基于样本优化和主成分分析的多通道拉曼光谱重建及其快速成像

拉曼成像是一种无损伤、无需标记的光谱成像技术,在生物医学领域得到了广泛的应用。然而,由于大多数生物样本中的自发拉曼信号都很弱,为了获得较好的成像结果,需要较长的时间来获取高信噪比的拉曼光谱,严重影响了拉曼成像的时空分辨率,阻碍了其在快速动态体系中的应用。多通道拉曼成像是解决这一问题的有效途径之一,在多通道拉曼成像技术中,完整拉曼光谱的标定-重建算法是关键。目前,适用于光谱重建的算法有伪逆法、 Wiener估计算法等,这些方法虽然简单且易于实现,但是在应用于多通道拉曼成像时,一方面易受噪声、振动等非线性因素的直接干扰,另一方面在多通道拉曼成像中,数量相对较少的训练样本和坏样本的存在均很容易影响重建效果。为解决这两类因素的影响,本文提出了一种基于训练样本优化和主成分分析(PCA)的拉曼光谱重建算法。首先,利用滤光片理论响应矩阵函数计算训练样本的模拟窄带测量值,借助Wiener估计重建完整拉曼光谱,得到重建光谱的模拟窄带测量值,比较样本与重建光谱的窄带测量值,完成训练样本的优化;然后,基于多项式回归,拓展优化处理后的窄带测量值,降低非线性因素的干扰;最后,利用主成分分析,提取训练样本主要信息,完成转移矩阵的计算,并引入归一化处理,实现拉曼光谱的快速重建。在试验中,选取有机玻璃(PMMA)作为实验样本,利用伪逆法、 Wiener估计算法和本算法,分别完成拉曼光谱重建。采用均方根误差,评价拉曼光谱的重建精度。结果证明,该算法优于传统算法,为拉曼成像技术进一步在快速动态体系中的应用提供了理论支持。     

基于核映射多光谱特征融合的高光谱遥感图像分类法

多光谱遥感图像的波段设定在理论和实践上都极具地物针对性,在更有效的数据挖掘方法帮助下可以提取足够的光谱特征以区分地物,本文将光谱匹配技术用于相似性度量,以提高分类准确度.首先选定光谱角制图、光谱相关制图、Mahalanobis距离、光谱相似度和光谱信息差异做为光谱度量;随后选择高斯核函数,在选定核函数之后,得到了核映射下的光谱特征度量来挖掘高光谱遥感数据的光谱特征.最后采用核映射多光谱特征融合法对多光谱遥感图像光谱特征的相似性进行描述,得到基于核映射多光谱特征融合的高光谱遥感图像分类算法.使用MATLAB中的LIBSVM工具箱对AVIRIS高光谱遥感数据进行分类实验,并与已有算法进行对比,结果表明本文提出的算法具有较高的分类准确度和性能.     

基于新型光谱相似度量核的高光谱异常检测算法

提出一种新型光谱相似度量核函数,并应用于高光谱异常检测.由于高斯径向基核函数是基于光谱向量间欧式距离的度量,其对于光谱向量间距离变化的适应性较强,而对于因光照强度变化,阴影和遮挡等引起的同种地物光谱变化的适应性较弱,使得基于高斯径向基核的高光谱异常检测算法性能下降.为解决该问题,从光谱曲线形状描述出发,基于光谱相似度量提出了光谱相似度量核函数.通过理论分析和真实高光谱数据异常检测实验检验,实验结果说明相对于高斯径向基核函数,光谱相似度量核函数具有一定的优越性,能改善基于核方法的高光谱异常检测算法的性能.     

基于新型光谱相似度量核的高光谱异常检测算法

提出一种新型光谱相似度量核函数,并应用于高光谱异常检测.由于高斯径向基核函数是基于光谱向量间欧式距离的度量,其对于光谱向量间距离变化的适应性较强,而对于因光照强度变化,阴影和遮挡等引起的同种地物光谱变化的适应性较弱,使得基于高斯径向基核的高光谱异常检测算法性能下降.为解决该问题,从光谱曲线形状描述出发,基于光谱相似度量提出了光谱相似度量核函数.通过理论分析和真实高光谱数据异常检测实验检验,实验结果说明相对于高斯径向基核函数,光谱相似度量核函数具有一定的优越性,能改善基于核方法的高光谱异常检测算法的性能.     

核覆盖算法在光谱分类问题中的研究

针对光谱分类,提出了一种基于核技巧的覆盖算法——核覆盖算法。该算法将核技巧与覆盖算法相结合,并在特征空间中抽取支持向量。实验表明核覆盖算法在光谱分类中的精度与SVM相差不大,但是它只涉及距离的计算,不必象SVM那样求解二次规划问题,对于核宽的选择也不象SVM那样非常敏感。核覆盖算法与覆盖算法相比分类性能相当,它的优势在于引入的非线性映射Φ改变了样本集在特征空间中之间的距离关系,使得核覆盖算法得到的支持向量个数大大少于覆盖算法。     

基于小波核偏最小二乘回归方法的混沌系统建模研究

基于核学习的强大非线性映射能力,结合用于回归建模的线性偏最小二乘(PLS)算法,提出一种小波核偏最小二乘(WKPLS)回归方法. 该方法基于支持向量机使用的经典核函数技巧,将输入映射到高维非线性的特征空间,在特征空间中,构造线性的PLS回归模型. PLS方法利用输入与输出变量之间的协方差信息提取潜在特征,而可允许的小波核函数具有近似正交以及适用于信号局部分析的特性. 因此,结合它们优点的WKPLS方法显示了更好的非线性建模性能. 将WKPLS方法应用在非线性混沌动力系统建模上,并与基于高斯核的核偏最小二乘 关键词： 小波核 偏最小二乘回归 混沌系统 建模     

具有颜色恒常性的光谱反射率重建

给定物体三刺激值,重建物体反射率在跨媒体颜色复制领域有着重要应用.常见的重建反射率算法包括基向量法、维纳估计法、加权伪逆方法等,这些方法大多都是为了建立由低维度三刺激值或者RGB向高维度光谱反射率的映射关系,以重建的反射率与原始反射率的接近程度为评价指标,并且需要光谱反射率数据进行训练.但是很多工业领域在产品设计时都需...     

基于光谱区分法的高光谱核异常检测算法

为了解决高光谱目标检测中高斯径向基核、光谱相似度量核难以同时描述光谱曲线整体及局部特性的问题,利用光谱信息散度与梯度角正切相结合的光谱区分方法构造了一种新的核函数.对真实机载可见红外成像光谱仪高光谱数据进行高光谱核异常检测,得到二值图及接收机操作特性曲线.结果表明,在低虚警率下,相比于高斯径向基核、光谱相似度量核,本文所提出核函数在高光谱核异常检测中准确度与清晰度更高.     

支持向量机复合核函数的高光谱显微成像木材树种分类

采用体视显微高光谱成像方法,构建木材树种分类识别模型。利用SOC710VP体视显微高光谱图像采集系统获取可见光/近红外（372.53～1 038.57 nm）波段内的木材高光谱图像。首先,采用ENVI软件提取木材样本感兴趣区域（ROI）的平均光谱,分别采用连续投影算法（SPA）和竞争性自适应重加权算法(CARS)对光谱数据进行降维。再利用支持向量机（SVM）分别建立木材样本采集波段和特征波长下的分类模型。然后,在空间维采用第一主成分图像,计算基于灰度共生矩阵（GLCM）的木材纹理特征。在0°,45°,90°和135°四个方向计算能量、熵、惯性矩、相关性等16个特征参数后输入SVM进行木材树种分类处理。最后,采用四个复合核函数SVM进行光谱维和空间维的特征融合及分类识别。20个树种的分类实验结果表明,CARS的特征波长选择效果和运行速度较好一些,采用普通SVM进行木材光谱维特征分类处理时,测试集分类准确率达到了92.166 7%。采用基于GLCM的木材空间维纹理特征时,采用普通SVM的测试集分类准确率是60.333 0%,具有较低的分类精度。在将光谱维和空间维纹理特征进行数据融合及分类处理时,采用复合核函数SVM分类具有更好的效果。采用第二个复合核函数的SVM分类精度最高,测试集分类正确率是94.166 7%,运行时间为0.254 7 s。另外,采用第一个和第三个复合核函数的SVM的测试集分类准确率分别是93.333 3%和92.610 0%,运行时间分别为0.180 0和0.260 2 s。可以看出,采用这3种复合核函数的SVM进行木材树种分类,分类精度都高于采用普通SVM的光谱维或者空间维的分类识别精度。因此,利用体视显微高光谱成像和复合核函数SVM可以提高木材树种分类精度,为木材树种快速分类提供了参考。     

基于广义判别分析的光谱分类

提出了基于广义判别分析(generalized discriminant analysis, GDA)方法对恒星(Star)、星系(Galaxy)和类星体(Quasars)的光谱进行分类。广义判别分析将核技巧与Fisher判别分析结合起来,通过非线性映射将样本集映射到高维特征空间F,在F空间中进行线性判别分析。实验对比了LDA, GDA, PCA, KPCA算法对于恒星、星系和类星体的光谱分类性能。结果表明基于GDA的算法对于这3种类型光谱的分类正确率最高,LDA次之;尽管KPCA也是一种基于核的方法,但是选择主成分个数较少时效果较差,甚至低于LDA;基于PCA的分类效果最差。     

基于主成分分析的光谱重建训练样本选择方法研究

训练样本构成是影响光谱重建精度的一个重要因素,针对学习型光谱重建算法中训练样本选择问题,提出了一种基于主成分分析的训练样本选择方法。为了保证训练样本与重建样本的相似度,首先根据欧式距离最小原则从待选样本集中选择与重建样本相机响应值相似的样本,并去掉其中的重复样本;然后进行主成分分析;设定阈值筛选各主成分系数较大的样本作为训练样本,最后得到与主成分个数相同的训练样本子集。为验证该方法的有效性,通过在镜头前加载宽带滤色片搭建多通道图像获取系统采集多通道图像信息,将得到的各样本子集用作训练样本,利用伪逆法重建光谱信息,最后将重建的光谱精度与常用的训练样本及训练样本选择方法得到的重建光谱精度进行比较。实验结果表明：提出的方法显著提高了光谱重建的色度精度和光谱精度,优于常用的样本选择方法,能较大程度满足高精度颜色复制要求。     

基于遗传算法选择多光源下的光谱反射率重构研究

为解决基于RGB三通道信息值重构光谱反射率精度不理想的问题,提出了一种优化的基于RGB三通道信息的光谱反射率重构算法。首先编码产生随机选择多个光源的个体,RGB三通道值通过多项式回归算法预测多个光源下的三刺激值,并采用伪逆法进行多光源下的光谱反射率重构,然后将样本的重构精度作为个体的适应度评估值,以优胜劣汰,适者生存为原则对个体进行选择、交叉、变异操作,最后得到适用于颜色样本光谱重构的多个光源与基于这些光源重构得到的光谱反射率。实验选用Munsell颜色集作为训练样本集,RC24色卡、SG140色卡作为检测样本集,8个标准光源和82个发光二极管光源作为实验光源,采用该算法从90个光源中选取最优的光源组合并重构得到样本的光谱数据,并与Zhang提出的基于穷举法选择的多光源下的光谱重构方法和A光源下的伪逆法进行了重构精度对比。实验结果显示该研究提出的方法随着光源个数的增加,光谱反射率重构精度提高,特别是光源个数增加到3时,光谱重构精度提高的幅度最大。在三种重构方法中,该方法重构RC24的平均色差和平均光谱均方根误差分别为0.332 4和0.002 9,而Zhang的方法与伪逆法的平均色差分别为0.429 3和3.266,平均光谱均方根误差分别为0.029 7和0.004 8;该文方法重构SG140的平均色差和平均光谱均方根误差分别为0.486 2和0.007 3,而Zhang的方法与伪逆法的平均色差分别为0.544 8和3.821 9,平均光谱均方根误差分别为0.035 6和0.013 3。结果表明基于多光源下的光谱反射率重构精度明显优于基于单个光源下的重构精度,而基于遗传算法的多光源选择方法又优于穷举法,它能够根据颜色样本自动寻找到最优光源组合,从而基于最优多光源下的三刺激值重构样本的光谱反射率,提高了光谱反射率重构的精度。     

卷积神经网络用于近红外光谱古筝面板木材分级

目前,我国乐器制作行业在古筝面板用木材等级的筛选上主要依赖于技师主观评判,但此法缺少科学理论的依据,效率低,客观性及出材率的提高等方面受到限制,无法满足乐器市场的大量需求。实现古筝面板用木材快速、智能化的分级工作是一个急需解决的课题。近红外光谱非常适用于测量含氢的有机物质。古筝面板木材主要化学成分的化学键均由含氢基团组成,不同等级板材的化学成分存在差异,这些差异反映在近红外光谱中,为判断木材等级提供了可能。同时卷积神经网络对非线性数据具有较强的特征提取能力,所以提出一种应用卷积神经网络模型对光谱数据进行分析的方法,进而判别木材的等级。应用了Savitzky Golay一阶、二阶微分两种预处理方法和核主成分分析、连续投影算法两种数据压缩方法,通过所设计的卷积神经网络模型以样本识别准确率和模型构建过程中的损失值作为判定指标选出最佳预处理和数据压缩方法。为了提高模型提取分析光谱数据的能力和避免过拟合现象,应用了多通道卷积核、批量归一化和early stopping策略,将通过两层卷积层提取的特征信息送入全连接层,从而充分提取剩余信息,通过Softmax函数获得板材的最终预测等级,从而确定了最终模型。最终Savitzky Golay一阶微分和核主成分分析为最佳数据处理方法,同时得出用于区分不同等级的古筝面板用木材的主要关键谱带,分别为1 163~1 243, 1 346~1 375和1 525~1 584 nm。将该模型应用于测试集样本,古筝面板用木材的等级识别准确率为95.5%。实验结果表明所提出的方法可以高效地处理光谱数据,有效识别区分不同等级的古筝面板用木材的关键特征,从而为广阔的乐器市场提供一定的技术支持。     

高光谱的刺五加黑斑病的早期检测研究

对感染黑斑病的刺五加叶片进行光谱特性研究,能为药用植物病害的早期筛选与精准治疗提供重要研究资料。实验目的,运用高光谱成像技术实现植物病害的自动监督分类与识别。实验过程,首先使用高光谱成像系统在可见光波段（380～960 nm）内采集刺五加黑斑病的叶片样本,光谱数据经过去除亮暗噪声和平滑预处理后,再经过主成分分析实现数据降维,继而运用基于不同核函数的支持向量机法建立分类模型,最后利用总体分类精度、Kappa系数等因子评价不同核函数对分类器性能的影响。根据叶片表面的特征将其分为四类样本：健康亮部、健康暗部、轻度病害和重度病害等。对比各类样本的光谱可知,刺五加的健康样本在540 nm波长存在一个明显峰值,在620～680 nm光谱曲线急剧上升;而病害样本的光谱反射率呈现缓慢且平稳的上升趋势,上述特征能够将图像空间上反射强度接近的健康亮部和严重病害完全区分开。经对比发现前四个主成分（PC1,PC2,PC3,PC4）在分类表达上存在差异,主要表现为PC1含有的信息多,能够较好地区分各类样本;PC2则出现健康亮部和严重病害的交叉混淆;PC3是对于PC2的补充,能基本完整地表达轻微病害;PC4的贡献率仅有0.19%,依然能够准确地识别严重病害。不同主成分分量在表达各类样本特征中存在的差异能够作为复杂样本分类的参考依据。对比四种核函数对支持向量机分类器性能的影响,结果显示线性核函数的识别过程受光强反射的影响较大,Sigmoid核函数的训练精度易受数据集大小的影响,在识别健康亮或暗,以及轻微病害上均存在一定的误差,多项式核函数与径向基核函数的效果较好,其中,多项式核函数的精度更高,为92.77%。研究表明,利用高光谱成像技术能够准确地识别刺五加的健康叶片和患病叶片,为实现自动诊断药用植物叶片病害提供新方法。     

拉曼光谱结合模式识别方法用于大豆原油掺伪的快速判别

大豆原油是我国的战略储备物资,然而目前储油市场上频繁出现大豆原油掺混的现象严重影响了食用油储备安全。基于此,通过大豆原油与部分植物精炼油拉曼谱图的特征差异,并结合主成分分析-支持向量机(PCA-SVM)模式识别建立了大豆原油是否掺伪的快速判别方法。以28个大豆原油、46个精炼油、110个掺伪油的拉曼谱图为模型样本;选择位于780～1 800 cm-1波段的谱图,预处理方法同时采用Y轴强度校正、基线校正和谱图归一化法;在此基础上应用PCA法提取特征变量,即以贡献率最高前7个主成分为变量进行SVM分析。SVM校正模型的建立是以随机选取的20个大豆原油和75个掺伪油样组成校正集,以8个大豆原油和35个掺伪油样组成验证集,分别运用并比较四种核函数算法建立的大豆原油SVM分类模型,并采用网格搜索法(grid-search)优化模型的参数,以四种模型的分类性能作为评判标准。结果表明：应用线性核函数算法构建的SVM分类模型可以很好地完成掺伪大豆原油的判别,校正集识别准确率达到100%,预测结果的误判率为0,判别下限为2.5%。结果表明应用拉曼光谱结合化学计量学能够用于大豆原油掺伪的快速鉴别。拉曼光谱简便、快速、无损、几乎没有试剂消耗,适合现场检测,从而为大豆原油的掺伪分析提供了一种新的备选方法。     

基于压缩感知的反射光谱重构算法研究

光谱反射率描述物体的表面颜色特征,为了能够获取物体自身更加精确的颜色信息,在图像处理领域光谱反射率重构成为了关注的话题。反射光谱重构算法是对实验物体表面在可见光范围内每一波长处的光谱反射率进行重构,以达到提高物体自身颜色准确复制的精度,最后建立相应的反射光谱。尝试将压缩感知(CS)理论应用到光谱实验中,对光谱反射率进行重构。首先是介绍了压缩感知理论知识,然后把压缩感知理论与光谱反射率原理相结合,根据基于压缩感知的光谱反射率重构的理论框架,选取合适的采样值,压缩感知的采样值即压缩值,小波基作为正交矩阵,高斯随机矩阵作为测量矩阵,正交矩阵与测量矩阵需要保证具有不相关性,将原始光谱反射率从高维到低维进行线性投影,得到低维的观测信号,运行简单的正交匹配追踪算法(OMP)对低维的观测信号进行由低维到高维的高精度重构,重构得到的光谱反射率与原始光谱反射率具有相同的维度,最后将压缩感知重构算法与传统的光谱反射率重构算法伪逆法与多项式回归法进行比较。经过压缩感知重构算法得到的色差值与均方根误差值都小于伪逆法和多项式回归法重构的结果,经压缩感知的重构精度明显提高;经压缩感知重构的光谱曲线可以达到或者更接近原始光谱曲线的峰值,整体效果更接近原始光谱曲线;经多项式回归法和伪逆法重构的光谱曲线达不到原始峰值,整体上存在偏差。可以认为压缩感知用低采样的数据达到了全采样的效果,提高了光谱反射率重构的精度。基于压缩感知的光谱反射率重构算法效果明显优于传统的多项式回归法和伪逆法,可以将压缩感知理论应用到实际的多光谱成像系统中。     

高光谱图像与稀疏核典型相关分析冷鲜羊肉新鲜度无损检测

羊肉新鲜度受多种因素影响，通常由多个指标来综合评价，常规试验操作复杂不适合在线检测。高光谱成像数据能够反映羊肉新鲜度变化过程中多种成分的变化信息，但是光谱特征提取与评价模型的建立对最终结果影响较大。为了研究高光谱成像与多指标的快速检测羊肉新鲜度的可行性，提出一种稀疏核典型相关分析方法，借助实验室测定的多个标准值，研究多指标的羊肉新鲜度无损检测。采集了70个代表各级新鲜程度的羊肉样本400~1 000 nm高光谱图像，采用实验室方法测定了挥发性盐基氮(TVB-N)和菌落总数(TAC)标准值，选择感兴趣区域(ROIs)提取代表性光谱图像，利用所提出的特征提取方法提取光谱特征信息，并按照3:1划分校正集和预测集，利用三层神经网络进行分类识别试验。结果表明，新鲜度等级分类总体精度(OA)为0.939 3，Kappa系数为0.906 0，均方根误差(RMSEC)为0.297。研究表明，所提出的多指标光谱特征提取方法可用于快速无损检测羊肉新鲜程度，为采用高光谱成像综合多个新鲜度检测指标，改善由于单一检测指标造成评价模型的适用性和鲁棒性提供了基础。     

基于多标签共享子空间学习和内核脊回归的空谱分类算法

针对高光谱图像维度高、地物间非线性可分造成的分类精度低等问题,提出一种基于多标签共享子空间和内核脊回归的空谱分类算法.该算法利用内核脊回归将地物相近像素在线性空间的不可分特征映射到高维空间中,实现分类特性在高维空间下的有效分离,以提高地物相近特性的区分精度;同时将高维样本数据映射到低维共享子空间中,在低维环境下以多类标为指导,引入低秩矩阵建立类别标签与共享空间的预测关系,挖掘多标签间的共同特性,提高融合利用多类别间的共同属性提高高光谱图像的分类精度;最后利用奇异值分解迭代法求解目标函数,一定程度上加速参数求解.在Indian Pines和Pavia University两组高光谱数据集上进行仿真实验,实验结果表明,与其他同类算法相比,在低样本比例下,本文算法在总体分类精度、平均分类精度和Kappa系数等评价指标上至少提高4.76%、4.24%和5.19%,与非内核化的算法相比,本文算法在基本不增加运行时间的情况下总体分类精度、平均分类精度和Kappa系数至少提高2.92%、2.8%和3.48%.     

结合SNV的分段直接标准化方法在拉曼光谱模型传递中的应用

为了实现拉曼光谱在不同仪器上的模型传递,文章提出了一种改进的分段直接标准化算法.该方法先利用标准正态变换法对光谱数据进行处理,以减少源机与目标机之间的光谱背景与强度影响,再采用分段直接标准化算法消除不同仪器间对样本信息反应差异,实现拉曼光谱的全谱传递.此外,还提出了传递误差率指标用于对光谱传递效果的定量评价.针对汽油拉...