中波红外多光谱成像技术研究

多光谱成像技术结合成像和光谱测量技术,同时探测目标的光谱和几何特征,在目标识别和抑制背景杂波方面具有技术优势。研制了一套工作于中波红外波段的四通道多光谱成像系统。利用窄带滤光片和面阵探测器技术,构建了基于时序扫描的凝视成像型红外多光谱成像系统。根据红外探测器性能参数,对各个光谱通道的温度灵敏度进行了估算。在系统设计时通过合理地滤光片布局,尽量延长各个光谱通道的信号积分时间,以提高各个光谱通道温度灵敏度。利用研制的中波多光谱成像系统,对室外进行了成像,并对各个通道的成像结果进行了比较分析。     

基于光谱解混的选择性波段子集高光谱异常检测

由于高光谱图像具有高阶性和背景分布特性复杂的特点,这使得现有的算法在解决异常检测问题时存在一些不足。通过分析高光谱图像的光谱特性和空间特性,基于统计学习理论,利用光谱解混技术和子空间划分方法,提出了基于光谱解混的选择性波段子集高光谱图像异常检测算法。该算法首先利用光谱解混技术提取出对背景分布特性有严重影响的端元光谱,由此降低背景干扰突出异常目标信息;在此基础上,利用子空间划分方法将整个波段空间划分为大小不等的多个子空间,并在每个子空间内利用非高斯程度度量准则提取出富含异常目标信息的特征波段;最后,采用KRX算法作为异常检测算子完成异常目标检测。利用真实的高光谱图像对提出的算法进行实验验证,结果表明该算法是有效和合理的,具有良好的异常检测性能。     

基于维纳估计的光谱反射率重建优化算法研究

目的研究光谱反射率重建算法,解决各种物体颜色的光谱反射率重建精度问题。方法通过高精度多光谱成像系统获取实验样本的系统响应值,分光光度计获取样本的光谱反射率,采用Wiener估计法、自适应维纳估计法和提出的优化维纳估计法,对待测样本实验数据进行光谱重建,并评价重建结果。结果在3种光谱重建算法仿真实验中,提出算法的均方根误差平均值为0.0355,平均CIE1976色差为1.4349,优于其他2种算法。结论在光谱重建算法的研究中,基于优化的维纳估计算法可以有效提高光谱的重建精度,可应用于实际的多光谱成像复制中。     

新型多光谱复眼透镜的研制及应用

传统多光谱成像系统通常借助滤光轮来实现光谱的分离。这种多光谱成像系统一次只能获取一个波段的图像,不仅操作不便,集成度也不高。本文基于微细加工技术将镀膜、光刻及光刻胶热熔等多种工艺相结合,实现了带有光阻挡层的紧凑型多光谱复眼透镜的研制。基于该透镜搭建了一台成像系统。成像结果表明,该透镜可以实现预期的色彩分离和多通道并行成像;由于光阻挡层和信号隔离层的作用,最终获得的图像成像效果清晰且各通道间没有干扰。此外,本文对基于该透镜的多光谱成像系统实际应用方面也做了进一步的探讨。实验结果表明,该系统在发现隐藏信息、生物医学成像等方面都具有较大的应用前景。     

光谱重建训练样本选择方法研究

目的研究光谱重建训练样本选择方法及训练样本集样本数量对光谱重建精度的影响。方法以光谱反射率已知的1687个矿物颜料样本为研究对象,搭建真实六通道宽带光谱成像系统并进行标定,利用宽带光谱成像系统对样本进行六通道数字响应值采集并进行校正,通过R-matrix光谱重建方法,对现有以及文中引入和提出的训练样本选择方法的光谱重建精度和计算效率进行比较。结果实验结果表明,分区最大化色域边界描述方法可以较好地应用于光谱成像过程中训练样本选择,其在保证光谱重建精度的同时大大提高了训练样本选择的效率,实验证明文中提出的基于色域最大化思想的训练样本方法,在面向复制的光谱成像流程中也具有一定的实用性。结论研究结果对于光谱成像过程中训练样本选择方法的选择具有一定指导作用。     

宽带多光谱成像系统CCD响应的线性化校正方法

对多光谱成像系统CCD响应特性进行了分析,并提出使用物理阶调模型作为新的线性化校正方法。在分析了数码相机CCD响应值的线性化校正原理和方法的基础上,通过校正精度和光谱重构效果两个方面,将其与传统的多项式模型和指数模型等方法进行了比较分析。实验结果表明,经过线性化校正的各通道的线性相关性进一步增强,其中GOG模型各通道的相关系数值均接近0.996,具有最好的线性校正效果;且GOG模型校正过的RMSE和ΔE值分别降低了37%和61%。因此,采用GOG模型,可以较好地实现CCD响应值的线性化校正,提高多光谱图像获取中光照不均匀性的校正精度和效率。     

猕猴桃挤压损伤高光谱快速检测研究

目的 探究猕猴桃挤压损伤较优的快速无损判别方法。方法 利用高光谱成像系统获得所有猕猴桃的高光谱图像,并提取猕猴桃损伤区域以及完好无损区域的光谱反射率;运用多元散射校正方法对原始反射光谱进行预处理,并运用主成分分析对光谱数据降维;比较并分析Fisher判别分析方法以及简化的K最近邻(Simplified K Nearest Neighbor,SKNN)模式识别方法对猕猴桃挤压损伤的判别效果。结果 在710~850 nm和960~1 030 nm这2个波段内,猕猴桃损伤区域的平均光谱反射率与完好无损区域的平均光谱反射率存在较明显差异;采用主成分分析从256个全波段中筛选了前5个主成分作为新变量,识别模型的检测效率得到了提升;构建的SKNN和Fisher模型对预测集中样本的正确识别率均为93.3%,从SKNN识别模型的混淆矩阵中得出,预测集中仅有2个样本出现误判,并且SKNN模型对校正集中样本的正确识别率高于Fisher模型。结论 在判别猕猴桃挤压损伤时,SKNN识别模型具有相对较好的判别效果。     

基于宽光谱光学遥感图像的细分光谱光学遥感图像的模拟

本文分析了现有遥感图像模拟方法的特点,介绍了地物波谱知识库的建立情况与应用意义,论述了光学传感器的成像特点及地面实测数据与遥感反演数据之间的转换关系.本文在对TM图像的光谱波段进行细划分的基础上,提出利用波谱知识库的数据支持来模拟获取具有更高光谱分辨率的细分光谱光学遥感图像的方法.本方法依据光谱数据库等先验知识的支持,通过遥感成像时辐射传输的模拟运算,在宽光谱光学遥感数据提供的图像纹理信息和地类信息的基础上,获取细分光谱波段的模拟光学遥感图像,同时避免了难以接受的计算量.细分光谱模拟图像的实验结果表明,本方法能够较为可靠的模拟出真实高光谱分辨率图像的信息,模拟方法可信.     

多光谱颜色重建在植物病虫害检测中的应用

为了克服传统RGB三基色相机图像颜色重建的缺点，论文提出用多光谱相机捕获植物光谱图像的方法，根据图像捕获位置和观测位置照明光源的情况重建出植物病虫害的真实色彩。实验利用16个窄带滤光片和黑白面阵CCD摄像机获得植物病虫害的多光谱信息，通过多项式插值拟合出观测目标的光谱曲线。并和PR-715光谱辐射度计进行比较，对重建结果做出分析。试验结果表明16个通道的多光谱图像能够重建出植物病虫害的颜色。     

基于APSO-LSSVM模型的光谱反射率重建算法研究

目的 研究光谱反射率重建算法,提高光谱反射率重建精度.方法 首先通过多光谱相机和分光光度计分别获取Munsell色卡和SG140色卡的通道信息和光谱反射率值,经归一化后将Munsell色卡的通道信息和光谱反射率值作为训练样本的输入和输出.然后,采用APSO算法对LSSVM的最优正则化参数γ和核参数σ进行寻优,构建基于APSO-LSSVM的光谱反射率重构模型.在对模型参数进行寻优过程中,为保持粒子的活性,在粒子群算法中引入自适应惯性权重,并根据遗传算法中的变异思想,加入了变异操作,在普通粒子中引入变异因子.在每次迭代更新中,粒子以一定概率初始化,使粒子群算法可以跳出局部最优解,在较大的空间内进行优化.结果 基于APSO-LSSVM模型对SG140色卡进行光谱反射率重建实验,文中方法的平均色差为0.4677 abΔE?,平均均方根误差为0.0006.相较于最小二乘支持向量模型和反向传播神经网络模型的重构精度均有很大的提高.从显色效果来看,文中方法的显色结果更接近真实颜色,人眼基本上难以察觉到两者间的差异.结论 基于APSO-LSSVM的光谱反射率重建算法可以有效地提高光谱反射率重建精度,实现了利用多光谱相机拍摄的多通道信息重构获得精确的多光谱图像.     

Optimal implementation of a microspectrometer based on a single flat diffraction grating

An analytical model has been developed and applied to explore the limits in the design of a highly miniaturized planar optical microspectrometer based on an imaging diffraction grating. This design tool has been validated as providing the smallest possible dimensions while maintaining acceptable spectral resolution. The resulting planar spectrometer is composed of two parallel glass plates, which contain all components of the device, including a reflective slit and an imaging diffraction grating. Fabrication is based on microelectromechanical system technology and starts with a single glass wafer; IC-compatible deposition and lithography are applied to realize the parts in aluminum, which makes the microspectrometer highly tolerant for component mismatch. The fabricated spectrometer was mounted directly on top of an image sensor and takes up a volume of only 50 mm(3). The measured spectral resolution of 6 nm (FWHM) in the 100 nm operating wavelength range (600-700 nm) is in agreement with a model calculation.     

基于反馈式多光谱成像的纱线颜色测量研究

基于反馈式多光谱成像方法对纱线颜色测量进行了研究。首先建立8通道多光谱成像系统,窄带滤光片由8种不同波长的干涉滤光片组成;然后选择阈值对纱线和背景进行分割,纱线目标信息所占的比例增大可获得最优的分割阈值;最后反馈式非线性求解光谱反射比。实验仿真结果表明:该方法在CIEDE2000色差、均方根误差评价指标方面均优于其他方法。     

红外光谱成像技术检测纺织品上的轮胎痕迹

目的：研究一种显现和提取纺织品上潜在轮胎痕迹的光学方法。方法：利用红外成像光谱仪采集被检纺织品的光谱影像集,并运用去混合（Unmix）方法对光谱影像集进行分析和处理。结果：在被检纺织品上显现了清晰的轮胎痕迹。结论：红外光谱成像技术是检测纺织品上潜在轮胎痕迹的有效光学方法。     

Maximum a posteriori estimation of spectral reflectance from color image and multipoint spectral measurements

Accurate color image reproduction under arbitrary illumination can be realized if the spectral reflectance functions in a scene are obtained. Although multispectral imaging is one of the promising methods to obtain the reflectance of a scene, it is expected to reduce the number of color channels without significant loss of accuracy. This paper presents what we believe to be a new method for estimating spectral reflectance functions from color image and multipoint spectral measurements based on maximum a posteriori (MAP) estimation. Multipoint spectral measurements are utilized as auxiliary information to improve the accuracy of spectral reflectance estimated from image data. Through simulations, it is confirmed that the proposed method improves the estimation accuracy, particularly when a scene includes subjects that belong to various categories.     

基于图谱技术的烟用材料纸质颜色测量系统

目的针对烟用材料纸质样品的颜色测量需求,研发一种基于图谱技术的烟用材料纸质颜色自动测量系统。方法通过相机获取烟用材料纸质样品图像,在图像中选取1个或多个区域作为测量区域,将测量区域位置坐标反馈给电机,电机驱动光谱仪滑动至测量区域,光谱仪获得测量区域的光谱信息,算法模块利用光谱信息进行颜色计算,输出烟用材料纸质样品颜色值。结果此系统大大减少了烟用材料纸质样品颜色检测过程中的人工作业量,实现了自动连续颜色测量。此系统的重复性测试精度都可保持在0.25△E^*_ab内,达到手持式测色设备测量精度。结论实验结果表明,该系统可以实现烟用材料纸质样品颜色精确和稳定的测量,成本低,有广泛的应用前景。     

Channel reduction and applications to image processing

Oftentimes when one is dealing with digital color images it is desired that some sort of image processing be performed on the spatial information. Current methods require that one process each of the channels (also called planes or colors) of an image separately, which increases the number of computations significantly. A novel, to our knowledge, approach to reducing the number of channels in a color image is presented. The channel-reduction process is intended to facilitate such color image-processing situations essentially by the separation of the spectral information from the spatial information, as in a paint-by-numbers picture. In this case the image processing need be applied only to a single channel of data and the color added afterward. With a compression ratio of slightly less than 3:1 the method is not intended to compete with existing compression methods but rather to permit the processing of images in a compressed state.     

Zoom lens design for a novel imaging spectrometer that controls spatial and spectral resolution individually

A novel imaging spectrometer can individually control spatial and spectral resolution by using zoom lenses as the foreoptics of the system and a focusing lens. By varying the focal length we can use the focusing lens to change the spatial and spectral dimensions; with the foreoptics, however, we can change only the spatial dimension. Therefore the spectral resolution and the spectral range are affected by the zoom ratio of the focusing lens, whereas the spatial resolution and the field of view are affected by the multiplication of the zoom ratios of the foreoptics and the focusing lens. By properly combining two zoom ratios, we can control the spectral resolution with a fixed spatial resolution or the spatial resolution with a fixed spectral resolution. For an imaging spectrometer with this novel zooming function, we used the lens module method and third-order aberration theory to design an initial four-group zoom system with an external entrance pupil for the focusing lens. Furthermore, using the optical design software CODE V, we obtained an optimized zoom lens with a focal-length range of 50 to 150 mm. Finally, the zoom system with its transmission grating in the Littrow configuration performs satisfactorily as the focusing lens of an imaging spectrometer in the wavelength range 450-900 nm.     

基于多传感器探测的X射线安检技术研究

针对X射线双能透射和康普顿背散射两种成像方式的各自特点,提出了一种基于互补信息特征的图像融合系统设计方案,可获得综合双能量透射与康普顿背散射双重信息,且高原子序数与低原子序数的两种物质均清晰的彩色融合图像。该融合方法依据冗余性和互补性区域的判断,根据透射和背散射图像中影像的特点,采取不同的融合规则,不仅能够提供一定的被检物品的材料信息和空间位置信息,还可进行相应的色彩警示,从而提高安检设备对违禁物品的探测效能。     

High compressive ghost imaging method based on discrete cosine transform using weight coefficient matching

ABSTRACT

Ghost imaging can capture a scene without directly catching sight of the target, but in the case of high compression ratio, high-quality imaging is challenging at present. Here a ghost imaging method using weight coefficient matching based on discrete cosine transform (DCT) is proposed, in which the high-quality target images can be retrieved by obtaining the larger weight value in one-dimensional (1D) DCT spectrum. In the case of low sampling, the proposed method can not only acquire the spectral coefficients with large weight, but also put them in the correct position; eventually it can obtain the desired image by inverse discrete cosine transform of the spectrum. At the same sampling ratio, both simulation results and optical experiments show that the reconstructed image quality of the proposed method exhibits better performance. In addition, even the sampling ratio is as low as about 3%, the outline of the target image can still be roughly recognized.     

基于数字成像设备的光谱测量精度评价

目的构建基于数字成像设备的光谱测量系统,获得"快速、精确、低成本"的光谱反射比测量结果。方法通过数码相机获取印刷用色表ECI2002的1485个色块的3通道RGB值,根据与待测样本的相似程度对训练样本赋予不同的权重,并引入空间向量余弦度,对可以表征颜色信息的光谱反射比进行重建;同时,针对该测色系统进行镜头畸变校正、光源均匀性校正以及重复性校正。结果在训练样本数为10时,平均色差可以控制在0.62以下,均方根误差可以控制在0.01以下,运算时间可以控制在1 min内。结论构建的数字成像测量系统既可以提高测量精度,又可以提高测量效率,具有工程应用价值。