專利名稱：一種基于多光譜檢測的波段選擇方法
技術領域：
本發(fā)明涉及多光譜圖像的成像設備和信息處理方法，更具體的說，本發(fā)明針對多光譜圖像中，物體的反射率的獲取，以及選擇合適光譜波段進行多光譜圖像的采集和處理等情況下的成像設備和信息處理方法。
背景技術：
近些年來，多光譜圖像處理技術應用在很多方面，例如目標檢測和識別，特征提取和圖像增強等。多光譜的波長范圍可從400nm達到2000nm左右,從而造成成像設備復雜,獲取多光譜圖像困難等情況，因此波段選擇作為一種選取合適的波段的方法成為多光譜檢測的重要部分之一，這不僅可以簡化多光譜的成像系統(tǒng)，降低拍攝多光譜圖像時的工作量，而且可以允許多光譜設備進行連續(xù)的視頻采集，進行實時的視頻檢測。目前，波段選擇的方法可以歸為兩類。一種最直接的方法是將所有可能的波段組合分別測試檢測結果的準確性，并比較每種多光譜波段組合的檢測結果，最終選出最優(yōu)的那個波段組合。這種方法的優(yōu)點是一定能夠選出最優(yōu)的波段組合用于多光譜檢測，然而它的缺點也是顯而易見的，拍攝過程耗時長，數(shù)據(jù)處理復雜度高，計算量大等。另一種波段選擇的方法是SFS，也是最常用的波段選擇的方法。通過減少搜索空間，該算法的效率非常高。該算法的思想是迭代計算和距離度量。前一個選擇的波段會與其他波段結合，用聯(lián)合距離度量，具有最大聯(lián)合距離的波段組合作為波段選擇的結果。直到選擇的波段組合達到理想的檢測結果為止。但是，隨著波段的增加，在高維空間距離度量的計算量也迅速增長。多光譜圖像的優(yōu)勢在于能夠很好的體現(xiàn)不同物體在各個波段下具有獨特的特性，其原因是物體的反射率在不同波段下表現(xiàn)不同。如圖一，人體皮膚反射率在紫外部分反射率較低，繼而隨波長的增加反射率增大，在575nm處有“W”形狀。皮膚反射率在800nm處達到峰值，在900nm處會出現(xiàn)下降,在達到最小值后又重新增大但增大幅度很小。PVC和硅膠材料的反射率在400 nm到600nm段增長迅速，在700nm到900nm保持平穩(wěn)，900nm以后又出現(xiàn)下降。紙質材料在600nm到800nm波段增長迅速,800nm到IOOOnm保持平穩(wěn)。利用這些多光譜下的物體的反射率特性，我們可以提取多光譜下的物體特征，進行圖像檢測和識別等處理。[引用列表][非專利文獻]1、Elli Angelopoulou, “Understanding the color of human skin，，，ComputerScience Dept., Stevens Institute of Technology, Castle Point on Hudson, Hoboken,NJ 07030, USA索尼公司在201080002426提出一種使用多頻帶近紅外照明條件下皮膚檢測的系統(tǒng)及方法。該方法用攝像機在兩個近紅外波段拍攝兩個不同近紅外波段的圖像，根據(jù)兩幅圖像之間的差異，生成二值化的皮膚圖像，通過二值化的皮膚圖像在原始圖像中提取皮膚區(qū)域。該方法主要用于計算機數(shù)據(jù)錄入時對坐在計算機屏幕前的數(shù)據(jù)錄入人員的皮膚(手)的提取，無法應用于大范圍、復雜場景下的皮膚檢測。而且，該方法沒有定量給出如何選擇合適的波段進行多光譜成像的方法。因此考慮到上述情況，需要設計一種多光譜成像系統(tǒng)獲得多光譜圖像，同時提出一種簡單有效的波段選擇方法去選擇合適的波段進行多光譜圖像的采集，以及后續(xù)的圖像處理。

發(fā)明內容
在本發(fā)明的系統(tǒng)，方法和硬件實現(xiàn)描述前，需要聲明的是本發(fā)明并不局限于說明書所描述的關于波段選擇的方法下的實例，可有多個沒有在本文中說明的可能實例。并且，本文所采用的波長范圍并不局限于所應用的范圍，波長范圍可以涉及其他未提出的波段。本發(fā)明提供了一種多光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)成本低，實現(xiàn)簡單，并且獲取的多光譜圖像質量滿足數(shù)據(jù)分析和處理的條件。如圖二，本成像系統(tǒng)主要包括一臺高功率的全光譜氙燈光源，31個不同波段的窄帶濾光片，一個黑白攝像頭，一臺計算機，一個PWM控制模塊以及一個PTFE白板。高功率的氙燈作為一個全光譜的主動光源，31個窄帶濾光片能夠用于多光譜成像，拍攝時需將濾光片依次放在攝像頭前面。攝像頭能夠獲取單通道的多光譜圖像。計算機用于圖像的保存和處理，PWM控制模塊用于調節(jié)光源電壓。PTFE白板作為參考物用于計算物體的反射率。本發(fā)明還提供一種基于多光譜系統(tǒng)成像的物體反射率的獲取方法。該方法包括多光譜圖像亮度校準部分，拍攝部分以及反射率計算部分。校準部分的目的是調節(jié)氙燈光源的輸出電壓，避免拍攝 場景中的目標亮度過亮或過暗，從而避免拍攝到的目標圖像的信息丟失。校準部分的方法是在每個濾光片下依次觀測和調節(jié)場景的平均亮度，保證拍攝的多光譜圖像的亮度保持在150-200 (O代表最暗，255代表最亮)。然后在拍攝并保存31個不同波段下的圖像。反射率是利用拍攝到的多光譜圖像和相關公式計算得到。多光譜圖像中像素點P的亮度ΙΡ(λ J:Ip(A)=廣f rp (X)C(X)Ip^ (λ) + Ep(I)PU -稱 X)⑴
^mm其中，i為第i個波段，t為相機曝光時間，P為物體在第i波段下的反射率，c為相機的相應函數(shù)，E為環(huán)境光的亮度，δ (λ-λ)表示不同波段下窄帶濾光片的相應函數(shù)。物體的反射率可以由(I)推導得到:
/ /(2)
/η (}其中，10 ( λ D為/0(Λ) = M4 - + Λ'4)，表示參考物PTFE的亮度，%表示PTFE板
在波段i下的反射率。I1Ui)為=，表示目標的亮度。&表示目標物
體在波段i下的反射率。本發(fā)明提出一種基于多光譜檢測的波段選擇方法。需要提供不同波段下，多光譜圖像的樣本，正樣本可以使所要檢測的目標物體，負樣本為其他非目標物體。波段選擇步驟如下:
輸入:不同波段下，多光譜圖像的樣本。步驟一:選擇第一個波段B=IbJ。對于不同波段下的正負樣本，建立對應的直方圖。 度量對應波段下，正負樣本直方圖的距離。選擇具有最大距離的波段作為波段選擇的結果。步驟二:劃分第一個波段下，以正樣本的直方圖均值為中心，覆蓋合適區(qū)域的亮度范圍為區(qū)間。采集在該區(qū)間內的不同波段下的正負樣本。步驟三:重復第一步和第二步，增加波段選擇的結果到B，知道選擇出期望獲得的波段數(shù)為止。輸出:波段選擇結果:B= Ib1, b2,…，bj。第一步波段選擇的度量基于JM距離:
權利要求
1.一種通過獲取多光譜圖像中物體的反射率特性，并基于多光譜圖像的反射率進行波段選擇的方法，所述方法實現(xiàn)以下步驟: a)校準:實施例不同，需要獲取的物體的反射率特性不同。校準過程是調節(jié)光源輸出，目的是避免多光譜圖像的亮度值過亮或過暗。
b)拍攝:根據(jù)校準后光源，采集不同光譜波段下的圖像，包括用于波段選擇的正樣本和負樣本。
c)波段選擇:根據(jù)提出的波段選擇方法，進行波段選擇。
2.如權利要求1中所述的方法，利用多光譜圖像反射率進行波段選擇的方法，需要經(jīng)過光照校準過程。通過校準方法獲取物體反射率特性的一個實施例包括以下步驟: a)將不同的窄帶濾光片分別放在攝像頭前面，計算拍攝下的圖像平均亮度值，調節(jié)PWM控制器輸出改變光源亮度，使圖像的平均亮度維持在150-200 (O為最暗，255為最亮)。
b)記錄各個波段下的光源輸出值，以便今后采集多光譜圖像時使用。
c)在經(jīng)過校準的光源下，拍攝不同波段的多光譜圖像，其中包括需要獲多光譜反射率特性的正樣本和其他負樣本。
d)利用已知反射率的參照物，計算多光譜圖像中物體的反射率。
3.如權利要求1中所述的方法，利用多光譜圖像反射率特性進行波段選擇的方法，需要實現(xiàn)以下步驟: a)輸入不同波段下，多光譜圖像的正負樣本。
b)選擇第一個波段B=Ib1K 選擇方法具體實現(xiàn)如下: 1)對于不同波段下的正負樣本，建立對應的直方圖。
2)度量對應波段下，正負樣本直方圖的距離。
3)選擇具有最大距離的波段作為波段選擇的結果。
c)劃分第一個波段下，以正樣本的直方圖均值為中心，覆蓋合適區(qū)域的亮度范圍為區(qū)間，采集在該區(qū)間內的不同波段下的正負樣本。
d)重復第一步和第二步，增加波段選擇的結果到B，知道選擇出期望獲得的波段數(shù)為止。
e)輸出波段選擇結果=B=Od1,b2,…，bm}。
4.如權利要求2中獲取的物體反射率特性和波段選擇的方法，將正負樣本的反射率特性作為特征。
5.如權利要求3中波段選擇的方法，計算正負樣本特征的直方圖，并將正負樣本的直方圖相關距離作為波段選擇的依據(jù)。
6.如權利要求3中波段選擇的方法，劃分選擇的前一個波段結果中，正樣本的特定區(qū)域為區(qū)間，保留其他波段下區(qū)間內的樣本用于下次波段選擇的。
7.如權利要求3中波段選擇的方法，迭代計算正負樣本的直方圖，并選擇合適的波段。
8.如權利要求3中波段選擇的方法，需要明確期望獲得的波段數(shù)，決定波段選擇過程的結束點。
全文摘要
通過多光譜成像系統(tǒng)獲取物體在多種光譜波段下的反射率特性，并利用物體的反射率特性作為特征，進行波段選擇。所述的多光譜成像系統(tǒng)須用窄帶濾光片實現(xiàn)，并且對光源亮度輸出做校準。拍攝校準后的多幅多光譜圖像，其中包括波段選擇的需要正樣本和負樣本。計算提取正負樣本在不同波段下的反射率特性為特征，進行波段選擇。波段選擇方法是基于一維直方圖距離度量的迭代計算方法。從而避免了高維空間距離度量來帶的復雜度和計算量，提高了波段選擇的效率。
文檔編號G01N21/25GK103234915SQ201310025390
公開日2013年8月7日 申請日期2013年1月23日 優(yōu)先權日2013年1月23日
發(fā)明者侯亞麗, 郝曉莉, 郭長青, 王悅揚, 袁雪, 陳后金, 蔡伯根 申請人:北京交通大學