基于多光谱成像的绘画颜料识别系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种基于多光谱成像的绘画颜料识别系统，该系统包括照明光源、带通滤光片组和相机，所述带通滤光片组由多个对应不同谱段的光学滤光片组成，所述相机与图像处理单元相连；照明光源用于向待测绘画发出照明光线，待测绘画反射的光线穿透光学滤光片后进入相机。本实用新型专利技术解决了现有的基于化学分析或基于光与物质交互作用等绘画颜料识别方法中存在的介入式、有损伤、效率低等技术问题。本实用新型专利技术识别系统及方法具有空间分辨率高、精度高、非接触、无损伤等优点。

【技术实现步骤摘要】
基于多光谱成像的绘画颜料识别系统
本技术涉及一种基于多光谱成像的绘画颜料识别系统。
技术介绍
目前传统绘画颜料的识别方法主要分为三类：第一类是采用化学分析的方法，这种方法分析准确度高，但需要从绘画本体上进行取样，且分析结果仅对样本有效，无法推及采样位置以外区域；第二类是包括X射线衍射、激光拉曼光谱分析基于光或射线与物质交互作用的分析方法，这类方法具有较好的分析结果，但是由于分析过程往往涉及在分子原子层面对颜料的激发，会导致颜料分子结构的变化，从而成为一种具有损伤性的分析方法，由于绘画类文物艺术品的特殊性，该类方法在实际应用中难以得到广泛推广。同时，这种方法也仅能对微小区域进行分析，难以满足绘画整幅面分析的要求。第三类是基于颜料光谱反射率的分析方法，通常采用的仪器为光纤光谱仪。此种方法通过获取被研究区域颜料的光谱反射率来识别其类型，但该方法每次仅能获取微小区域的颜料光谱信息，难以推广到更大范围，在实际应用中难以有效发挥作用。
技术实现思路
本技术目的是提供一种基于多光谱成像的绘画颜料识别系统，解决了现有的基于化学分析或基于光与物质交互作用等绘画颜料识别方法中存在的介入式、有损伤、效率低等技术问题。本技术的技术解决方案是：一种基于多光谱成像的绘画颜料识别系统，其特殊之处在于：包括照明光源、带通滤光片组和相机，所述带通滤光片组由多个对应不同谱段的光学滤光片组成，所述相机与图像处理单元相连；照明光源用于向待测绘画发出照明光线，待测绘画反射的光线穿透光学滤光片后进入相机。进一步地，上述带通滤光片组中各个光学滤光片的光谱透射率曲线的并集覆盖可见光至近红外波段，各个光学滤光片的光谱透射峰值相互间隔分布。进一步地，上述相机为单色CMOS工业线扫相机，相机的图像传感器具有一行8192个像元，像元的光谱敏感曲线覆盖范围为400-900nm。进一步地，上述相机通过CameraLink接口与图像处理单元相连。进一步地，上述照明光源为冷光光源。本技术还提供一种基于多光谱成像的绘画颜料识别方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：1)图像获取；1.1)照明光源相待测绘画表面发出照明光线；1.2)将带通滤光片组中的一个光学滤光片放置在相机镜头前，待测绘画反射的光线穿透光学滤光片后进入相机镜头；1.3)相机采集图像后传输至图像处理单元；1.4)用带通滤光片组中的另一个光学滤光片替换前一光学滤光片后放置在相机镜头前，相机再次采集图像并传输至图像处理单元；1.5)重复执行步骤1.4)直至完成带通滤光片组中全部光学滤光片对应谱段的图像采集，获得待测绘画的多光谱图像；2)图像处理；2.2)光谱反射率重建：求解多光谱图像中图像像素值与颜料光谱反射率的关系式p＝CLr+e，得到待测绘画的多光谱图像中目标像素位置的光谱反射率曲线；其中，p是M*1的多光谱图像像素值向量，C是M*N的相机光谱敏感度矩阵，L是N*N的光源光谱辐射对角矩阵，r是N*1的光谱反射率向量，e是M*1的加性噪声向量，M是图像通道数，N是光谱维数；3)数据分析；将步骤2)得到的目标像素位置的光谱反射率曲线与颜料数据库进行比对得到目标像素位置的颜料类型及特点。进一步地，步骤2.2)中求解多光谱图像中图像像素值与颜料光谱反射率的关系式的方法包括以下步骤：2.2.1)建立绘画颜料样本库以及绘画颜料样本库的光谱反射率特性数据库，并以所述光谱反射率特性数据库作为学习样本；2.2.2)忽略加性噪声向量e，并将多光谱图像中图像像素值与颜料光谱反射率的关系式p＝CLr+e简化为p＝Hr；其中，H为代表相机及光源光谱特性的M*N矩阵；2.2.3)求算W＝RP+；其中，W是对矩阵H的估计，R是学习样本的光谱反射率矩阵，P是多光谱图像像素值矩阵，P+是P的伪逆矩阵；2.2.4)将步骤2.2.3)得到的矩阵W作用于多光谱图像像素值向量p，由r*＝Wp求得目标像素位置的光谱反射率r*。进一步地，步骤2)还包括在步骤2.2)之前执行的步骤2.1)图像预处理：对目标像素位置(x,y)处的像素值进行Shading校正。进一步地，步骤2.1)中进行Shading校正的方法是：采集目标像素位置(x,y)处的校正前像素值pT(x,y)，然后计算校正后像素值p′T(x,y)：其中，SL为校正水平，pw(x,y)为参考白板在(x,y)位置处的像素值。进一步地，步骤2)中还包括与步骤2.2)并列执行的步骤2.3)彩色图像重建：2.3.1)计算对应于颜料光谱反射率rλ的色彩三激励值X、Y、Z：其中，Wx,λ、Wy,λ、Wz,λ是分别对应于色彩三激励值X、Y、Z的色匹配函数；2.3.2)将色彩三激励值转换为sRGB空间的三激励值：其中，2.3.3)计算RGB彩色分量的传递函数：根据计算得到的传递函数完成待测绘画的彩色图像重建。本技术的有益效果在于：1、高空间分辨率：本技术可以实现的最高空间成像分辨率范围为1200DPI，即可以采样到约20微米长度的细节信息，可以满足各种绘画完整幅面表面信息的高空间分辨率成像，高分辨率图像所包含的绘画表面信息的细节丰富程度远超人眼之所及，为有效区分画面不同区域或绘画特征的颜料提供了有力保障；2、非接触无损伤：本技术为一种光学式信息采集和分析方法，多光谱图像的数据采集过程类似于拍摄照片，仪器设备和绘画之间不会接触，并且自主研发的冷光源在保证多光谱图像采集时照明有效性的同时，不会因为光源的高亮度或高发热量而对绘画造成损伤，因此，本方法属于一种非接触、无损伤的分析方法；3、高准确度：本技术的颜料识别的物理原理是基于颜料的光谱反射率曲线，由于不同原料在分子原子层面具有不同的组成成分及结构，不同颜料具有不同的光谱反射率曲线，且光谱反射率曲线具有唯一性，与颜料成分存在一对一关系。在建立颜料样本及其光谱反射率的基础上，通过获取颜料光谱反射率然后将之与颜料光谱库进行比对，从而实现颜料识别的目的。这其中的关键是要准确获得颜料光谱反射率特性，本方法所获取到的光谱反射率准确度达99％以上；4、全幅面：本技术中的颜料识别是基于图像像素的，对于图像中任意选定的一个像素点，都可以识别出该像素位置处颜料的类型。选择感兴趣像素点即可获取颜料的类型，具有快速、高效、直观的特点。附图说明图1为本技术基于多光谱成像的绘画颜料识别系统的系统组成示意图。图2为本技术中带通滤光片组的光谱透射特性曲线。图3为本技术基于多光谱成像的绘画颜料识别方法的流程示意图。其中，附图标记为：1-照明光源，2-待测绘画，3-带通滤光片组，4-光学滤光片，5-相机，6-图像处理单元。具体实施方式本技术为一种基于多光谱成像技术的传统绘画颜料识别系统及识别方法，该系统具体包括基于相机和图像处理单元的图像采集处理系统以及以带通滤光片组构成的分光系统，图像处理单元上搭载有颜料光谱反射率重建算法、绘画颜料样本数据库及其光谱反射率特性数据库。参见图1，本技术绘画颜料识别系统较佳实施例的组成部分包括照明光源1、带通滤光片组3和相机5，带通滤光片组3由多个对应不同谱段的光学滤光片4组成，相机5与图像处理单元6相连。待测绘画2平放于稿台之上，相机5通过一定的机械结构设计悬于待测绘画2之上，相机与待测绘画的距离取本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于多光谱成像的绘画颜料识别系统，其特征在于：包括照明光源、带通滤光片组和相机，所述带通滤光片组由多个对应不同谱段的光学滤光片组成，所述相机与图像处理单元相连；照明光源用于向待测绘画发出照明光线，待测绘画反射的光线穿透光学滤光片后进入相机。

【技术特征摘要】
1.一种基于多光谱成像的绘画颜料识别系统，其特征在于：包括照明光源、带通滤光片组和相机，所述带通滤光片组由多个对应不同谱段的光学滤光片组成，所述相机与图像处理单元相连；照明光源用于向待测绘画发出照明光线，待测绘画反射的光线穿透光学滤光片后进入相机。2.根据权利要求1所述的基于多光谱成像的绘画颜料识别系统，其特征在于：所述带通滤光片组中各个光学滤光片的光谱透射率曲线的并集覆盖可见光至近红外波段，各个光学滤光片的光谱透射峰值相互间...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡炳樑，张朋昌，黄鑫，唐兴佳，吴阳，刘伟华，韩意庭，
申请(专利权)人：中国科学院西安光学精密机械研究所，
类型：新型
国别省市：陕西,61