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江蘇雙利合譜科技有限公司

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基于高光譜成像技術(shù)的秦俑分析報(bào)告

閱讀:788      發(fā)布時(shí)間:2023-4-25
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一、測試原理及方法:

 高光譜成像技術(shù)是近二十年來發(fā)展起來的基于非常多窄波段的影像數(shù)據(jù)技術(shù),其主要的應(yīng)用是遙感探測領(lǐng)域,并在越來越多的民用領(lǐng)域有著更大的應(yīng)用前景。它集中了光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)、信息處理、計(jì)算機(jī)科學(xué)等領(lǐng)域的先進(jìn)技術(shù),是傳統(tǒng)的二維成像技術(shù)和光譜技術(shù)有機(jī)的結(jié)合在一起的一門新興技術(shù)。

 高光譜成像技術(shù)的定義是在多光譜成像的基礎(chǔ)上,在從紫外到近紅外(200-2500nm)的光譜范圍內(nèi),利用成像光譜儀,在光譜覆蓋范圍內(nèi)的數(shù)十或數(shù)百條光譜波段對目標(biāo)物體連續(xù)成像。在獲得物體空間特征成像的同時(shí),也獲得了被測物體的光譜信息。

目標(biāo)物體-成像物鏡-入射狹縫-準(zhǔn)直透鏡-PGP-聚焦透鏡-CCD棱鏡-光柵-棱鏡:PGP

圖1 成像原理圖

光譜儀的光譜分辨率由狹縫的寬度和光學(xué)光譜儀產(chǎn)生的線性色散確定。最小光譜分辨率是由光學(xué)系統(tǒng)的成像性能確定的(點(diǎn)擴(kuò)展大?。?。

成像過程為:每次成一條線上的像后(X方向),在檢測系統(tǒng)輸送帶前進(jìn)的過程中,排列的探測器掃出一條帶狀軌跡從而完成縱向掃描(Y方向)。綜合橫縱掃描信息就可以得到樣品的三維高光譜圖像數(shù)據(jù)。

圖2 像立方體

圖3  Gaia Field高光譜成像儀

高光譜儀配置:鏡頭:22mm鍍膜消色差鏡頭;光譜范圍:400nm-1000nm,光譜分辨率: 4nm@435.8nm(@400-1000nm),像面尺寸(光譜x空間):6.15 x 14.2 mm,相對孔徑:F/2.4,狹縫長度14.2 mm. 內(nèi)置控制、掃描機(jī)構(gòu);內(nèi)置電池;

SpecView軟件:控制完成自動(dòng)曝光、自動(dòng)對焦、自動(dòng)掃描速度匹配;數(shù)據(jù)處理:黑白、輻射度、均勻性、鏡頭等校準(zhǔn);光譜查看。

GaiaField便攜式高光譜系統(tǒng)是雙利合譜自行研制的超便攜式高光譜成像儀器。它的核心由三部分構(gòu)成,分別是:多維運(yùn)動(dòng)控制器,光譜相機(jī)和成像光譜儀。使用此系統(tǒng)進(jìn)行掃描,在獲得目標(biāo)影像信息的基礎(chǔ)上,還可以獲得數(shù)百甚至上千波段的光譜信息。

GaiaField系統(tǒng)有著輕便靈活,續(xù)航能力出色的特點(diǎn)。廣泛適用于,目標(biāo)識別,地面物體與水體遙測、現(xiàn)代精細(xì)農(nóng)業(yè)等生態(tài)環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域,以及刑偵、文物保護(hù)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。

覆蓋可見光與近紅外全波段可提供超過700個(gè)光譜通道,可自由選擇GaiaField便攜式高光譜系統(tǒng)采用了高分辨率的成像光譜儀。在可見光波段,光譜分辨率高達(dá)3nm,即使在短波紅外波段也能達(dá)到10nm。因而全波段內(nèi)可以獲得超過700個(gè)的光譜通道,更多的光譜通道意味著更多的信息,有助于研究人員通過對連續(xù)光譜的分析、反演,獲得更多的高價(jià)值數(shù)據(jù)細(xì)節(jié)。

圖4  高光譜成像儀數(shù)據(jù)效果圖

軟硬件功能:

輔助攝像頭功能

通過輔助攝像頭觀察目標(biāo)拍攝區(qū)域

當(dāng)前狹縫位置指示

選擇自動(dòng)曝光與自動(dòng)調(diào)焦區(qū)域,直觀方便,僅需鼠標(biāo)即可完成操作。

圖 5  輔助攝像頭觀察目標(biāo)拍攝區(qū)域

自動(dòng)掃描速度匹配、自動(dòng)曝光:

自動(dòng)曝光:根據(jù)當(dāng)前光照環(huán)境,進(jìn)行曝光測試,獲得精準(zhǔn)的曝光時(shí)間。在得到最佳信噪比的同時(shí),又可避免過度曝光造成數(shù)據(jù)作廢。同時(shí)軟件具有實(shí)時(shí)過度曝光監(jiān)視功能。

自動(dòng)掃描速度匹配:根據(jù)當(dāng)前的曝光時(shí)間等參數(shù),進(jìn)行測試拍攝,得到實(shí)時(shí)幀速,進(jìn)而計(jì)算出合適的掃描速度。從而避免了掃描圖像的變形(拉伸或壓縮)

圖 6   采集數(shù)據(jù)自動(dòng)曝光、速度匹配

二、數(shù)據(jù)分析:

本文以西安秦俑為研究對象,利用雙利合譜的高光譜成像儀Gaia Field(光譜范圍400 nm - 1000 nm)采集測試對象的高光譜數(shù)據(jù)。

對成像高光譜儀拍攝的原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理,預(yù)處理過程主要包括兩部分。第一部分是輻射定標(biāo);第二部分為噪聲去除。

首先進(jìn)行輻射定標(biāo)。輻射定標(biāo)的計(jì)算公式如1所示。

                       (1)

其中,Reftarget為目標(biāo)物的反射率,Refpanel為標(biāo)準(zhǔn)參考板的反射率,DNtarget為原始影像中目標(biāo)物的的數(shù)值,DNpanel為原始影像中標(biāo)準(zhǔn)參考板的數(shù)值,DNdark為成像光譜儀系統(tǒng)誤差。

其次是噪聲去除,本文運(yùn)用國外較為常用的最小噪聲分離方法(Minimum Noise Fraction Rotation, MNF)進(jìn)行噪聲去除。最小噪聲分離工具用于判定圖像數(shù)據(jù)內(nèi)在的維數(shù)(即波段數(shù)),分離數(shù)據(jù)中的噪聲,減少隨后處理中的計(jì)算需求量。MNF本質(zhì)上是兩次層疊的主成分變換。第一次變換(基于估計(jì)的噪聲協(xié)方差矩陣)用于分離和重新調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)中的噪聲,這步操作使變換后的噪聲數(shù)據(jù)只有最小的方差且沒有波段間的相關(guān)。第二步是對噪聲白化數(shù)據(jù)(Noise-whitened)的標(biāo)準(zhǔn)主成分變換。為了進(jìn)一步進(jìn)行波譜處理,通過檢查最終特征值和相關(guān)圖像來判定數(shù)據(jù)的內(nèi)在維數(shù)。數(shù)據(jù)空間可被分為兩部分:一部分與較大特征值和相對應(yīng)的特征圖像相關(guān),其余部分與近似相同的特征值以及噪聲占主導(dǎo)地位的圖像相關(guān)。圖7為MNF降噪前后的光譜反射率變化。

圖7  MNF變換前(左)后(右)高光譜影像數(shù)據(jù)反射率值變化

下圖分別秦俑鎧甲、手背、肢體(軀干沒有白板校正數(shù)據(jù))的高光譜影像數(shù)據(jù)的RGB(640 nm、550 nm、460 nm)真彩色合成數(shù)據(jù)及影像中不同位置的光譜反射率變化。

圖8  鎧甲及其不同位置的光譜反射率變化

      

圖9  手背及其不同位置的光譜反射率變化

圖10  肢體及其不同位置的光譜反射率變化

利用SpecView軟件的Analysis-Animate功能,快速瀏覽能識別軀干、手背、肢體、鎧甲的各波段圖像的變化,結(jié)果表明能較為清楚地識別軀干、手背、肢體、鎧甲等高光譜影像信息的波段主要集中在紅光與近紅外區(qū)域,這與目前國內(nèi)外的研究結(jié)果相同。以760 nm波段影像為例,對軀干、手背、肢體、鎧甲760 nm處影像的灰度圖作密度分割,以期能更清楚地分辨軀干、手背、肢體、鎧甲中內(nèi)部成分的變化,如下圖所示。從圖11可知,通過對成像高光譜特定某一波段作密度分割并賦予不同的顏色,不僅在圖像能較為清晰的看到秦俑各部位內(nèi)部成分的變化,而且也能看到其在數(shù)值上的變化。

圖11  秦俑各部位在760 nm處的灰度影像的密度分割效果圖

為了客觀地分別秦俑各部位內(nèi)部成分的變化,對經(jīng)預(yù)處理后的高光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析(Principal Component Analysis, PCA),去除波段之間的多余信息、將多波段的圖像信息壓縮到比原波段更有效的少數(shù)幾個(gè)轉(zhuǎn)換波段下。分別對比分析秦俑各部分PCA變化前后影像合成圖。

圖12  鎧甲的PCA變化前影像合成圖

(左 R:800 nm,G:640 nm,B:550 nm;右 R:PCA2,G:PCA1,B:PCA3)

圖13  軀干的PCA變化前影像合成圖

(左 R:800 nm,G:640 nm,B:550 nm;右 R:PCA2,G:PCA1,B:PCA3)

圖14  手背的PCA變化前影像合成圖

(左 R:800 nm,G:640 nm,B:550 nm;右 R:PCA2,G:PCA1,B:PCA3)

圖15  肢體的PCA變化前影像合成圖

(左 R:800 nm,G:640 nm,B:550 nm;右 R:PCA2,G:PCA1,B:PCA3)

通過對比分析圖12-圖15可知,利用成像高光譜原始影像數(shù)據(jù)進(jìn)行波段組合時(shí),其無法較為清晰地看到秦俑各部位內(nèi)部的變化規(guī)律,但經(jīng)過PCA變換之后,通過PCA各主成分的波段組合,秦俑各部位內(nèi)部信息的變化能較為清晰的展現(xiàn)出來。

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