基於光譜可調LED光源顏色精度導向數據簡化多光譜成像

正文

基於(yu) 光譜可調LED光源顏色精度導向數據簡化多光譜成像

介紹

光譜成像是對文化遺產(chan) 材料進行科學檢查、記錄和可視化的有力工具。單一可見光譜成像數據集中捕獲的豐(feng) 富信息可用於(yu) 估計材料診斷反射曲線，創建高精度的顏色再現，並模擬在觀察和照明條件變化時的外觀變化[1]，[2]。光譜成像的這些特點使它比傳(chuan) 統的RGB成像更全麵和通用，並使其在文化遺產(chan) 工作中越來越受歡迎。基於(yu) LED的光譜成像尤其令人感興(xing) 趣，尤其是隨著LED變得越來越普遍，它們(men) 在靈活性、效率和成本效益方麵持續改進，超過基於(yu) 濾波器的方法[3]、[4]。

盡管光譜成像具有公認的優(you) 點，但它仍主要被用作一次性技術研究的科學工具，使用複雜的儀(yi) 器進行，需要大量的計算數據處理[5]-[7]。因此，它還沒有在更常規的文化遺產(chan) 數字化工作流程中找到一席之地。為(wei) 了使光譜成像從(cong) 實驗室有效地轉換到工作室，必須權衡複雜性、效率、質量和成本。

本文的研究探索了基於(yu) 需求的方法實現光譜成像作為(wei) 常規成像技術更實際的D1步。這涉及到在Z終渲染的圖像中確定高顏色精度所需的圖像波段的數量。在保持特定水平的顏色再現質量的同時減少波段數量是降低捕獲和處理複雜性同時提高工作流效率的一種簡單方法。考慮到預算和空間補償(chang) ，在本次研究中使用的係統包括一個(ge) 商業(ye) 攝像機和LED光源，這些光源已經在工作室設備體(ti) 係中找到或很容易添加到工作室設備體(ti) 係中。

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。從(cong) 使用LED光源全部容量10，逐步減少波段的數量，Z終下降到6的這個(ge) 範圍。此外，所有的圖像波段都在可見範圍內(nei) ，峰值波長從(cong) 385 nm到725 nm。由於(yu) 本研究的重點是顯色性，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裏不考慮。

裝置

更實用的光譜成像策略需要使用熟悉的和負擔得起的工具。D1種是商用RGB相機。這裏展示的圖像是使用改良的索尼7R III數碼相機進行的。對相機進行了改進，去掉了其內(nei) 部的紅外濾光片，這擴展了相機紅色通道的靈敏度(圖1)。也提高了在較長可見波長下的光譜估計精度。用於(yu) 成像的光是SPECTRA TUNE LAB(LEDMotive)光譜可調LED光源[8]。每個(ge) 光源包含10個(ge) 獨立尋址的LED顏色通道。LED的光譜功率分布如圖2所示，各LED的峰值波長如表1所示。這些源是定製的，包含10個(ge) 通道，可以為(wei) 藝術家的材料提供的顏色複製。特定的LEDZ初是根據模擬使用LED光譜功率分布和彩色目標反射光譜與(yu) 單色相機[4]。這裏展示的工作概括了它們(men) 的用途，通過將它們(men) 與(yu) 顏色傳(chuan) 感器配對而不是單色傳(chuan) 感器，並通過描述使用少於(yu) 10個(ge) LED全套實現的顏色再現。

這款光譜可調LED光源有一個(ge) 輕量級的外殼以及一個(ge) 小的體(ti) 積(16 x 12 x 12厘米)。每一台光源都包含一個(ge) 內(nei) 部積分球並配有外置反射器，確保照明均勻。成像采用典型的相機/光源0˚/45˚studio設置(圖3)。

 

圖1所示，改進後的RGB相機的光譜靈敏度

 

圖2，在定製的SPECTRA TUNE LAB LED光源中，10個(ge) LED的歸一化光譜功率分布

 

表1，每個(ge) LED的峰值波長

 

圖3，工作室成像裝置

方法

成像

一個(ge) 場景包含幾個(ge) 彩色目標，然後是一個(ge) 平場，使用每個(ge) LED輪流成像進行照明。這就產(chan) 生了10張目標和平場的3通道RGB圖像。同樣的場景和平場然後由LED的策略組合照明下成像，進一步解釋如下。同時也捕捉到了相同曝光時間的暗色圖像。燈光被調到近似D50照明，並捕獲一個(ge) 單一的RGB圖像，使傳(chuan) 統RGB成像和各種多光譜組合之間的比較進行評估。

波段約減

RGB相機在三個(ge) 波段捕捉相對廣泛的光譜靈敏度。光譜可調LED光源可以提供多達10個(ge) 不同的通道照明。每個(ge) LED依次捕捉一個(ge) RGB圖像，收集10張3波段(RGB)圖像，共30個(ge) 波段。這對於(yu) 實際處理和精確的色彩渲染來說是必要的或有用的。由於(yu) 窄帶輸出的大多數LED，在大多數的RGB圖像中，隻有一個(ge) 通道包含了大部分的信號。例如，當使用450nm藍光LED時，隻有藍色的相機通道在這個(ge) 波長有很高的靈敏度，因此比綠色或紅色通道包含更多的信號。靈敏度高的相機通道，LED輸出峰值處將包含Z多的信號。按照這個(ge) 邏輯，通過從(cong) 每個(ge) RGB圖像中選擇包含Z多信號的通道，將30個(ge) 波段的集合減少到10個(ge) 。這個(ge) 10波段的集合包含了Z初的多光譜波段集。係統的光譜靈敏度結果被繪製在圖4上。

從(cong) 10個(ge) 波段集合係統的一個(ge) 波段一個(ge) 波段的去除，創建9個(ge) 波段，然後是去除一對波段，創建8個(ge) 波段，Z終創建7和6個(ge) 波段。對每個(ge) 組合的顯色性進行評估，以確定每個(ge) 波段總數的哪個(ge) 組合導致的顏色精度損失小。以該方法確定的8波段集的係統光譜靈敏度為(wei) 例，如圖5所示。比較了8波段和10波段的係統靈敏度，得出了方案8波段係統缺少505和對應的波段620 nm LED (LED 4和LED 8)。

 

圖4，10波段多光譜係統的光譜靈敏度

 

圖5，通過波段去除獲得8波段集合的係統靈敏度

在第二種波段縮減策略中，通過係統地配對和分組來捕獲光照下的圖像，將10個(ge) 波段集縮減為(wei) 同時使用9、8、7和6個(ge) LED燈的波段集。再次評估每個(ge) 組合的顯色性，以確定每個(ge) 波段總數的哪個(ge) 組合導致顏色精度損失小。例如，使用這種方法獲得的8波段集是將600、620和660 nm LED (LED 7、8和9)在單個(ge) 捕獲中組合而成的。紅色相機的通道在這些波長上收集的信號多，因此，這也是8個(ge) 波段中包含的信號。圖6繪製了這個(ge) 8波段集的係統靈敏度結果。請注意使用兩(liang) 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8波段集合的係統靈敏度

顯色性評價(jia)

根據圖7所示的目標: Next Generation Target V2(Avian Rochester, LLC)和Artist Paint Target (Image Science Associates,LLC)的交叉分析來評估顏色渲染。總之，這些目標為(wei) 測試提供了廣泛顏色分布，以及材料和光譜相關(guan) 的油漆樣品。在建立顏色配置文件之前，所有圖像都經過平場和暗電流校正。對於(yu) 給定的圖像集，根據捕獲的每個(ge) 目標的相機信號與(yu) 分光光度測量得到的參考三刺激值之間的關(guan) 係，估計出顏色變換矩陣。為(wei) 了計算從(cong) 記錄信號到渲染顏色的直接轉換，在光譜校準中選擇了比色校準。本實驗未進行光譜校準，即先估計目標反射光譜，然後計算其顯色性。

利用每一組中所有可用波段構建顏色變換矩陣。因此，矩陣的大小從(cong) 10波段多光譜集的3 × 10到6波段多光譜集的3 × 6，常規的3 ×3RGB圖像，其中每個(ge) 矩陣的第2維對應於(yu) 總波段數。根據直接比色校準，對這個(ge) 矩陣迭代優(you) 化，得到目標中所有補丁的小平均值E00。優(you) 化後，每個(ge) 目標得到的矩陣被用於(yu) 交叉剖麵波段集，預測相反的L*a*b*值，核驗目標。具有低平均值和90%驗證目標E00值的波段設置對每一種減少策略和每一種總波段數目都確定為(wei) 滿足這些要求的波段組，報告如下。

 

圖7，Next Generation Target V2 (NGT)和Artist Paint Target (APT)用於(yu) 色彩渲染評估做交叉分析

結果

表2總結了帶減實驗的結果。波段集按總頻帶數分類在頂部行。下一行標識從(cong) 集合中刪除的波段，或者在捕獲過程中合並的LED，以獲得D1行中所指示的總數。

 

表2，每個(ge) 指定圖像集的驗證目標平均值和90%E00值

報告的組合是那些給出低的平均值和每個(ge) 減少的波段集大小(9、8、7和6)和每個(ge) 波段減少方法的90%E00值(去除波段與(yu) 組合LED)。還報告了每個(ge) 組合的大E00值。結果表明，無論采用何種波段縮減方法，減少波段數量對平均顏色精度的影響都不大。這可以通過從(cong) 左到右讀取表中的E00的平均值發現。隨著波段數量的減少，兩(liang) 個(ge) 目標的均值都沒有顯著增加。事實上，在任何一個(ge) 6波段的情況下，NGT的均值從(cong) 1.1增加到僅(jin) 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(cong) 1.1增加到1.3。90%分位值和大E00值確實隨著波段數量的減少而增加，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，盡管這種增加並非單調的。請注意，平均值和90%E00值在兩(liang) 個(ge) 目標之間具有可比性，這表明在交叉分析中具有良好的目標獨立性。

所有測試用例的平均值和90%E00值都低於(yu) 數字圖像可感知色差的極限，這表明90%的補丁呈現的色差誤差小於(yu) 可感知色差[10]。在大多數情況下，大值E00僅(jin) 代表一個(ge) 沒有被很好地描述的補丁。當使用從(cong) 完整的10到6個(ge) 波段集來創建分析，均值和90%E00值沒有明顯的顯著增加。所有測試用例都明顯優(you) 於(yu) 傳(chuan) 統的RGB成像，後者的度量在表的Z後一列中報告。比較6波段集和RGB的結果表明，將波段數加到6，平均值和90%E00值降低了2倍以上。對於(yu) 這兩(liang) 個(ge) 目標，從(cong) RGB成像中獲得的值相對於(yu) 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的顯色對比圖。

 

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

 

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

觀察根據這組特定LED提供的光譜覆蓋範圍、相機的靈敏度和獲得的E00值之間的關(guan) 係。當先創建9個(ge) 波段，再創建8個(ge) 波段，組合是把琥珀色和紅色LED去掉或結合起來，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範圍內(nei) 輸出，足以維持顏色精度。首先修改了琥珀紅色區域的光譜覆蓋，當創建進一步減少的7和6波段集時，去除或結合綠色和藍色峰值的LED給出了好的結果。例如，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。注意，通過波段移除創建的組都沒有去掉395、545或735 nm LED (LED 1、6和10)。LED兩(liang) 端的設置是必要的錨定和提供必要的覆蓋到可見範圍的邊緣。位於(yu) 裝置中間的寬波帶545 nm LED在去除相鄰波段時提供覆蓋，此外，還能模仿人類視覺係統的發光效率函數(V())峰值，這對顏色精度[9]很重要。

結論

本研究探討了基於(yu) LED的多光譜成像的顯色精度的局限性，研究了在顏色剖麵構建過程中減少波段數量的影響，我們(men) 確定，雖然用於(yu) 實驗成像的光譜可調LED光源包含10個(ge) 通道，隻要使用6個(ge) 就可以在渲染圖像中獲得幾乎相等的平均顏色精度。這表明一種實用的基於(yu) LED的多光譜成像策略可以通過使用更簡化的燈和更少的LED來實現，從(cong) 而降低製造成本。在保持平均顏色精度的同時減少波段數量是可能的，這為(wei) 構建文化遺產(chan) 材料顏色精確再現的簡化多光譜成像策略提供了一個(ge) 簡化框架。這是因為(wei) 利用RGB相機通道固有的3通道靈敏度的捕獲策略對於(yu) 6個(ge) 或更少波段的捕獲比步進光譜範圍的捕獲序列更有效，就像在這項研究中使用的那樣。未來的工作將解決(jue) 利用特定的LED組合在所有三個(ge) 攝像機通道中大限度地捕獲信息，使僅(jin) 在兩(liang) 個(ge) 捕獲波段[11]，[12]中捕獲6個(ge) 有用波段。 此外，結合光譜和比色校準過程將被研究，這樣係統的輪廓是均方根光譜反射率誤差，估計的光譜用於(yu) 計算顏色呈現。

  

這項調查的結果將用於(yu) 指導實際係統和策略的開發，以降低常規文化遺產(chan) 成像的多光譜成像的複雜性。

參考文獻

[1] A. Cosentino, “identification of pigments by multISPectral imaging; a flowchart method,” Heritage, vol. 2, no. 8, 2014.

[2] B. Hill, “High Quality color image Reproduction : The Multispectral Solution,” in 9th International Symposium on Multispectral Colour Science, 2007, pp. 1–7.

[3] R. Shrestha and J. H. Hardeberg, “An experimental study of fast multispectral imaging using LED illumination and an RGB camera,” in Final Program and Proceedings - IS&T/SID Color Imaging Conference, 2015, pp. 36–40.

[4] R. Shrestha and J. Y. Hardeberg, “Assessment of Two Fast Multispectral Systems for Imaging of a Cultural Heritage Artifact – A Russian Icon,” in Proceedings - 14th International Conference on Signal Image Technology and Internet Based Systems, SITIS 2018, 2018, pp. 645–650.

[5] J. K. Delaney, K. A. Dooley, A. van Loon, and A. Vandivere, “Mapping the pigment distribution of Vermeer’s Girl with a Pearl Earring,” Herit. Sci., vol. 8, no. 1, pp. 1–16, 2020.

[6] J. Striova, A. D. Fovo, and R. Fontana, “Reflectance imaging spectroscopy in heritage science,” Riv. del Nuovo Cim., vol. 43, no. 10, pp. 515–566, 2020.

[7] C. Cucci, J. K. Delaney, and M. Picollo, “Reflectance Hyperspectral Imaging for Investigation of Works of Art: Old Master Paintings and Illuminated Manuscripts,” Acc. Chem. Res., vol. 49, no. 10, pp. 2070– 2079, 2016.

[8] LEDMotive, “SPECTRA TUNE LAB: The light engine for scientists.” [Online]. Available: https://LEDmotive.com/stlab/. [Accessed: 23-Feb-2021].

[9] J. N. Paray, “LED Selection for Spectral (Multispectral) Imaging,” Rochester Institute of Technology, 2020.

[10] M. Stokes, M. D. Fairchild, and R. S. Berns, “Precision Requirements for Digital Color Reproduction,” ACM Trans. Graph., vol. 11, no. 4, pp. 406–422, 1992.

[11] R. S. Berns, L. A. Taplin, M. Nezamabadi, M. Mohammadi, and Y. Zhao, “Spectral Imaging using commercial colour-filter array digital camera,” in Proceedings of The Fourteenth Triennial ICOM-CC Meeting, 2005, pp. 743–750.

[12] R. S. Berns, “Color-Accurate Image Archives Using Spectral Imaging,” in Scientific Examination of Art: Modern Techniques in Conservation and Analysis, Washington, DC, 2005, pp. 105–119.

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