璃板2上以進(jìn)行掃描。掃描儀I還具有蓋子4，如果被掃描的物體是平的(例如文獻(xiàn))，則可以在被掃描的物體之上閉合蓋子4以便阻止任何的外部光。橫跨掃描儀I的寬度垂直地布置包括帶狀照明器8的光學(xué)組件6，并且在使用中以已知的方式使光學(xué)組件6轉(zhuǎn)變成沿著掃描儀I的長度移動(dòng)。光學(xué)組件6包括多個(gè)光學(xué)纖維，這些光學(xué)纖維的端部沿著該組件布置在一直線中。光學(xué)纖維一起形成了用于將光從遠(yuǎn)處的單色射線源12引導(dǎo)到光學(xué)組件6的纖維光導(dǎo)器(fibre optic light guide)。單色射線源12包括寬帶白光源和多個(gè)可替換的單色波長濾波器。在寬帶白光源前方一次放置一個(gè)濾波器，然后，隨后過濾過的單色射線被供應(yīng)到多個(gè)光學(xué)纖維中，從該處沿光導(dǎo)器10向下引導(dǎo)到連續(xù)的帶狀照明器8。布置光源12以便根據(jù)要進(jìn)行的所需要的掃描更換波長濾波器。可通過調(diào)整濾波器輪14選擇不同的波長濾波器。掃描儀I進(jìn)一步包括多個(gè)透鏡16，布置透鏡16以將由連續(xù)的帶狀照明器8發(fā)射并從被掃描物體反射出來的光18聚焦到多個(gè)圖像傳感器20上。然后布置圖像傳感器將記錄的數(shù)據(jù)發(fā)送給計(jì)算機(jī)21，可以在計(jì)算機(jī)21處分析圖像。在操作中，將諸如紙莎草紙之類的具有模糊刻文的文獻(xiàn)放置在平臺(tái)式掃描儀I的玻璃板2上。關(guān)閉掃描儀I的蓋子4以阻擋所有的外部光。在計(jì)算機(jī)21的控制下(例如通過合適的控制電纜，未示出)通過將照明器12上的濾波器輪14旋轉(zhuǎn)到合適的位置來選擇進(jìn)行掃描時(shí)單色波長。計(jì)算機(jī)21還可以確定由照明器12提供的光的強(qiáng)度。由此單色光通過光學(xué)纖維沿光導(dǎo)器10從照明器12向下發(fā)送到連續(xù)的帶狀照明器8。為了在期望的單色波長下進(jìn)行掃描，光學(xué)組件6從掃描儀的一端移動(dòng)到另一端，由此從下方照明玻璃板2上的全部文獻(xiàn)并使玻璃板2上的全部文獻(xiàn)成像。從連續(xù)的帶狀照明器8發(fā)射的單色光18從文獻(xiàn)上反射，然后穿過被布置為將光18聚焦到多個(gè)圖像傳感器20上多個(gè)透鏡16。圖像傳感器20記錄反射的光18的強(qiáng)度，使得可以產(chǎn)生針對(duì)該特定單色波長的灰度圖像。在多個(gè)不同的單色波長下重復(fù)這種在單色波長下掃描文獻(xiàn)的操作，以便產(chǎn)生所需數(shù)目的圖像。如上所述，可根據(jù)要被掃描的文獻(xiàn)的類型，例如要在顯露退化的文字方面最有效的類型，在不同的多個(gè)波長下進(jìn)行掃描。圖像傳感器20將它們的數(shù)據(jù)輸出給計(jì)算機(jī)21 ，計(jì)算機(jī)21將各種圖像結(jié)合成文獻(xiàn)的合成的三維多光譜圖像。針對(duì)圖像上的每個(gè)像素(對(duì)應(yīng)于文獻(xiàn)上的唯一位置)，可以產(chǎn)生光譜特征，該光譜特征在包括在掃描中的各單色波長下給出反射的射線的強(qiáng)度。該光譜特征將是從不同的物質(zhì)強(qiáng)度響應(yīng)的疊加，這些不同的物質(zhì)存在于被像素覆蓋的文獻(xiàn)的一部分中，例如是油墨和紙莎草紙。圖2示出了關(guān)于油墨22和紙莎草紙24 (即紙莎草紙的不具有油墨的部分)的光譜特征，針對(duì)的是在365nm和940nm之間的多個(gè)不同波長下的掃描。由此可以看出，油墨22和紙莎草紙24具有差異很大的光譜特征，油墨22在短波長下反射較多部分的入射光，在長波長下反射較少部分的入射光。相反，紙莎草紙24在短波長下反射較少部分的入射光，在長波長下反射較多部分的入射光。油墨22和紙莎草紙24的這些不同的光譜特征由此可以用于分析文獻(xiàn)的多光譜圖像，以便提取出在文獻(xiàn)上以油墨書寫的已退色文字。針對(duì)油墨以及有可能還針對(duì)紙莎草紙，將在每個(gè)像素處的光譜特征與已知的光譜特征相比較，并且計(jì)算每個(gè)像素的相關(guān)系數(shù)。如果油墨已知，則可以使用與油墨相對(duì)應(yīng)的單個(gè)已知的光譜特征。如果油墨未知，則可以比較一些已知的輪廓以便獲得最佳匹配。相關(guān)系數(shù)的計(jì)算返回O和I之間的值，其中較高的值表示像素包括某種物質(zhì)的可能性高，反過來，較低的值表示像素包括某種物質(zhì)的可能性低。一旦已經(jīng)針對(duì)像素的光譜特征計(jì)算了相關(guān)系數(shù)，則對(duì)相關(guān)系數(shù)應(yīng)用閾值(例如O. 9)，即如果相關(guān)系數(shù)低于O. 9則認(rèn)為該像素不具有油墨，如果高于O. 9則認(rèn)為該像素上具有油墨。由此產(chǎn)生了圖像，描繪出哪些像素具有油墨和哪些不具有油墨。如果合適的話，可以為每種候選油墨進(jìn)行這樣的重復(fù)，直到獲得最清晰的圖像。利用這種方法產(chǎn)生的圖像使得能夠通過分析構(gòu)成多光譜圖像的光譜特征來顯露出油墨圖案，該油墨圖案由于退色、降解、變臟、暴光等等而不一定能看得到。本領(lǐng)域的技術(shù)人員將意識(shí)到，已經(jīng)描述的僅為可行實(shí)施例的小部分，并且各種變體和修改在本發(fā)明的范圍內(nèi)是可行的。例如單色射線源12不需要包括一套可更換的波長濾波器，而是可例如為具有可調(diào)液晶濾波器的白光源或單色儀，或者一組不同波長的LED。例如，由在描述的實(shí)施例中的計(jì)算機(jī)21控制的單色儀可以提供在連續(xù)的輻射光譜內(nèi)的任何單色波長的選擇?？梢允褂萌魏魏线m的數(shù)據(jù)處理機(jī)構(gòu)來分析多光譜圖像，作為相同裝置的一部分或者遠(yuǎn)離該裝置。
權(quán)利要求
1.一種捕獲和處理物體的多光譜圖像的方法，包括 將所述物體放置在平臺(tái)式掃描儀上； 使用所述平臺(tái)式掃描儀來利用一系列波長的單色光連續(xù)地照明所述物體，以便產(chǎn)生一起形成合成的多光譜圖像的多個(gè)圖像； 確定所述多光譜圖像的至少一部分的光譜輪廓；以及 將所述光譜輪廓與存儲(chǔ)的光譜輪廓相比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，包括根據(jù)像素或像素組包括材料這一假設(shè)，計(jì)算所述圖像上的每個(gè)像素或像素組的光譜輪廓的相關(guān)系數(shù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，包括向所述相關(guān)系數(shù)應(yīng)用閾值，如果所述相關(guān)系數(shù)的值大于所述閾值則接受所述假設(shè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，包括針對(duì)某個(gè)假設(shè)，形成顯示具有大于所述閾值的相關(guān)系數(shù)的所有像素或像素組的二值圖像。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，包括生成反饋優(yōu)化命令來改善所述二值圖像。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，包括進(jìn)行初始掃描，以及為隨后的掃描選擇數(shù)目減少的波長。
7.一種用于捕獲和處理物體的多光譜圖像的裝置，包括平臺(tái)式掃描儀，該平臺(tái)式掃描儀具有照明機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述照明機(jī)構(gòu)能配置為發(fā)射多個(gè)不同波長的單色射線，所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)被布置為檢測(cè)由所述物體反射的射線的強(qiáng)度并且由此在所述多個(gè)波長的每個(gè)波長下產(chǎn)生所述物體的圖像；所述裝置進(jìn)一步包括被布置為由所述圖像形成合成的多光譜圖像的機(jī)構(gòu)以及處理機(jī)構(gòu)，所述處理機(jī)構(gòu)被布置為確定所述多光譜圖像的至少一部分的光譜輪廓并將所述光譜輪廓與存儲(chǔ)的光譜輪廓相比較。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的裝置，其中所述處理機(jī)構(gòu)被布置為根據(jù)像素或像素組包括材料這一假設(shè)，計(jì)算所述圖像上的每個(gè)像素或像素組的光譜輪廓的相關(guān)系數(shù)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述處理機(jī)構(gòu)被布置為向所述相關(guān)系數(shù)應(yīng)用閾值，如果所述相關(guān)系數(shù)的值大于所述閾值則接受所述假設(shè)。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的裝置，其中所述處理機(jī)構(gòu)布置為針對(duì)某個(gè)假設(shè)，形成顯示具有大于所述閾值的相關(guān)系數(shù)的所有像素或像素組的二值圖像。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述處理機(jī)構(gòu)被布置為生成反饋優(yōu)化命令來改善所述二值圖像。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述掃描儀被布置為進(jìn)行初始掃描，并且所述處理機(jī)構(gòu)被布置為選擇在隨后的掃描中使用的數(shù)目減少的波長。
13.根據(jù)權(quán)利要求7-12中任一項(xiàng)所述的裝置，包括在所述掃描儀和所述處理機(jī)構(gòu)之間的直接數(shù)據(jù)連接。
14.一種用于捕獲物體的多光譜圖像的裝置，包括平臺(tái)式掃描儀，該平臺(tái)式掃描儀具有照明機(jī)構(gòu)和檢測(cè)機(jī)構(gòu)，所述照明機(jī)構(gòu)能配置為發(fā)射多個(gè)不同波長的單色射線，所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)被布置為檢測(cè)由所述物體反射的射線的強(qiáng)度并且由此在所述多個(gè)波長中的每個(gè)波長下產(chǎn)生所述物體的圖像；所述裝置適用于傳達(dá)或?yàn)殡S后的處理存儲(chǔ)與在所述多個(gè)波長中的每個(gè)波長下的所述圖像對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)。
15.根據(jù)權(quán)利要求7至14中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述照明機(jī)構(gòu)包括連續(xù)的帶狀照明器。
16.根據(jù)權(quán)利要求7至15中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述照明機(jī)構(gòu)包括寬帶白光源，所述寬帶白光源穿過波長帶通濾波器。
17.根據(jù)權(quán)利要求7至16中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述照明機(jī)構(gòu)包括遠(yuǎn)離所述掃描儀的平臺(tái)的單色光源。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的裝置，其中所述遠(yuǎn)離的單色光源通過纖維光導(dǎo)器與所述掃描儀的其余部分連接。
19.根據(jù)權(quán)利要求7至18中任一項(xiàng)所述的裝置，包括用于控制用哪個(gè)波長的射線來照明目標(biāo)物體的機(jī)構(gòu)。
20.根據(jù)權(quán)利要求7至19中任一項(xiàng)所述的裝置，其中由單色射線源發(fā)射的波長被布置為在從紫外線到紅外線的范圍內(nèi)，例如在350nm至15 μ m范圍內(nèi)。
21.根據(jù)權(quán)利要求7至20中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述掃描儀包括透明板。
22.根據(jù)權(quán)利要求7至21中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述掃描儀包括蓋子。
23.根據(jù)權(quán)利要求7至22中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述照明機(jī)構(gòu)包括移動(dòng)的光學(xué)組件。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的裝置，其中所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)位于所述移動(dòng)的光學(xué)組件中。
25.根據(jù)權(quán)利要求7至24中任一項(xiàng)所述的裝置，其中所述檢測(cè)機(jī)構(gòu)包括互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)芯片陣列、電荷耦合器件(CCD)陣列、接觸式圖像傳感器(CIS)或者焦平面陣列(FPA)。
全文摘要
一種捕獲和處理物體的多光譜圖像的方法，包括將所述物體放置在平臺(tái)式掃描儀(1)上；使用所述平臺(tái)式掃描儀(1)來利用一系列波長的單色光連續(xù)地照明所述物體，以便產(chǎn)生一起形成合成的多光譜圖像的多個(gè)圖像；確定所述多光譜圖像的至少一部分的光譜輪廓；以及將所述光譜輪廓與存儲(chǔ)的光譜輪廓(22、24)相比較。
文檔編號(hào)H04N1/48GK102803929SQ201180013153
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月9日
發(fā)明者亞歷山大·科瓦利丘克 申請(qǐng)人:Isis創(chuàng)新有限公司