摘 要：本文對多光譜獲取的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究，在合適環(huán)境中對色卡進行拍攝得到多光譜圖像，同時用分光光度計測量色卡上每個色樣的光譜反射率，并對校正后的圖像提取RGB三通道的光譜信息，最后利用光譜反射率重建算法，對圖像進行光譜反射率重建。實驗結(jié)果表明，偽逆法的光譜誤差比維納估計法小。

關(guān)鍵詞：圖像獲取；多光譜成像；光譜反射率；光譜重建

提高顏色的真實再現(xiàn)，是當前圖像復制技術(shù)的熱門研究方向之一。傳統(tǒng)的顏色復制技術(shù)基于人眼視覺特征，不能實現(xiàn)各種環(huán)境下物體顏色的準確復制。通過顏色的光譜復制技術(shù)，利用物體表面的光譜反射信息來再現(xiàn)色彩，可提高復制精度，再現(xiàn)目標顏色。獲取物體的光譜反射率也成為實現(xiàn)光譜復制的重要技術(shù)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1 顏色理論基礎(chǔ)

顏色科學把看到的顏色稱為顏色視覺。其形成的四大要素是：光源、顏色物體、人眼和大腦。顏色并不是純粹的物理量，而是心理物理量。物體呈現(xiàn)不同的顏色，在于它對光線的選擇性吸收、透射或反射，也即對可見光范圍中某一段波長的色光進行了反射或透射。物體的這一性質(zhì)，就叫做物體的光譜特性。

人的視覺系統(tǒng)只能分辨出顏色的色調(diào)、明度和飽和度三個屬性。只要視覺上對這三個顏色屬性的感覺相同，我們就認為顏色相同且可替換。通常在視覺感覺上一樣的兩種顏色，其光譜功率分布卻不相同，也即同色異譜現(xiàn)象。同色同譜是最準確的匹配，但實際中很難存在這一情況。傳統(tǒng)顏色復制中，都是基于視覺感受相同來實現(xiàn)的。但復制的顏色，在給定的環(huán)境照明和觀察條件發(fā)生變化時則會出現(xiàn)顏色失真現(xiàn)象。多光譜成像技術(shù)可以較好的解決這一問題。

2 多光譜重建技術(shù)

目前，多通道光譜成像系統(tǒng)大多是用濾色片截取不同波段圖像光譜信息。因多光譜成像系統(tǒng)采集的圖像是囊括了相機性能、環(huán)境光、濾色片光譜透射性能等因素的與設(shè)備相關(guān)的色度圖，不能滿足復制所需的數(shù)據(jù)精度。因此，需校正采集的光譜反射率并插值，以重建出接近源圖像的光譜反射率。重建后的圖像，只能是最大限度的靠近源圖像的原始光譜。在這個過程中，高精確度的重建算法設(shè)計是人們的研究熱點。

多光譜的反射率獲取關(guān)鍵環(huán)節(jié)有多通道圖像光譜的獲取和多光譜圖像數(shù)據(jù)的處理。光譜反射率一般是用分光光度計來測量，工作量極大。為了精確地獲取物體的光譜反射率，可對成像系統(tǒng)進行光譜表征。

3 實驗研究

3.1 實驗儀器

GG475（黃色玻璃片）、BG39（藍色玻璃片）的寬帶濾色片。格靈達 SG 140色卡，IT8.7-3 CMYK i1色卡，愛色麗標準白版及分光光度計。佳能 EOS40D單反數(shù)碼相機。選用兩個鎢絲燈，45度對稱照射原稿。三腳支架、黑板、18%的中性灰墻面環(huán)境。

3.2 獲取實驗

采用多通道相機采集的方法獲取圖像光譜。實驗時，首先完成實驗拍攝位置的選擇，放置好光源，數(shù)碼相機，待測樣本。規(guī)范連接并設(shè)置數(shù)碼相機，尤其注意濾色片的安放。調(diào)節(jié)光源并使照度均勻。將色卡放置在拍攝視野的正中心，拍攝圖像。將最終得到的多通道圖像保存為RAW格式，這種原始保存狀態(tài)可以保證后期光譜數(shù)據(jù)處理和光譜反射率重建的精度。利用分光光度計測量待測色卡上的全部顏色訓練樣本的光譜反射率。通過光譜圖像獲取實驗，將得到六張圖片，分別是利用GG475拍攝的黑板、SG 140色卡和IT8.7-3 CMYK i1色卡與利用BG39拍攝的黑板、SG 140色卡和IT8.7-3 CMYK i1色卡。

以用GG475拍攝的SG 140色卡的數(shù)據(jù)處理為例。利用拍攝黑板的圖片為基礎(chǔ)光環(huán)境光譜信息，通過matlab對所拍攝的色卡圖片進行圖像處理。先將各圖片按RGB三通道提取，得到三通道各自的灰度圖。利用matlab分通道處理，去除光照不均勻性的干擾，校正完成再將單通道圖合成彩色圖片。對圖片進行各個色塊的RGB三光譜信息的提取并保存。最后利用反射率重建算法，模擬出圖像的光譜反射率曲線。

3.3 光譜反射率重建

常見的算法有偽逆法、維納估計法與有限維模型法，其他的優(yōu)化算法都可以在此基礎(chǔ)上進行改進。選擇SG140色卡、IT8.7-3 CMYK i1色卡作為實驗訓練樣本，利用多光譜成像系統(tǒng)獲取其系統(tǒng)響應值。多通道影像數(shù)據(jù)由GG475濾色片獲取偏紅圖像的RGB三通道光譜信息與BG39濾色片拍攝偏綠圖像的RGB三通道光譜信息組合而成。同時用分光光度計測量每張色卡上每個色塊的光譜反射率，所測光譜的波段為360～750納米，間隔10納米進行采樣。最后得到各色卡各色塊的六通道光譜信息及其反射率。利用六通道光譜信息，分別通過偽逆法重建算法與維納重建算法，依靠matlab平臺等到兩組重建的光譜反射率。取兩張色卡上的部分色塊，將其真實反射率與重建反射率進行對比。對重建得到的反射率精度評價，要基于圖像的真實反射率信息。主要可以通過色差比較、光譜誤差RMS比較來評價最后重建的反射率精度。

3.4 結(jié)果分析

在MATLAB平臺上對比了兩種算法的重建精度。通過光譜誤差RMS的評價方法等到：用偽逆法得到的反射率曲線與真實反射率曲線，光譜誤差RMS為10.1755；用維納估計法重得到的反射率曲線與真實反射率曲線，光譜誤差RMS為14.4896。

總體而言，從光譜誤差程度的角度看，偽逆法的重建精度比維納估計法的重建精度稍高點。但是從兩者重建的光譜反射率曲線與物體色的真實光譜反射率曲線相比看，不論是在曲線形狀的相似度上，還是數(shù)值上，都存在較大的偏差，重建的效果沒有理論上設(shè)想的好。

4 結(jié)論

整個實驗過程，存在許多的干擾因素，如光環(huán)境，設(shè)備精度，樣本多通道光譜信息的取值是否具有代表性等等，而且實驗選用的色卡，重建算法都比較基礎(chǔ)與簡單，這些對實驗結(jié)果都造成了一定的誤差影響?；诖?，實驗結(jié)果的通用性還有待考證。從以上的實驗數(shù)據(jù)評價看，初步斷定本實驗采用的兩種重建算法的光譜重建精度都還不能滿足實際生產(chǎn)中的顏色復制需求。在今后的研究中，可以繼續(xù)優(yōu)化出新算法。

參考文獻：

[1] 王瑩.多光譜圖像色彩再現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西安電子科技大學，2010.

[2] 王麗梅.基于多通道采集的光譜反射率重建算法研究[D].上海：上海理工大學，2015.

[3] 劉振.面向復制的多光譜圖像獲取技術(shù)研究[D].武漢：武漢大學，2012.

作者簡介：李守禮（1995-），男，漢族，山東臨沂人，本科，研究方向：包裝印刷技術(shù)。