一种重构艺术绘画光谱图像的训练样本选择方法

技术领域

本发明涉及成像式获取艺术绘画光谱及色度信息的方法，尤其是利用具有多个可见光波段通道的多光谱相机获取艺术绘画的反射光谱信息以进一步获取其色度信息的方法。

背景技术

由于同色异谱现象的存在，物体的色度参数难以可靠表征物体的本源信息，而物体的光谱反射比是设备无关且与捕获光源无关的物理量，可以表征物体的本源信息。因此，准确重构出艺术绘画的光谱反射比可以实现其高精度的数字化保存，且可以忠实复现其在任意光源下的颜色外貌。

现有的光谱重构算法多是基于训练样本的，即利用训练样本建立相机响应值与光谱反射比之间的转换关系。但研究发现，当训练样本与目标对象的材质不一致时，光谱重构效果会严重劣化，且对于珍贵的艺术绘画其材质可能是不可知的，因此用常规的商用色卡做训练样本势必会导致光谱重构精度的下降。

发明内容

为了降低训练样本与艺术绘画材质不一致引起的光谱重构精度劣化，本发明提出了一种重构艺术绘画光谱图像的训练样本选择方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种重构艺术绘画光谱图像的训练样本选择方法，包括以下步骤：

(1)用多光谱相机拍摄绘画的多光谱图像I_p，保持多光谱相机位置不变，将坐标纸紧贴于绘画表面，拍摄坐标纸的多光谱图像I_c。

(2)利用k-means聚类算法对绘画的多通道响应值聚类，将绘画的多光谱图像聚成若干类，在每一类中选择与类内其它样本最接近的样本作为一个训练样本。

(3)将训练样本在绘画多光谱图像上的位置映射到坐标纸多光谱图像上，根据训练样本在坐标纸多光谱图像上的位置，在坐标纸上标记出训练样本。

(4)用光谱辐射计对准一个训练样本在坐标纸上的位置，保持光谱辐射计位置不变，将坐标纸一端固定，另一端掀起至露出画作上训练样本的位置，用光谱辐射计测量该位置的光谱辐亮度s_t，放下坐标纸；然后，从光谱辐射计目镜用相机拍摄其圆形测量区域在坐标纸上的图像I_t，将已知光谱反射比r_r的参考白板放在坐标纸上光谱辐射计测量位置，测量参考白板在该位置的光谱辐亮度s_r，则该位置的训练样本的光谱反射比r_t＝s_t·*r_r·/s_r,‘·*’表示两向量对应元素相乘，‘·/’表示两向量对应元素相除。用相同方法测量并计算出所有样本的光谱反射比。

(5)利用圆形Hough变换在图像I_t上提取光谱辐射计测量区域的圆心和半径，并映射到坐标纸多光谱图像I_c上，再进一步映射到绘画多光谱图像I_p上，由此计算多光谱图像I_p上对应光谱辐射计测量区域内所有像素的多通道响应值的平均值，并作为训练样本的多通道响应值。

(6)利用所有训练样本的光谱反射比及多通道响应值，建立多通道响应值到光谱反射比的转换关系，从而计算出绘画多光谱图像I_p上每一个像素的光谱反射比，由此重构出绘画的光谱图像。

本发明的有益效果是：本发明通过直接在艺术绘画自身提取训练样本，减小了训练样本与艺术绘画材质不一致对光谱重构的负面影响，提高了艺术绘画光谱重构的精度，且整个操作过程未直接接触艺术绘画，避免了对艺术绘画的可能污损。

附图说明

图1是选择出的油画中25个训练样本的光谱反射比。

具体实施方式

以一幅油画和一台滤色片轮式的多光谱相机为例，阐述重构艺术绘画光谱图像的训练样本选择方法。该多光谱相机由8个干涉滤色片形成8个通道，8个滤色片的FWHM(峰值半高宽，Full Width of Half Maximum)均为20nm，其峰值透过率波长分别为420nm、460nm、500nm、540nm、580nm、620nm、660nm、700nm。光谱辐射计采用Konica Minolta公司的CS-2000，测量孔径采用0.2°。

本实施例重构油画光谱图像的训练样本选择方法，具体包括以下步骤：

(1)用多光谱相机拍摄油画的多光谱图像I_p，保持多光谱相机位置不变，将坐标纸紧贴于油画表面，拍摄坐标纸的多光谱图像I_c。

(2)用k-means聚类算法对油画的多通道响应值聚类，将油画的多光谱图像聚成25类，并在每一类中选择与类内其它样本最接近的样本作为一个训练样本，故共得到25个训练样本。本实施例以25类为例，但不局限于此。

(3)将训练样本在油画多光谱图像上的位置映射到坐标纸多光谱图像上，根据训练样本在坐标纸多光谱图像上的位置，在坐标纸上用笔标记出25个训练样本。

(4)用光谱辐射计对准一个训练样本在坐标纸上的位置，保持光谱辐射计位置不变，将坐标纸一端固定，另一端掀起至露出画作上训练样本的位置，用光谱辐射计测量该位置的光谱辐亮度s_t，放下坐标纸，然后，从光谱辐射计目镜用相机拍摄其圆形测量区域在坐标纸上的图像I_t，将已知光谱反射比r_r的参考白板放在坐标纸上光谱辐射计测量位置，测量参考白板在该位置的光谱辐亮度s_r，则该位置的训练样本的光谱反射比r_t＝s_t·*r_r·/s_r,‘·*’表示两向量对应元素相乘，‘·/’表示两向量对应元素相除。用相同方法测量并计算出所有25个样本的光谱反射比，结果如图1所示。

(5)利用圆形Hough变换在图像I_t上提取光谱辐射计测量区域的圆心和半径，然后映射到坐标纸多光谱图像I_c上，并进一步映射到油画多光谱图像I_p上，再计算多光谱图像I_p上对应光谱辐射计测量区域内所有像素的多通道响应值的平均值，并作为训练样本的多通道响应值。

(6)利用25个训练样本的光谱反射比及多通道响应值，建立多通道响应值到光谱反射比的转换关系，由此计算出油画多光谱图像I_p上每一个像素的光谱反射比，从而重构出油画的光谱图像。

(7)在画作上另外测量了20个样本点用于检验光谱重构精度，同时用商用色卡X-Rite Digital ColorChecker SG(DSG)chart作为训练样本进行光谱重构，以与所选择的25个样本获得的光谱重构精度进行对比。经计算，基于所选择的25个训练样本进行光谱重构而获得20个检验样本光谱反射比的平均色差达到了1.46ΔE₀₀(CIEDE2000色差单位)，显著优于用DSG色卡做训练样本所重构的20个检验样本光谱反射比的平均色差2.42ΔE₀₀，证明了采用本方法选择训练样本的可行性和有效性。