基于光譜可調(diào)LED光源顏色精度導(dǎo)向數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化多光譜成像

正文

光譜成像是對(duì)文化遺產(chǎn)材料進(jìn)行科學(xué)檢查、記錄和可視化的有力工具。單一可見光譜成像數(shù)據(jù)集中捕獲的豐富信息可用于估計(jì)材料診斷反射曲線，創(chuàng)建高精度的顏色再現(xiàn)，并模擬在觀察和照明條件變化時(shí)的外觀變化[1]，[2]。光譜成像的這些特點(diǎn)使它比傳統(tǒng)的RGB成像更全面和通用，并使其在文化遺產(chǎn)工作中越來越受歡迎。基于LED的光譜成像尤其令人感興趣，尤其是隨著LED變得越來越普遍，它們?cè)陟`活性、效率和成本效益方面持續(xù)改進(jìn)，超過基于濾波器的方法[3]、[4]。

盡管光譜成像具有公認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)，但它仍主要被用作一次性技術(shù)研究的科學(xué)工具，使用復(fù)雜的儀器進(jìn)行，需要大量的計(jì)算數(shù)據(jù)處理[5]-[7]。因此，它還沒有在更常規(guī)的文化遺產(chǎn)數(shù)字化工作流程中找到一席之地。為了使光譜成像從實(shí)驗(yàn)室有效地轉(zhuǎn)換到工作室，必須權(quán)衡復(fù)雜性、效率、質(zhì)量和成本。

本文的研究探索了基于需求的方法實(shí)現(xiàn)光譜成像作為常規(guī)成像技術(shù)更實(shí)際的第一步。這涉及到在最終渲染的圖像中確定高顏色精度所需的圖像波段的數(shù)量。在保持特定水平的顏色再現(xiàn)質(zhì)量的同時(shí)減少波段數(shù)量是降低捕獲和處理復(fù)雜性同時(shí)提高工作流效率的一種簡(jiǎn)單方法。最后，考慮到預(yù)算和空間補(bǔ)償，在本次研究中使用的系統(tǒng)包括一個(gè)商業(yè)攝像機(jī)和LED光源，這些光源已經(jīng)在工作室設(shè)備體系中找到或很容易添加到工作室設(shè)備體系中。

在本研究的背景下，“多光譜”被用來描述捕獲的光譜圖像波段數(shù)。從使用LED光源全部容量10，逐步減少波段的數(shù)量，最終下降到6的這個(gè)范圍。此外，所有的圖像波段都在可見范圍內(nèi)，峰值波長(zhǎng)從385 nm到725 nm。由于本研究的重點(diǎn)是顯色性，在其他光譜成像方法中通常包括的紫外和近紅外波段的成像波段在這里不考慮。

裝置

更實(shí)用的光譜成像策略需要使用熟悉的和負(fù)擔(dān)得起的工具。第一種是商用RGB相機(jī)。這里展示的圖像是使用改良的索尼?7R III數(shù)碼相機(jī)進(jìn)行的。對(duì)相機(jī)進(jìn)行了改進(jìn)，去掉了其內(nèi)部的紅外濾光片，這擴(kuò)展了相機(jī)紅色通道的靈敏度(圖1)。也提高了在較長(zhǎng)可見波長(zhǎng)下的光譜估計(jì)精度。用于成像的光是SPECTRA TUNE LAB(LEDMotive)光譜可調(diào)LED光源[8]。每個(gè)光源包含10個(gè)獨(dú)立尋址的LED顏色通道。LED的光譜功率分布如圖2所示，各LED的峰值波長(zhǎng)如表1所示。這些源是定制的，包含10個(gè)通道，可以為藝術(shù)家的材料提供最佳的顏色復(fù)制。特定的LED最初是根據(jù)模擬使用LED光譜功率分布和彩色目標(biāo)反射光譜與單色相機(jī)[4]。這里展示的工作概括了它們的用途，通過將它們與顏色傳感器配對(duì)而不是單色傳感器，并通過描述使用少于10個(gè)LED全套實(shí)現(xiàn)的顏色再現(xiàn)。

這款光譜可調(diào)LED光源有一個(gè)輕量級(jí)的外殼以及一個(gè)小的體積(16 x 12 x 12厘米)。每一臺(tái)光源都包含一個(gè)內(nèi)部積分球并配有外置反射器，確保照明均勻。成像采用典型的相機(jī)/光源0?/45?studio設(shè)置(圖3)。

圖1所示，改進(jìn)后的RGB相機(jī)的光譜靈敏度

圖2，在定制的SPECTRA TUNE LAB LED光源中，10個(gè)LED的歸一化光譜功率分布

表1，每個(gè)LED的峰值波長(zhǎng)

圖3，工作室成像裝置

方法

成像

一個(gè)場(chǎng)景包含幾個(gè)彩色目標(biāo)，然后是一個(gè)平場(chǎng)，使用每個(gè)LED輪流成像進(jìn)行照明。這就產(chǎn)生了10張目標(biāo)和平場(chǎng)的3通道RGB圖像。同樣的場(chǎng)景和平場(chǎng)然后由LED的策略組合照明下成像，進(jìn)一步解釋如下。同時(shí)也捕捉到了相同曝光時(shí)間的暗色圖像。最后，燈光被調(diào)到近似D50照明，并捕獲一個(gè)單一的RGB圖像，使傳統(tǒng)RGB成像和各種多光譜組合之間的比較進(jìn)行評(píng)估。

波段約減

RGB相機(jī)在三個(gè)波段捕捉相對(duì)廣泛的光譜靈敏度。光譜可調(diào)LED光源可以提供多達(dá)10個(gè)不同的通道照明。每個(gè)LED依次捕捉一個(gè)RGB圖像，收集10張3波段(RGB)圖像，共30個(gè)波段。這對(duì)于實(shí)際處理和精確的色彩渲染來說是必要的或有用的。由于窄帶輸出的大多數(shù)LED，在大多數(shù)的RGB圖像中，只有一個(gè)通道包含了大部分的信號(hào)。例如，當(dāng)使用450nm藍(lán)光LED時(shí)，只有藍(lán)色的相機(jī)通道在這個(gè)波長(zhǎng)有很高的靈敏度，因此比綠色或紅色通道包含更多的信號(hào)。靈敏度最高的相機(jī)通道，LED輸出峰值處將包含最多的信號(hào)。按照這個(gè)邏輯，通過從每個(gè)RGB圖像中選擇包含最多信號(hào)的通道，將30個(gè)波段的集合減少到10個(gè)。這個(gè)10波段的集合包含了最初的多光譜波段集。系統(tǒng)的光譜靈敏度結(jié)果被繪制在圖4上。

從最初的10個(gè)波段集合系統(tǒng)的一個(gè)波段一個(gè)波段的去除，創(chuàng)建9個(gè)波段，然后是去除一對(duì)波段，創(chuàng)建8個(gè)波段，最終創(chuàng)建7和6個(gè)波段。對(duì)每個(gè)組合的顯色性進(jìn)行評(píng)估，以確定每個(gè)波段總數(shù)的哪個(gè)組合導(dǎo)致的顏色精度損失最小。以該方法確定的最優(yōu)8波段集的系統(tǒng)光譜靈敏度為例，如圖5所示。比較了8波段和10波段的系統(tǒng)靈敏度，得出了最優(yōu)方案8波段系統(tǒng)缺少505和對(duì)應(yīng)的波段620 nm LED (LED 4和LED 8)。

圖4，10波段多光譜系統(tǒng)的光譜靈敏度

圖5，通過波段去除獲得最佳8波段集合的系統(tǒng)靈敏度

在第二種波段縮減策略中，通過系統(tǒng)地配對(duì)和分組來捕獲光照下的圖像，將10個(gè)波段集縮減為同時(shí)使用9、8、7和6個(gè)LED燈的波段集。再次評(píng)估每個(gè)組合的顯色性，以確定每個(gè)波段總數(shù)的哪個(gè)組合導(dǎo)致顏色精度損失最小。例如，使用這種方法獲得的最佳8波段集是將600、620和660 nm LED (LED 7、8和9)在單個(gè)捕獲中組合而成的。紅色相機(jī)的通道在這些波長(zhǎng)上收集的信號(hào)最多，因此，這也是8個(gè)波段中包含的信號(hào)。圖6繪制了這個(gè)8波段集的系統(tǒng)靈敏度結(jié)果。請(qǐng)注意使用兩種不同的波段縮減方法獲得的8波段集合的靈敏度分布的差異。

圖6，通過LED組合得到的最優(yōu)8波段集合的系統(tǒng)靈敏度

顯色性評(píng)價(jià)

根據(jù)圖7所示的目標(biāo): Next Generation Target V2(Avian Rochester, LLC)和Artist Paint Target (Image Science Associates,LLC)的交叉分析來評(píng)估顏色渲染?？傊?，這些目標(biāo)為測(cè)試提供了廣泛顏色分布，以及材料和光譜相關(guān)的油漆樣品。在建立顏色配置文件之前，所有圖像都經(jīng)過平場(chǎng)和暗電流校正。對(duì)于給定的圖像集，根據(jù)捕獲的每個(gè)目標(biāo)的相機(jī)信號(hào)與分光光度測(cè)量得到的參考三刺激值之間的關(guān)系，估計(jì)出顏色變換矩陣。為了計(jì)算從記錄信號(hào)到渲染顏色的直接轉(zhuǎn)換，在光譜校準(zhǔn)中選擇了比色校準(zhǔn)。本實(shí)驗(yàn)未進(jìn)行光譜校準(zhǔn)，即先估計(jì)目標(biāo)反射光譜，然后計(jì)算其顯色性。

利用每一組中所有可用波段構(gòu)建顏色變換矩陣。因此，矩陣的大小從10波段多光譜集的3 × 10到6波段多光譜集的3 × 6，常規(guī)的3 × 3RGB圖像，其中每個(gè)矩陣的第2維對(duì)應(yīng)于總波段數(shù)。根據(jù)直接比色校準(zhǔn)，對(duì)這個(gè)矩陣迭代優(yōu)化，得到目標(biāo)中所有補(bǔ)丁的最小平均值?E00。最終優(yōu)化后，每個(gè)目標(biāo)得到的矩陣被用于交叉剖面波段集，預(yù)測(cè)相反的L*a*b*值，核驗(yàn)?zāi)繕?biāo)。具有最低平均值和90%驗(yàn)證目標(biāo)?E00值的波段設(shè)置對(duì)每一種減少策略和每一種總波段數(shù)目都確定為滿足這些要求的最佳波段組，報(bào)告如下。

圖7，Next Generation Target V2 (NGT)和Artist Paint Target (APT)用于色彩渲染評(píng)估做交叉分析

結(jié)果

表2總結(jié)了帶減實(shí)驗(yàn)的結(jié)果。波段集按總頻帶數(shù)分類在頂部行。下一行標(biāo)識(shí)從集合中刪除的波段，或者在捕獲過程中合并的LED，以獲得第一行中所指示的總數(shù)。

表2，每個(gè)指定圖像集的最佳驗(yàn)證目標(biāo)平均值和90%?E00值

報(bào)告的組合是那些給出最低的平均值和每個(gè)減少的波段集大小(9、8、7和6)和每個(gè)波段減少方法的90%?E00值(去除波段與組合LED)。還報(bào)告了每個(gè)組合的最大?E00值。結(jié)果表明，無論采用何種波段縮減方法，減少波段數(shù)量對(duì)平均顏色精度的影響都不大。這可以通過從左到右讀取表中的?E00的平均值發(fā)現(xiàn)。隨著波段數(shù)量的減少，兩個(gè)目標(biāo)的均值都沒有顯著增加。事實(shí)上，在任何一個(gè)6波段的情況下，NGT的均值從1.1增加到僅1.2，幾乎保持不變，通過波段移除得到7波段和6波段的情況下，APT從1.1增加到1.3。90%分位值和最大?E00值確實(shí)隨著波段數(shù)量的減少而增加，這表明有些離群斑塊在光譜覆蓋越少的情況下，越難以精確地重現(xiàn)，盡管這種增加并非單調(diào)的。最后，請(qǐng)注意，平均值和90%?E00值在兩個(gè)目標(biāo)之間具有可比性，這表明在交叉分析中具有良好的目標(biāo)獨(dú)立性。

所有測(cè)試用例的平均值和90%?E00值都低于數(shù)字圖像可感知色差的極限，這表明90%的補(bǔ)丁呈現(xiàn)的色差誤差小于可感知色差[10]。在大多數(shù)情況下，最大值?E00僅代表一個(gè)沒有被很好地描述的補(bǔ)丁。當(dāng)使用從完整的10到6個(gè)波段集來創(chuàng)建分析，均值和90%?E00值沒有明顯的顯著增加。所有測(cè)試用例都明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的RGB成像，后者的度量在表的最后一列中報(bào)告。比較6波段集和RGB的結(jié)果表明，將波段數(shù)加到6，平均值和90%?E00值降低了2倍以上。對(duì)于這兩個(gè)目標(biāo)，從RGB成像中獲得的值相對(duì)于其它任何多光譜波段集合中獲得的值都較大，表明使用多光譜成像比在RGB中獲得更高的精度。圖8和圖9顯示了10波段、6波段組合和RGB圖像中APT的顯色對(duì)比圖。

圖8。顏色渲染可視化測(cè)量的顏色(每個(gè)正方形的左半部)，從RGB圖像渲染的顏色(每個(gè)正方形的右上四分之一)，以及從10波段圖像渲染的顏色(每個(gè)正方形的右下四分之一)

圖9。顏色渲染可視化測(cè)量的顏色(每個(gè)正方形的左半部)，從RGB圖像渲染的顏色(每個(gè)正方形的右上四分之一)，以及從6波段組合圖像渲染的顏色(每個(gè)正方形的右下四分之一)

觀察根據(jù)這組特定LED提供的光譜覆蓋范圍、相機(jī)的靈敏度和獲得的?E00值之間的關(guān)系。當(dāng)先創(chuàng)建9個(gè)波段，再創(chuàng)建8個(gè)波段，最理想的組合是把琥珀色和紅色LED去掉或結(jié)合起來，即峰值輸出在600、620和660 nm的LED(LED 7、8、9)。這表明該區(qū)域被相鄰LED覆蓋，可能是在545 nm (LED6)的寬帶LED峰值但能在600-700 nm范圍內(nèi)輸出，足以維持顏色精度。首先修改了琥珀紅色區(qū)域的光譜覆蓋，當(dāng)創(chuàng)建進(jìn)一步減少的7和6波段集時(shí)，去除或結(jié)合綠色和藍(lán)色峰值的LED給出了最好的結(jié)果。例如，最優(yōu)6波段集是通過移除通道475、505、600和660 nm (LED 3、4、7和9)來創(chuàng)建的。通過觀察相鄰LED之間的重疊，特別是475、505和600 nm LED之間的重疊，可以合理地解釋這一點(diǎn)。注意，通過波段移除創(chuàng)建的組都沒有去掉395、545或735 nm LED (LED 1、6和10)。LED兩端的設(shè)置是必要的錨定和提供必要的覆蓋到可見范圍的邊緣。位于裝置中間的寬波帶545 nm LED在去除相鄰波段時(shí)提供覆蓋，此外，還能模仿人類視覺系統(tǒng)的發(fā)光效率函數(shù)(V(?))峰值，這對(duì)顏色精度[9]很重要。

結(jié)論

本研究探討了基于LED的多光譜成像的顯色精度的局限性，研究了在顏色剖面構(gòu)建過程中減少波段數(shù)量的影響，我們確定，雖然用于實(shí)驗(yàn)成像的光譜可調(diào)LED光源包含10個(gè)通道，只要使用6個(gè)就可以在最終渲染圖像中獲得幾乎相等的平均顏色精度。這表明一種實(shí)用的基于LED的多光譜成像策略可以通過使用更簡(jiǎn)化的燈和更少的LED來實(shí)現(xiàn)，從而降低制造成本。在保持平均顏色精度的同時(shí)減少波段數(shù)量是可能的，這為構(gòu)建文化遺產(chǎn)材料顏色精確再現(xiàn)的簡(jiǎn)化多光譜成像策略提供了一個(gè)簡(jiǎn)化框架。這是因?yàn)槔肦GB相機(jī)通道固有的3通道靈敏度的捕獲策略對(duì)于6個(gè)或更少波段的捕獲比步進(jìn)光譜范圍的捕獲序列更有效，就像在這項(xiàng)研究中使用的那樣。未來的工作將解決利用特定的LED組合在所有三個(gè)攝像機(jī)通道中最大限度地捕獲信息，使僅在兩個(gè)捕獲波段[11]，[12]中捕獲6個(gè)有用波段。 此外，結(jié)合光譜和比色校準(zhǔn)過程將被研究，這樣系統(tǒng)的輪廓是最小化均方根光譜反射率誤差，估計(jì)的光譜用于計(jì)算顏色呈現(xiàn)。

這項(xiàng)調(diào)查的結(jié)果將用于指導(dǎo)實(shí)際系統(tǒng)和策略的開發(fā)，以降低常規(guī)文化遺產(chǎn)成像的多光譜成像的復(fù)雜性。

關(guān)于生產(chǎn)商：

LEDmotive基于其獨(dú)特的光譜控制技術(shù)，開發(fā)出一系列應(yīng)用于多光譜成像，藝術(shù)照明，顏色科學(xué)，機(jī)器視覺照明等領(lǐng)域的先進(jìn)多通道光譜可編程LED光源產(chǎn)品，并將持續(xù)推動(dòng)光譜控制的智能解決方案向尊重人類，對(duì)環(huán)境友好，并與未來的智慧城市自然融合的方向前行。

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審核編輯：湯梓紅