汪麗霞

多光譜成像技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，早期應(yīng)用于遙感、地面軍事等領(lǐng)域，隨著半導(dǎo)體光電探測(cè)器的出現(xiàn)，多光譜成像技術(shù)迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到藥物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品工程、農(nóng)業(yè)、印刷等領(lǐng)域。

多光譜成像技術(shù)作為新一代光電探測(cè)技術(shù)，全稱為多通道光譜成像技術(shù)，是利用分光元件對(duì)目標(biāo)樣品進(jìn)行多通道成像。每個(gè)通道獲取的圖像具有較高的光譜分辨率，代表了目標(biāo)樣品在此通道上的光譜反射情況。這種方法具有精度高、非接觸測(cè)量、視場(chǎng)大、景深長(zhǎng)、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，已然成為了印刷行業(yè)一大研究熱點(diǎn)。

多光譜成像系統(tǒng)構(gòu)成

多光譜成像系統(tǒng)（如圖1所示）包括：光源（Illumination）、由一組濾光片組成的濾光片輪（也稱作色輪）（Color Filter Wheel）、鏡頭（Lens）、CCD（Charge-Coupled Device）相機(jī)及計(jì)算機(jī)控制臺(tái)。對(duì)光源的要求是輻射光譜在可見光范圍內(nèi)連續(xù)，常用的光源有D50光源和A光源；濾光片輪是用來構(gòu)成多個(gè)通道的光譜信息（如果分別在多種光源下成像，可以在通道數(shù)不變的情況下減少濾光片的數(shù)量）；CCD相機(jī)是系統(tǒng)常用的圖像輸入設(shè)備。

多光譜成像系統(tǒng)的分類

由多通道數(shù)字相機(jī)構(gòu)成的光譜成像系統(tǒng)通過濾光片獲取不同波段上的圖像信息，形成多通道的圖像輸出。這種光譜成像系統(tǒng)根據(jù)濾色片的設(shè)計(jì)不同，可分為兩大類：窄帶成像系統(tǒng)和寬帶成像系統(tǒng)。

1.窄帶成像系統(tǒng)

窄帶成像系統(tǒng)由單色數(shù)字相機(jī)和窄帶采樣濾光片構(gòu)成。通常濾光片輪采用液晶可調(diào)濾光片系統(tǒng)（Liquid Crystal Tunable Filter，簡(jiǎn)稱LCTF）。LCTF的感光范圍被限定在可見光波長(zhǎng)范圍內(nèi)，各濾光片的透射率峰值被設(shè)定為互相間隔大約10納米。單色相機(jī)通過依次使用不同的濾光片進(jìn)行圖像拍攝，獲得同一景物的30多幅單色圖像，并輸出為相機(jī)色空間的多通道圖像。

2.寬帶成像系統(tǒng)

窄帶成像系統(tǒng)采樣間隔小，因此數(shù)據(jù)量大，處理工作量也大。寬帶成像系統(tǒng)增大了采樣間隔，其構(gòu)成主要有兩種方式：一種方式類似窄帶成像系統(tǒng)，用單色相機(jī)加少量寬帶濾光片組構(gòu)成系統(tǒng)，每組寬帶濾光片可用1～3種窄帶濾光片進(jìn)行組合，固定在濾光片輪盤上。圖2為一個(gè)六孔濾光片輪盤。

寬帶系統(tǒng)的另一種構(gòu)成方式是為現(xiàn)有的三色RGB數(shù)字相機(jī)加濾光片。通過為三色相機(jī)加或不加濾光片，或者為三色相機(jī)加兩種或多種濾光片，可以形成6通道或更多通道光譜成像系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用現(xiàn)有的專業(yè)數(shù)字相機(jī)，系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單，系統(tǒng)控制較采用輪盤變換的方法更容易，也更加實(shí)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，成像系統(tǒng)的選用需要綜合考慮諸多因素，如系統(tǒng)輸出圖像的質(zhì)量、系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和造價(jià)、控制系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度、圖像獲取所需時(shí)間、數(shù)據(jù)所需存儲(chǔ)空間、系統(tǒng)使用的便利性、系統(tǒng)軟硬件的可維護(hù)性、系統(tǒng)復(fù)制的復(fù)雜度等。

多光譜成像關(guān)鍵技術(shù)

多光譜圖像需用光譜成像系統(tǒng)獲取，并通常由多通道數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)完成這一工作。當(dāng)多通道數(shù)字相機(jī)拍攝場(chǎng)景圖像后，其輸出并非多光譜圖像，而是與相機(jī)所用顏色空間相關(guān)的多通道圖像。該圖像包含場(chǎng)景的環(huán)境光照、景物的光譜反射特性、相機(jī)的光譜靈敏度以及相機(jī)濾光片的光譜透射率等多方面的信息，需要進(jìn)行處理，涉及到圖像的融合、光譜反射率的重建和圖像的降維等技術(shù)。

1.多光譜圖像的融合

多光譜圖像融合是指將從多光譜探測(cè)器獲得的同一場(chǎng)景的多光譜圖像的信息特征組合到一起，利用它們?cè)跁r(shí)空上的相關(guān)性及信息上的互補(bǔ)性，得到對(duì)景物更全面、清晰的描述。比如，紅外圖像和可見光圖像之間具有互補(bǔ)性：對(duì)人眼來說，可見光具有豐富的細(xì)節(jié)和敏銳的色感，但它在惡劣的氣候下對(duì)大氣的穿透能力較差，在夜間的成像能力較差；而紅外光正好相反，它在云霧等氣象條件下穿透能力相當(dāng)強(qiáng)，在夜間由于不同景物之間存在著溫度差，因此所成的圖像仍能顯示景物的輪廓，但其成像的分辨率則較低。

像素級(jí)圖像融合的基本流程包括圖像預(yù)處理和融合算法及結(jié)果顯示，如圖3所示為兩幅圖像融合的一般流程，而對(duì)于多幅圖像，可以先融合兩幅圖像，再將融合結(jié)果與其余圖像逐一融合，得到最終的融合結(jié)果。

對(duì)于像元級(jí)圖像融合，預(yù)處理部分通常包括圖像校正、圖像降噪以及圖像配準(zhǔn)。從具有畸變的圖像中消除畸變的過程稱為圖像校正，主要是針對(duì)失真的圖像進(jìn)行的一種復(fù)原性處理，分為幾何校正和輻射校正。圖像降噪則是為了提高待融合圖像的質(zhì)量。而圖像配準(zhǔn)則可以定義為：從不同探測(cè)器、不同時(shí)間、不同角度獲得的兩幅或多幅圖像之間的最佳匹配。

圖像融合的方法有很多，大致上可以分為以下幾類：基于顏色空間變換的融合方法，典型的有HIS變換的融合方法；基于多尺度變換的融合方法，如小波變換、拉普拉斯變換等；基于加權(quán)平均的融合方法；還有邏輯濾波方法、數(shù)學(xué)形態(tài)法、模擬退火法等。

2.光譜反射率的重建

多光譜圖像采集系統(tǒng)采集到的多光譜圖像，需要有相應(yīng)的光譜估計(jì)算法重建出物體表面的光譜反射比。

根據(jù)理論基礎(chǔ)或原理不同，可以將光譜反射率重建技術(shù)分為3類：

①直接重建法：通過對(duì)多光譜相機(jī)系統(tǒng)的整體靈敏度求逆運(yùn)算來直接重建。整體靈敏度即光譜特征是光源的光譜分布、濾色片光譜透射率和傳感器光譜響應(yīng)的矩陣之乘。當(dāng)前具體的重建方法主要有偽逆法、平滑求逆法、Winer求逆法、Hardeberg法等。

②插值重建法：相機(jī)的響應(yīng)值可以用插值的方法來求得一個(gè)近似的光譜反射率。此類方法主要有三樣條插值、改進(jìn)的離散正弦變換法等。

③間接重建法：也被稱作基于學(xué)習(xí)的光譜重建法。這種方法一般先用一個(gè)校正對(duì)象來建立相機(jī)響應(yīng)值和光譜反射率之間的轉(zhuǎn)換，然后其他對(duì)象的相機(jī)響應(yīng)值就能夠轉(zhuǎn)換到光譜反射率。間接重建法主要有主成分分析法、R矩陣法等，是當(dāng)前光譜重建時(shí)最常用的光譜算法。

3.多光譜圖像降維

多光譜圖像包含空間維和光譜維信息，具有波段眾多、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，這給數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸帶來很大的困難。如何有效地降低多光譜圖像的維數(shù)，減少數(shù)據(jù)量是一項(xiàng)非常重要的工作?，F(xiàn)有的降維方法，可以分為兩類：

一類是基于變換的方法，如主成分分析、正交子空間投影、正則分析和離散小波變換等?；谧儞Q的降維方式的優(yōu)點(diǎn)是可以經(jīng)過若干變換直接將高維數(shù)據(jù)降低到幾維甚至一維，降維速度快；缺點(diǎn)是對(duì)圖像進(jìn)行了變換，改變了圖像原有的特性。

另一類是基于非變換的方法，如波段選擇、數(shù)據(jù)源劃分等?；诜亲儞Q的降維方式是在考察圖像整體特點(diǎn)之后對(duì)圖像進(jìn)行選擇和劃分的，它克服了變換法改變圖像特性的缺點(diǎn)，因此更有利于保持圖像的原有特性。

多光譜成像技術(shù)在印刷行業(yè)中的應(yīng)用

眾所周知，傳統(tǒng)的印刷色彩復(fù)制技術(shù)普遍存在“同色異譜現(xiàn)象”，即視覺上相同的顏色所對(duì)應(yīng)的光譜可能截然不同，一旦照明光源改變，原來兩個(gè)視覺上相同的顏色可能變得不同了。也就是說，只有在顏色的樣本尺寸、樣本形狀、樣本表面特性以及周圍環(huán)境、照明條件等因素都相同的觀察條件下，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)制品顏色和參考樣一致。而多光譜成像技術(shù)，突破了傳統(tǒng)印刷顏色復(fù)制中原色油墨數(shù)量的限制，具有更大的色域，能夠真正做到“所見即所得”，在高保真印刷、跨媒體出版、色彩管理等方面具有很好的表現(xiàn)。

1.高保真印刷

多光譜技術(shù)在高保真印刷中的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在：一是采用光譜數(shù)據(jù)對(duì)光源的顯色性進(jìn)行分析和修正，最大程度地消除由光源因素所導(dǎo)致的顏色復(fù)制失真問題；二是多基色印刷中，基于光譜的油墨選擇，尤其是確立藝術(shù)品、文物等最佳印刷復(fù)制基色；三是使用光譜數(shù)據(jù)優(yōu)化油墨集，擴(kuò)展印刷色域，最大程度地消除印刷中的“同色異譜”現(xiàn)象；四是利用多基色光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色疊加或分色計(jì)算，能極大地提高計(jì)算精度。

2.跨媒體出版

跨媒體出版技術(shù)通過建立紙質(zhì)媒體、電子媒體和網(wǎng)絡(luò)媒體基本要素的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和描述方法，重構(gòu)圖文音像內(nèi)容的頁(yè)面描述、配置、關(guān)聯(lián)、管理與資源化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顏色數(shù)字化的實(shí)時(shí)、彩色、多樣和個(gè)性化的輸出與再現(xiàn)。由于多光譜顏色復(fù)制技術(shù)采用唯一的光譜數(shù)據(jù)標(biāo)定顏色，基本不受具體光源、周圍環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)觀察者等因素的制約，一種環(huán)境下的光譜反射率或透射率能預(yù)測(cè)或反演至另一種環(huán)境下，因此更利于實(shí)現(xiàn)顏色的跨媒體復(fù)制。

3.色彩管理

當(dāng)前流行的ICC色彩管理技術(shù)，基于“色度真實(shí)”，由于同色異譜現(xiàn)象，使用一般的高精度照相機(jī)或掃描儀不能保證復(fù)制品在各種光源下的顏色與原稿一致，不能真正實(shí)現(xiàn)顏色的精確再現(xiàn)；基于色貌模型的色彩管理系統(tǒng)由于參數(shù)較多、計(jì)算復(fù)雜和應(yīng)用條件嚴(yán)格，難以應(yīng)用推廣；而基于多光譜的色彩管理系統(tǒng)通過測(cè)量目標(biāo)上每點(diǎn)的光譜反射率，再使用基于多光譜的顏色復(fù)制技術(shù)得到復(fù)制品，可以在各種光源下達(dá)到非常高的顏色真實(shí)性，可解決色貌模型的一些應(yīng)用困難，提高復(fù)制精度，是實(shí)現(xiàn)高保真印刷和跨媒體出版的關(guān)鍵，具有廣泛的應(yīng)用與發(fā)展前景。

小結(jié)

由于多光譜成像技術(shù)不僅能夠獲得物體的空間維信息，而且還可以獲得物體表面的每個(gè)像素的光譜維信息，近些年該技術(shù)成為相關(guān)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)，但其仍存在一些問題：①在進(jìn)行圖像采集時(shí)，物體表面光源照度的均勻性和穩(wěn)定性直接影響到采集結(jié)果及后續(xù)光譜重建的精確度；②往往由于噪聲干擾、系統(tǒng)離焦、平臺(tái)抖動(dòng)等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)像質(zhì)下降；③光譜通道太多，影響圖像采集的速度和增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性；④采用專業(yè)的圖像傳感器CCD采集圖像，使得系統(tǒng)的成本過高；⑤尚沒有形成一個(gè)有效的顏色管理數(shù)據(jù)鏈，使得基于多光譜的色彩管理技術(shù)距實(shí)用尚有一定的差距。相信這些問題將為多光譜成像技術(shù)相關(guān)研究開啟更多的方向。