多角度下蠟染布料的多光譜成像研究

楊舒明+馮潔+劉鑫+林立波

摘要：

在400～720 nm波段范圍，采用基于液晶可調(diào)諧濾波器（LCTF）和CMOS相機(jī)組合的多光譜成像系統(tǒng)對(duì)蠟染的布料進(jìn)行每隔5 nm成像。討論了多光譜成像的基本原理和多角度下彩色圖像的實(shí)現(xiàn)過程，并且通過計(jì)算光譜反射率展示了光譜合成顏色的基本方法。對(duì)再現(xiàn)后的橘色、綠色、白色、藍(lán)色、黃色、黑色六種顏色色塊進(jìn)行多角度下明度值、彩度值的分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，六種顏色的明度值均呈現(xiàn)正態(tài)分布，并且通過計(jì)算六種顏色色塊的色品坐標(biāo)值a*、b*和彩度c*ab的均方差，得出在一定的范圍內(nèi)，六種顏色的色品坐標(biāo)值a*、b*近似不隨角度變化，其中藍(lán)色和黑色隨角度的變化更小，近似于一條直線。

關(guān)鍵詞：

光譜學(xué)；多光譜成像；多角度；蠟染布料

中圖分類號(hào)： O 433.4文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2016.04.011

Abstract：

Multispectral images of batik cloth at the wavelength range of 400～720 nm with an interval of 5 nm are captured by using a multispectral imaging system which mainly consists of liquid crystal tunable filter（LCTF） and CMOS camera.The paper discussed the basic principle of multispectral imaging and analyzed the implementation process of color image under multi-angles.Besides that，the paper showed the basic approach of synthetic color spectrum by calculating the spectral reflectance.Brightness values，chroma values under multi-angle of the reproduction of the orange，green，white，blue，yellow，black were analyzed.The results proved that all the six-color brightness values showed a normal distribution.Meanwhile，by calculating the six-color chromaticity coordinate values a*，b* and c*ab of standard deviation，the chromaticity coordinates a* and b* are merely changed in angle.Among them，the change of blue and black is smaller than the others，approximately as a straight line.

Keywords：

spectroscopy； multispectral imaging； multi-angle； batik cloth

引言

蠟染是一種古老的防染工藝，古稱“蠟纈”，與絞纈、夾纈一起被稱為我國古代染纈工藝的三種基本類型，因用蜂蠟作防染劑而得名，距今已有二千多年的歷史。蠟染的布料，一般只存在于少數(shù)民族中，由手工制成各種不同的圖案，由于染料的不穩(wěn)定，所以很容易褪色，這對(duì)傳承少數(shù)民族的文化藝術(shù)有很大的阻礙。云南省是我國少數(shù)民族聚居的主要地區(qū)，有很多少數(shù)民族仍然采用蠟染的布料作為日常使用的布料，因此研究如何將現(xiàn)有蠟染布料的圖案再現(xiàn)，對(duì)傳統(tǒng)文化藝術(shù)的傳承和發(fā)展具有非常大的意義。

光譜成像技術(shù)于20世紀(jì)70代末首先在軍事領(lǐng)域發(fā)展起來[1]，后來又廣泛應(yīng)用于大氣、植被、海洋、生物醫(yī)學(xué)、環(huán)境遙感等領(lǐng)域[2]。90年代初，多光譜成像技術(shù)開始廣泛地應(yīng)用于文化藝術(shù)品的保存、歷史資料的研究以及考古學(xué)方面[3-4]。傳統(tǒng)的紅、綠、藍(lán)（R、G、B）三色成像技術(shù)和光譜儀均無法同時(shí)獲取被測(cè)目標(biāo)的光譜信息和空間信息，也無法獲得和顯示精確的顏色信息?；谝壕Э烧{(diào)諧濾波器（LCTF）[5]和CMOS相機(jī)組成的多光譜成像系統(tǒng)不僅可以同時(shí)從光譜維和圖像維獲取被測(cè)物的信息，而且還克服了同色異譜的現(xiàn)象[6]，獲得物體在各個(gè)角度下的光譜反射比，從而重建出平面內(nèi)多角度下物體精確的三維彩色圖像。

在數(shù)字博物館建立過程中，需要對(duì)各種藝術(shù)品進(jìn)行各個(gè)觀察角度的圖像重建，以滿足觀察者對(duì)文化遺產(chǎn)進(jìn)行全方位的欣賞[7]。然而，在進(jìn)行實(shí)物圖像采集過程中，無法對(duì)樣本各個(gè)角度依次進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量，這就需要尋找一種有效的方法對(duì)各個(gè)角度下采集的有限圖像進(jìn)行處理和計(jì)算，進(jìn)而對(duì)任意觀察角度的藝術(shù)品進(jìn)行圖像重建。

本文基于LCTF和CMOS相機(jī)組成的多光譜成像系統(tǒng)，通過光譜反射率合成的方法再現(xiàn)出被測(cè)物的彩色圖像，并利用CIE1976（L*，a*，b*）顏色空間對(duì)六種色塊進(jìn)行了多角度下的明度值、彩度值的分析，研究其隨角度變化的規(guī)律。本文在研究平面物體三維再現(xiàn)過程中，樣本顏色色塊的三刺激值均是由愛色麗公司測(cè)得，主要有六種顏色：橘色（x=34.94，y=27.40，z=14.75）、綠色（x=13.46，y=16.82，z=11.58）、白色（x=55.78，y=58.17，z=62.93）、藍(lán)色（x=15.95，y=17.04，z=35.89）、黃色（x=42.41，y=39.81，z=20.93）、黑色（x=3.35，y=3.29，z=8.18）。

1系統(tǒng)與方法

1.1多光譜成像系統(tǒng)

圖1為多光譜成像系統(tǒng)的成像系統(tǒng)實(shí)物圖，由光學(xué)鏡頭、液晶可協(xié)調(diào)濾光片LCTF、黑白CMOS攝像頭和照明結(jié)構(gòu)組成。成像系統(tǒng)輸出的圖像經(jīng)USB傳入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行處理，計(jì)算機(jī)系統(tǒng)由圖像采集卡、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)模塊和光譜處理模塊組成。系統(tǒng)可測(cè)400～720 nm范圍內(nèi)的多光譜圖像信息。多光譜相機(jī)攝像頭始終固定在表面法向位置距離被測(cè)物205 cm處，光源（以120 cm為半徑）圍繞被測(cè)物中心從0°到180°每隔15°進(jìn)行照射位置的固定，光源為照明穩(wěn)定性較好的6 500 K、15 W的LED燈光源，光源的輻照度分布見圖2，被測(cè)物為24 cm×20 cm蠟染的布料。

光譜圖像在暗室中采集，通過人工編程使計(jì)算機(jī)在400～720 nm范圍內(nèi)每間隔5 nm采集一幅光譜圖像，共得到65個(gè)子圖像，從中選擇455～675 nm共45個(gè)波段的子圖像進(jìn)行多光譜圖像的再現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)流程如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)步驟如下：

（1） 搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，利用多光譜相機(jī)采集各個(gè)角度的圖像；

（2） 從采集到的多光譜圖像中篩選出每個(gè)角度下的45個(gè)波段的子圖像進(jìn)行光譜圖像重現(xiàn)；

（3） 重現(xiàn)出各個(gè)角度下的彩色圖像，并利用CIE1976（L*，a*，b*）空間對(duì)其中的各個(gè)色塊進(jìn)行多個(gè)角度下的分析研究。

是樣本在550 nm下采集的30°、60°、90°、120°灰度圖像。從圖4可以看出，光源角度為90°時(shí)灰度圖像最為明亮，采集到的圖像最清晰。

1.2顏色重建的方法

為了真實(shí)再現(xiàn)出物體的彩色圖像，需要計(jì)算物體表面的輻射光譜分布所對(duì)應(yīng)的R、G、B值，已知CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的光譜三刺激值，依據(jù)CIE三刺激值的定義[8]，獲得任意光譜下的三刺激值：

式中：X、Y、Z為CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度系統(tǒng)的三刺激值；x—、y—、z—為CIE1931標(biāo)準(zhǔn)色度觀察者的光譜三刺激值；k為歸一化系數(shù)，保證各響應(yīng)在0～1之間；β（λ）為物體的光譜反射比；P（λ）為照明體的相對(duì)功率分布；Δλ=5 nm。

從三刺激值X、Y、Z轉(zhuǎn)化到RGB顏色空間的公式如下：

式中R、G、B分別為紅、綠、藍(lán)的顏色匹配量。

這里所采用的X、Y、Z與R、G、B轉(zhuǎn)換方法能夠在不同環(huán)境下更好地再現(xiàn)出彩色圖像，文獻(xiàn)[9]對(duì)不同方法進(jìn)行了論述。

1.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)方法

多光譜彩色圖像再現(xiàn)技術(shù)在Visual Studio 2010平臺(tái)上采用Visual Basic語言實(shí)現(xiàn)。運(yùn)行時(shí)先導(dǎo)入采集到的圖片，讀取每張圖片每個(gè)像素點(diǎn)的值，獲得采集到的灰度圖像上每個(gè)像素點(diǎn)與白板的比值，得到反射比β（λ），再根據(jù)測(cè)得的LED光源的輻照度獲得P（λ），獲取圖像的三刺激值X、Y、Z，然后再根據(jù)三刺激值獲得最終RGB彩色圖像，利用計(jì)算機(jī)提取出彩色圖像的三刺激值，從而計(jì)算出CIE1976（L*、a*、b*）空間中的明度L*，色品坐標(biāo)a*、b*，彩度c*ab。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1多角度下顏色的變化

為了再現(xiàn)出逼真的彩色圖像，需要提取灰度圖像的每個(gè)像素點(diǎn)的信息，得到物體與白板的光譜反射比。再通過式（1）計(jì)算圖像的X、Y、Z三刺激值，通過式（2）將圖像轉(zhuǎn)換成彩色RGB圖像。

隨著光源角度的改變，布料在不同的照明角度下生成的視覺效果不一樣，如圖5所示為光源角度在30°、60°、90°、120°下生成的圖片。

中，由于不同波段濾光片之間存在焦距差異，再現(xiàn)出來的彩色圖像在不同角度下存在微小的虛焦問題。為了分析再現(xiàn)后的彩色圖像在多角度下的色彩效果，提取了不同顏色色塊色彩的明度以及彩度，本文采用CIE1976（L*、a*、b*）顏色空間[10]進(jìn)行分析，該空間三維直角坐標(biāo)的明度（L*）和色品坐標(biāo)（a*、b*）及彩度（c*ab）的計(jì)算公式如下：

由圖7可見，在同一個(gè)平面內(nèi)渲染出的同種顏色的明度值隨角度的變化均呈現(xiàn)出正態(tài)分布，在90°時(shí)獲得的能量最多，達(dá)到最大值。在不同區(qū)域明度值整體的趨勢(shì)是一致的，每個(gè)區(qū)域的最小值與最大值存在著一定的誤差。區(qū)域1和區(qū)域3的峰值非常相近；區(qū)域1和區(qū)域2的變化趨勢(shì)一致；區(qū)域2和區(qū)域4在45°～135°的變化趨勢(shì)一致；區(qū)域3變化的范圍最大。為了更好地找到同一個(gè)平面上同種色彩的變化規(guī)律，本文將同一平面內(nèi)的四個(gè)區(qū)域進(jìn)行綜合分析，取其平均值以達(dá)到最佳效果。

2.2多種顏色隨角度的變化情況

為找出不同色彩的變化規(guī)律，本文隨機(jī)選擇了四個(gè)樣本，如圖8所示。按照上述相同的方法分別取四個(gè)不同的區(qū)域取其平均值，綜合分析所選擇的四種布料中所含的橘色、綠色、白色、藍(lán)色、黃色、黑色六種不同顏色色塊隨角度的變化曲線。

為六種顏色色塊相應(yīng)參數(shù)的統(tǒng)計(jì)表。由表1可知，六種顏色色塊的色品坐標(biāo)a*、b*，彩度值c*ab的均方差都比較相近，六種顏色色塊之間的離散程度相近，差距不大。六種顏色色塊的色品坐標(biāo)a*的均方差相對(duì)于色品坐標(biāo)b*和彩度c*ab均比較小，在一定的范圍內(nèi)，六種顏色色塊的色品坐標(biāo)a*隨角度的變化差距比較小。黃色色塊的色品坐標(biāo)b*和彩度c*ab的均方差均比較大，黃色色塊的彩度值隨角度變化的幅度較大；藍(lán)色和黑色的色品坐標(biāo)b*和彩度c*ab的均方差都比較小，隨角度變化的幅度較小。

綜上所述：色品坐標(biāo)a*、b*，彩度值c*ab的均方差在可接受范圍內(nèi)；角度的變化對(duì)橘色、綠色、白色、藍(lán)色、黃色、黑色這六種顏色的明度值有影響；在一定的范圍內(nèi)，對(duì)色品坐標(biāo)a*幾乎沒影響；對(duì)橘色、綠色、白色、黃色的色品坐標(biāo)b*和彩度c*ab存在一定的影響。

3結(jié)論

本文基于LCTF和CMOS相機(jī)組合的多光譜成像系統(tǒng)，獲得了多角度下的平面二維樣本的光譜信息，通過公式轉(zhuǎn)換及計(jì)算實(shí)現(xiàn)圖像的三維顏色再現(xiàn)。討論了屏幕上以彩色方式顯示多光譜圖像的光譜/ 顏色轉(zhuǎn)換的一般方法，并且利用CIE1976（L*，a*，b*）顏色空間分析了再現(xiàn)后的橘色、綠色、白色、藍(lán)色、黃色、黑色六種不同彩色色塊在不同角度下的明度值以及彩度值隨角度的變化情況，為今后顏色再現(xiàn)的研究以及利用多光譜成像技術(shù)進(jìn)行顏色再現(xiàn)的應(yīng)用提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]馬玲，崔德琪，王瑞，等.成像光譜技術(shù)的研究與發(fā)展[J].光學(xué)技術(shù)，2006，32（增刊）：573-576.

[2]錢樂祥，泮學(xué)芹，趙芊.中國高光譜成像遙感應(yīng)用研究進(jìn)展[J].國土資源遙感，2004（2）：1-6.

[3]錢志偉，方恩印.淺談利用多光譜成像技術(shù)復(fù)制國畫的理論基礎(chǔ)[J].出版與印刷，2014（4）：20-23.

[4]李遂賢，廖寧放，孫雨南，等.傳世藝術(shù)畫作的多光譜圖像數(shù)字典藏技術(shù)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用與軟件，2007，24（12）：10-11.