多光譜成像技術(shù)及其在印刷中的應(yīng)用

汪麗霞

多光譜成像技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)70年代，早期應(yīng)用于遙感、地面軍事等領(lǐng)域，隨著半導(dǎo)體光電探測器的出現(xiàn)，多光譜成像技術(shù)迅速發(fā)展，其應(yīng)用范圍擴(kuò)展到藥物學(xué)、環(huán)境科學(xué)、食品工程、農(nóng)業(yè)、印刷等領(lǐng)域。

多光譜成像技術(shù)作為新一代光電探測技術(shù)，全稱為多通道光譜成像技術(shù)，是利用分光元件對目標(biāo)樣品進(jìn)行多通道成像。每個(gè)通道獲取的圖像具有較高的光譜分辨率，代表了目標(biāo)樣品在此通道上的光譜反射情況。這種方法具有精度高、非接觸測量、視場大、景深長、結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，已然成為了印刷行業(yè)一大研究熱點(diǎn)。

多光譜成像系統(tǒng)構(gòu)成

多光譜成像系統(tǒng)（如圖1所示）包括：光源（Illumination）、由一組濾光片組成的濾光片輪（也稱作色輪）（Color Filter Wheel）、鏡頭（Lens）、CCD（Charge-Coupled Device）相機(jī)及計(jì)算機(jī)控制臺。對光源的要求是輻射光譜在可見光范圍內(nèi)連續(xù)，常用的光源有D50光源和A光源；濾光片輪是用來構(gòu)成多個(gè)通道的光譜信息（如果分別在多種光源下成像，可以在通道數(shù)不變的情況下減少濾光片的數(shù)量）；CCD相機(jī)是系統(tǒng)常用的圖像輸入設(shè)備。

多光譜成像系統(tǒng)的分類

由多通道數(shù)字相機(jī)構(gòu)成的光譜成像系統(tǒng)通過濾光片獲取不同波段上的圖像信息，形成多通道的圖像輸出。這種光譜成像系統(tǒng)根據(jù)濾色片的設(shè)計(jì)不同，可分為兩大類：窄帶成像系統(tǒng)和寬帶成像系統(tǒng)。

1.窄帶成像系統(tǒng)

窄帶成像系統(tǒng)由單色數(shù)字相機(jī)和窄帶采樣濾光片構(gòu)成。通常濾光片輪采用液晶可調(diào)濾光片系統(tǒng)（Liquid Crystal Tunable Filter，簡稱LCTF）。LCTF的感光范圍被限定在可見光波長范圍內(nèi)，各濾光片的透射率峰值被設(shè)定為互相間隔大約10納米。單色相機(jī)通過依次使用不同的濾光片進(jìn)行圖像拍攝，獲得同一景物的30多幅單色圖像，并輸出為相機(jī)色空間的多通道圖像。

2.寬帶成像系統(tǒng)

窄帶成像系統(tǒng)采樣間隔小，因此數(shù)據(jù)量大，處理工作量也大。寬帶成像系統(tǒng)增大了采樣間隔，其構(gòu)成主要有兩種方式：一種方式類似窄帶成像系統(tǒng)，用單色相機(jī)加少量寬帶濾光片組構(gòu)成系統(tǒng)，每組寬帶濾光片可用1～3種窄帶濾光片進(jìn)行組合，固定在濾光片輪盤上。圖2為一個(gè)六孔濾光片輪盤。

寬帶系統(tǒng)的另一種構(gòu)成方式是為現(xiàn)有的三色RGB數(shù)字相機(jī)加濾光片。通過為三色相機(jī)加或不加濾光片，或者為三色相機(jī)加兩種或多種濾光片，可以形成6通道或更多通道光譜成像系統(tǒng)。這種系統(tǒng)采用現(xiàn)有的專業(yè)數(shù)字相機(jī)，系統(tǒng)構(gòu)成簡單，系統(tǒng)控制較采用輪盤變換的方法更容易，也更加實(shí)用。

在實(shí)際應(yīng)用中，成像系統(tǒng)的選用需要綜合考慮諸多因素，如系統(tǒng)輸出圖像的質(zhì)量、系統(tǒng)的硬件復(fù)雜度和造價(jià)、控制系統(tǒng)的軟件復(fù)雜度、圖像獲取所需時(shí)間、數(shù)據(jù)所需存儲空間、系統(tǒng)使用的便利性、系統(tǒng)軟硬件的可維護(hù)性、系統(tǒng)復(fù)制的復(fù)雜度等。

多光譜成像關(guān)鍵技術(shù)

多光譜圖像需用光譜成像系統(tǒng)獲取，并通常由多通道數(shù)字相機(jī)系統(tǒng)完成這一工作。當(dāng)多通道數(shù)字相機(jī)拍攝場景圖像后，其輸出并非多光譜圖像，而是與相機(jī)所用顏色空間相關(guān)的多通道圖像。該圖像包含場景的環(huán)境光照、景物的光譜反射特性、相機(jī)的光譜靈敏度以及相機(jī)濾光片的光譜透射率等多方面的信息，需要進(jìn)行處理，涉及到圖像的融合、光譜反射率的重建和圖像的降維等技術(shù)。

1.多光譜圖像的融合

多光譜圖像融合是指將從多光譜探測器獲得的同一場景的多光譜圖像的信息特征組合到一起，利用它們在時(shí)空上的相關(guān)性及信息上的互補(bǔ)性，得到對景物更全面、清晰的描述。比如，紅外圖像和可見光圖像之間具有互補(bǔ)性：對人眼來說，可見光具有豐富的細(xì)節(jié)和敏銳的色感，但它在惡劣的氣候下對大氣的穿透能力較差，在夜間的成像能力較差；而紅外光正好相反，它在云霧等氣象條件下穿透能力相當(dāng)強(qiáng)，在夜間由于不同景物之間存在著溫度差，因此所成的圖像仍能顯示景物的輪廓，但其成像的分辨率則較低。

像素級圖像融合的基本流程包括圖像預(yù)處理和融合算法及結(jié)果顯示，如圖3所示為兩幅圖像融合的一般流程，而對于多幅圖像，可以先融合兩幅圖像，再將融合結(jié)果與其余圖像逐一融合，得到最終的融合結(jié)果。

對于像元級圖像融合，預(yù)處理部分通常包括圖像校正、圖像降噪以及圖像配準(zhǔn)。從具有畸變的圖像中消除畸變的過程稱為圖像校正，主要是針對失真的圖像進(jìn)行的一種復(fù)原性處理，分為幾何校正和輻射校正。圖像降噪則是為了提高待融合圖像的質(zhì)量。而圖像配準(zhǔn)則可以定義為：從不同探測器、不同時(shí)間、不同角度獲得的兩幅或多幅圖像之間的最佳匹配。

圖像融合的方法有很多，大致上可以分為以下幾類：基于顏色空間變換的融合方法，典型的有HIS變換的融合方法；基于多尺度變換的融合方法，如小波變換、拉普拉斯變換等；基于加權(quán)平均的融合方法；還有邏輯濾波方法、數(shù)學(xué)形態(tài)法、模擬退火法等。

2.光譜反射率的重建

多光譜圖像采集系統(tǒng)采集到的多光譜圖像，需要有相應(yīng)的光譜估計(jì)算法重建出物體表面的光譜反射比。

根據(jù)理論基礎(chǔ)或原理不同，可以將光譜反射率重建技術(shù)分為3類：

①直接重建法：通過對多光譜相機(jī)系統(tǒng)的整體靈敏度求逆運(yùn)算來直接重建。整體靈敏度即光譜特征是光源的光譜分布、濾色片光譜透射率和傳感器光譜響應(yīng)的矩陣之乘。當(dāng)前具體的重建方法主要有偽逆法、平滑求逆法、Winer求逆法、Hardeberg法等。

②插值重建法：相機(jī)的響應(yīng)值可以用插值的方法來求得一個(gè)近似的光譜反射率。此類方法主要有三樣條插值、改進(jìn)的離散正弦變換法等。

③間接重建法：也被稱作基于學(xué)習(xí)的光譜重建法。這種方法一般先用一個(gè)校正對象來建立相機(jī)響應(yīng)值和光譜反射率之間的轉(zhuǎn)換，然后其他對象的相機(jī)響應(yīng)值就能夠轉(zhuǎn)換到光譜反射率。間接重建法主要有主成分分析法、R矩陣法等，是當(dāng)前光譜重建時(shí)最常用的光譜算法。

3.多光譜圖像降維

多光譜圖像包含空間維和光譜維信息，具有波段眾多、數(shù)據(jù)量大的特點(diǎn)，這給數(shù)據(jù)的存儲和傳輸帶來很大的困難。如何有效地降低多光譜圖像的維數(shù)，減少數(shù)據(jù)量是一項(xiàng)非常重要的工作。現(xiàn)有的降維方法，可以分為兩類：

一類是基于變換的方法，如主成分分析、正交子空間投影、正則分析和離散小波變換等?；谧儞Q的降維方式的優(yōu)點(diǎn)是可以經(jīng)過若干變換直接將高維數(shù)據(jù)降低到幾維甚至一維，降維速度快；缺點(diǎn)是對圖像進(jìn)行了變換，改變了圖像原有的特性。

另一類是基于非變換的方法，如波段選擇、數(shù)據(jù)源劃分等?；诜亲儞Q的降維方式是在考察圖像整體特點(diǎn)之后對圖像進(jìn)行選擇和劃分的，它克服了變換法改變圖像特性的缺點(diǎn)，因此更有利于保持圖像的原有特性。

多光譜成像技術(shù)在印刷行業(yè)中的應(yīng)用

眾所周知，傳統(tǒng)的印刷色彩復(fù)制技術(shù)普遍存在“同色異譜現(xiàn)象”，即視覺上相同的顏色所對應(yīng)的光譜可能截然不同，一旦照明光源改變，原來兩個(gè)視覺上相同的顏色可能變得不同了。也就是說，只有在顏色的樣本尺寸、樣本形狀、樣本表面特性以及周圍環(huán)境、照明條件等因素都相同的觀察條件下，才能實(shí)現(xiàn)復(fù)制品顏色和參考樣一致。而多光譜成像技術(shù)，突破了傳統(tǒng)印刷顏色復(fù)制中原色油墨數(shù)量的限制，具有更大的色域，能夠真正做到“所見即所得”，在高保真印刷、跨媒體出版、色彩管理等方面具有很好的表現(xiàn)。

1.高保真印刷

多光譜技術(shù)在高保真印刷中的應(yīng)用價(jià)值主要體現(xiàn)在：一是采用光譜數(shù)據(jù)對光源的顯色性進(jìn)行分析和修正，最大程度地消除由光源因素所導(dǎo)致的顏色復(fù)制失真問題；二是多基色印刷中，基于光譜的油墨選擇，尤其是確立藝術(shù)品、文物等最佳印刷復(fù)制基色；三是使用光譜數(shù)據(jù)優(yōu)化油墨集，擴(kuò)展印刷色域，最大程度地消除印刷中的“同色異譜”現(xiàn)象；四是利用多基色光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行顏色疊加或分色計(jì)算，能極大地提高計(jì)算精度。

2.跨媒體出版

跨媒體出版技術(shù)通過建立紙質(zhì)媒體、電子媒體和網(wǎng)絡(luò)媒體基本要素的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)和描述方法，重構(gòu)圖文音像內(nèi)容的頁面描述、配置、關(guān)聯(lián)、管理與資源化，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)顏色數(shù)字化的實(shí)時(shí)、彩色、多樣和個(gè)性化的輸出與再現(xiàn)。由于多光譜顏色復(fù)制技術(shù)采用唯一的光譜數(shù)據(jù)標(biāo)定顏色，基本不受具體光源、周圍環(huán)境、標(biāo)準(zhǔn)觀察者等因素的制約，一種環(huán)境下的光譜反射率或透射率能預(yù)測或反演至另一種環(huán)境下，因此更利于實(shí)現(xiàn)顏色的跨媒體復(fù)制。

3.色彩管理

當(dāng)前流行的ICC色彩管理技術(shù)，基于“色度真實(shí)”，由于同色異譜現(xiàn)象，使用一般的高精度照相機(jī)或掃描儀不能保證復(fù)制品在各種光源下的顏色與原稿一致，不能真正實(shí)現(xiàn)顏色的精確再現(xiàn)；基于色貌模型的色彩管理系統(tǒng)由于參數(shù)較多、計(jì)算復(fù)雜和應(yīng)用條件嚴(yán)格，難以應(yīng)用推廣；而基于多光譜的色彩管理系統(tǒng)通過測量目標(biāo)上每點(diǎn)的光譜反射率，再使用基于多光譜的顏色復(fù)制技術(shù)得到復(fù)制品，可以在各種光源下達(dá)到非常高的顏色真實(shí)性，可解決色貌模型的一些應(yīng)用困難，提高復(fù)制精度，是實(shí)現(xiàn)高保真印刷和跨媒體出版的關(guān)鍵，具有廣泛的應(yīng)用與發(fā)展前景。

小結(jié)

由于多光譜成像技術(shù)不僅能夠獲得物體的空間維信息，而且還可以獲得物體表面的每個(gè)像素的光譜維信息，近些年該技術(shù)成為相關(guān)領(lǐng)域的一大研究熱點(diǎn)，但其仍存在一些問題：①在進(jìn)行圖像采集時(shí)，物體表面光源照度的均勻性和穩(wěn)定性直接影響到采集結(jié)果及后續(xù)光譜重建的精確度；②往往由于噪聲干擾、系統(tǒng)離焦、平臺抖動(dòng)等因素，導(dǎo)致系統(tǒng)像質(zhì)下降；③光譜通道太多，影響圖像采集的速度和增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低了系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和實(shí)用性；④采用專業(yè)的圖像傳感器CCD采集圖像，使得系統(tǒng)的成本過高；⑤尚沒有形成一個(gè)有效的顏色管理數(shù)據(jù)鏈，使得基于多光譜的色彩管理技術(shù)距實(shí)用尚有一定的差距。相信這些問題將為多光譜成像技術(shù)相關(guān)研究開啟更多的方向。