多光譜成像技術及其在印刷中的應用

汪麗霞

多光譜成像技術出現于20世紀70年代，早期應用于遙感、地面軍事等領域，隨著半導體光電探測器的出現，多光譜成像技術迅速發展，其應用范圍擴展到藥物學、環境科學、食品工程、農業、印刷等領域。

多光譜成像技術作為新一代光電探測技術，全稱為多通道光譜成像技術，是利用分光元件對目標樣品進行多通道成像。每個通道獲取的圖像具有較高的光譜分辨率，代表了目標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、結構簡單、造價低等優點，已然成為了印刷行業一大研究熱點。

多光譜成像系統構成

多光譜成像系統（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）相機及計算機控制臺。對光源的要求是輻射光譜在可見光范圍內連續，常用的光源有D50光源和A光源；濾光片輪是用來構成多個通道的光譜信息（如果分別在多種光源下成像，可以在通道數不變的情況下減少濾光片的數量）；CCD相機是系統常用的圖像輸入設備。

多光譜成像系統的分類

由多通道數字相機構成的光譜成像系統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。這種光譜成像系統根據濾色片的設計不同，可分為兩大類：窄帶成像系統和寬帶成像系統。

1.窄帶成像系統

窄帶成像系統由單色數字相機和窄帶采樣濾光片構成。通常濾光片輪采用液晶可調濾光片系統（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，各濾光片的透射率峰值被設定為互相間隔大約10納米。單色相機通過依次使用不同的濾光片進行圖像拍攝，獲得同一景物的30多幅單色圖像，并輸出為相機色空間的多通道圖像。

2.寬帶成像系統

窄帶成像系統采樣間隔小，因此數據量大，處理工作量也大。寬帶成像系統增大了采樣間隔，其構成主要有兩種方式：一種方式類似窄帶成像系統，用單色相機加少量寬帶濾光片組構成系統，每組寬帶濾光片可用1～3種窄帶濾光片進行組合，固定在濾光片輪盤上。圖2為一個六孔濾光片輪盤。

寬帶系統的另一種構成方式是為現有的三色RGB數字相機加濾光片。通過為三色相機加或不加濾光片，或者為三色相機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。這種系統采用現有的專業數字相機，系統構成簡單，系統控制較采用輪盤變換的方法更容易，也更加實用。

在實際應用中，成像系統的選用需要綜合考慮諸多因素，如系統輸出圖像的質量、系統的硬件復雜度和造價、控制系統的軟件復雜度、圖像獲取所需時間、數據所需存儲空間、系統使用的便利性、系統軟硬件的可維護性、系統復制的復雜度等。

多光譜成像關鍵技術

多光譜圖像需用光譜成像系統獲取，并通常由多通道數字相機系統完成這一工作。當多通道數字相機拍攝場景圖像后，其輸出并非多光譜圖像，而是與相機所用顏色空間相關的多通道圖像。該圖像包含場景的環境光照、景物的光譜反射特性、相機的光譜靈敏度以及相機濾光片的光譜透射率等多方面的信息，需要進行處理，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。

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，利用它們在時空上的相關性及信息上的互補性，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性：對人眼來說，可見光具有豐富的細節和敏銳的色感，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強，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處理和融合算法及結果顯示，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，再將融合結果與其余圖像逐一融合，得到最終的融合結果。

對于像元級圖像融合，預處理部分通常包括圖像校正、圖像降噪以及圖像配準。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行的一種復原性處理，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量。而圖像配準則可以定義為：從不同探測器、不同時間、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；基于加權平均的融合方法；還有邏輯濾波方法、數學形態法、模擬退火法等。

2.光譜反射率的重建

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

根據理論基礎或原理不同，可以將光譜反射率重建技術分為3類：

①直接重建法：通過對多光譜相機系統的整體靈敏度求逆運算來直接重建。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的矩陣之乘。當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：相機的響應值可以用插值的方法來求得一個近似的光譜反射率。此類方法主要有三樣條插值、改進的離散正弦變換法等。

③間接重建法：也被稱作基于學習的光譜重建法。這種方法一般先用一個校正對象來建立相機響應值和光譜反射率之間的轉換，然后其他對象的相機響應值就能夠轉換到光譜反射率。間接重建法主要有主成分分析法、R矩陣法等，是當前光譜重建時最常用的光譜算法。

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、數據量大的特點，這給數據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，減少數據量是一項非常重要的工作。現有的降維方法，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的降維方式的優點是可以經過若干變換直接將高維數據降低到幾維甚至一維，降維速度快；缺點是對圖像進行了變換，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、數據源劃分等。基于非變換的降維方式是在考察圖像整體特點之后對圖像進行選擇和劃分的，它克服了變換法改變圖像特性的缺點，因此更有利于保持圖像的原有特性。

多光譜成像技術在印刷行業中的應用

眾所周知，傳統的印刷色彩復制技術普遍存在“同色異譜現象”，即視覺上相同的顏色所對應的光譜可能截然不同，一旦照明光源改變，原來兩個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境、照明條件等因素都相同的觀察條件下，才能實現復制品顏色和參考樣一致。而多光譜成像技術，突破了傳統印刷顏色復制中原色油墨數量的限制，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。

1.高保真印刷

多光譜技術在高保真印刷中的應用價值主要體現在：一是采用光譜數據對光源的顯色性進行分析和修正，最大程度地消除由光源因素所導致的顏色復制失真問題；二是多基色印刷中，基于光譜的油墨選擇，尤其是確立藝術品、文物等最佳印刷復制基色；三是使用光譜數據優化油墨集，擴展印刷色域，最大程度地消除印刷中的“同色異譜”現象；四是利用多基色光譜數據進行顏色疊加或分色計算，能極大地提高計算精度。

2.跨媒體出版

跨媒體出版技術通過建立紙質媒體、電子媒體和網絡媒體基本要素的數據標準和描述方法，重構圖文音像內容的頁面描述、配置、關聯、管理與資源化，進而實現顏色數字化的實時、彩色、多樣和個性化的輸出與再現。由于多光譜顏色復制技術采用唯一的光譜數據標定顏色，基本不受具體光源、周圍環境、標準觀察者等因素的制約，一種環境下的光譜反射率或透射率能預測或反演至另一種環境下，因此更利于實現顏色的跨媒體復制。

3.色彩管理

當前流行的ICC色彩管理技術，基于“色度真實”，由于同色異譜現象，使用一般的高精度照相機或掃描儀不能保證復制品在各種光源下的顏色與原稿一致，不能真正實現顏色的精確再現；基于色貌模型的色彩管理系統由于參數較多、計算復雜和應用條件嚴格，難以應用推廣；而基于多光譜的色彩管理系統通過測量目標上每點的光譜反射率，再使用基于多光譜的顏色復制技術得到復制品，可以在各種光源下達到非常高的顏色真實性，可解決色貌模型的一些應用困難，提高復制精度，是實現高保真印刷和跨媒體出版的關鍵，具有廣泛的應用與發展前景。

小結

由于多光譜成像技術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像素的光譜維信息，近些年該技術成為相關領域的一大研究熱點，但其仍存在一些問題：①在進行圖像采集時，物體表面光源照度的均勻性和穩定性直接影響到采集結果及后續光譜重建的精確度；②往往由于噪聲干擾、系統離焦、平臺抖動等因素，導致系統像質下降；③光譜通道太多，影響圖像采集的速度和增加了系統的復雜度，降低了系統的實時性和實用性；④采用專業的圖像傳感器CCD采集圖像，使得系統的成本過高；⑤尚沒有形成一個有效的顏色管理數據鏈，使得基于多光譜的色彩管理技術距實用尚有一定的差距。相信這些問題將為多光譜成像技術相關研究開啟更多的方向。