专利名称：一种基于多光谱检测的波段选择方法
技术领域：
本发明涉及多光谱图像的成像设备和信息处理方法，更具体的说，本发明针对多光谱图像中，物体的反射率的获取，以及选择合适光谱波段进行多光谱图像的采集和处理等情况下的成像设备和信息处理方法。
背景技术：
近些年来，多光谱图像处理技术应用在很多方面，例如目标检测和识别，特征提取和图像增强等。多光谱的波长范围可从400nm达到2000nm左右,从而造成成像设备复杂,获取多光谱图像困难等情况，因此波段选择作为一种选取合适的波段的方法成为多光谱检测的重要部分之一，这不仅可以简化多光谱的成像系统，降低拍摄多光谱图像时的工作量，而且可以允许多光谱设备进行连续的视频采集，进行实时的视频检测。目前，波段选择的方法可以归为两类。一种最直接的方法是将所有可能的波段组合分别测试检测结果的准确性，并比较每种多光谱波段组合的检测结果，最终选出最优的那个波段组合。这种方法的优点是一定能够选出最优的波段组合用于多光谱检测，然而它的缺点也是显而易见的，拍摄过程耗时长，数据处理复杂度高，计算量大等。另一种波段选择的方法是SFS，也是最常用的波段选择的方法。通过减少搜索空间，该算法的效率非常高。该算法的思想是迭代计算和距离度量。前一个选择的波段会与其他波段结合，用联合距离度量，具有最大联合距离的波段组合作为波段选择的结果。直到选择的波段组合达到理想的检测结果为止。但是，随着波段的增加，在高维空间距离度量的计算量也迅速增长。多光谱图像的优势在于能够很好的体现不同物体在各个波段下具有独特的特性，其原因是物体的反射率在不同波段下表现不同。如图一，人体皮肤反射率在紫外部分反射率较低，继而随波长的增加反射率增大，在575nm处有“W”形状。皮肤反射率在800nm处达到峰值，在900nm处会出现下降,在达到最小值后又重新增大但增大幅度很小。PVC和硅胶材料的反射率在400 nm到600nm段增长迅速，在700nm到900nm保持平稳，900nm以后又出现下降。纸质材料在600nm到800nm波段增长迅速,800nm到IOOOnm保持平稳。利用这些多光谱下的物体的反射率特性，我们可以提取多光谱下的物体特征，进行图像检测和识别等处理。[引用列表][非专利文献]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提出一种使用多频带近红外照明条件下皮肤检测的系统及方法。该方法用摄像机在两个近红外波段拍摄两个不同近红外波段的图像，根据两幅图像之间的差异，生成二值化的皮肤图像，通过二值化的皮肤图像在原始图像中提取皮肤区域。该方法主要用于计算机数据录入时对坐在计算机屏幕前的数据录入人员的皮肤(手)的提取，无法应用于大范围、复杂场景下的皮肤检测。而且，该方法没有定量给出如何选择合适的波段进行多光谱成像的方法。因此考虑到上述情况，需要设计一种多光谱成像系统获得多光谱图像，同时提出一种简单有效的波段选择方法去选择合适的波段进行多光谱图像的采集，以及后续的图像处理。
发明内容
在本发明的系统，方法和硬件实现描述前，需要声明的是本发明并不局限于说明书所描述的关于波段选择的方法下的实例，可有多个没有在本文中说明的可能实例。并且，本文所采用的波长范围并不局限于所应用的范围，波长范围可以涉及其他未提出的波段。本发明提供了一种多光谱成像系统，该系统成本低，实现简单，并且获取的多光谱图像质量满足数据分析和处理的条件。如图二，本成像系统主要包括一台高功率的全光谱氙灯光源，31个不同波段的窄带滤光片，一个黑白摄像头，一台计算机，一个PWM控制模块以及一个PTFE白板。高功率的氙灯作为一个全光谱的主动光源，31个窄带滤光片能够用于多光谱成像，拍摄时需将滤光片依次放在摄像头前面。摄像头能够获取单通道的多光谱图像。计算机用于图像的保存和处理，PWM控制模块用于调节光源电压。PTFE白板作为参考物用于计算物体的反射率。本发明还提供一种基于多光谱系统成像的物体反射率的获取方法。该方法包括多光谱图像亮度校准部分，拍摄部分以及反射率计算部分。校准部分的目的是调节氙灯光源的输出电压，避免拍摄 场景中的目标亮度过亮或过暗，从而避免拍摄到的目标图像的信息丢失。校准部分的方法是在每个滤光片下依次观测和调节场景的平均亮度，保证拍摄的多光谱图像的亮度保持在150-200 (O代表最暗，255代表最亮)。然后在拍摄并保存31个不同波段下的图像。反射率是利用拍摄到的多光谱图像和相关公式计算得到。多光谱图像中像素点P的亮度ΙΡ(λ J:Ip(A)=广f rp (X)C(X)Ip^ (λ) + Ep(I)PU -稱 X)⑴
^mm其中，i为第i个波段，t为相机曝光时间，P为物体在第i波段下的反射率，c为相机的相应函数，E为环境光的亮度，δ (λ-λ)表示不同波段下窄带滤光片的相应函数。物体的反射率可以由(I)推导得到:
/ /(2)
/η (}其中，10 ( λ D为/0(Λ) = M4 - + Λ'4)，表示参考物PTFE的亮度，%表示PTFE板
在波段i下的反射率。I1Ui)为=，表示目标的亮度。&表示目标物
体在波段i下的反射率。本发明提出一种基于多光谱检测的波段选择方法。需要提供不同波段下，多光谱图像的样本，正样本可以使所要检测的目标物体，负样本为其他非目标物体。波段选择步骤如下:
输入:不同波段下，多光谱图像的样本。步骤一:选择第一个波段B=IbJ。对于不同波段下的正负样本，建立对应的直方图。 度量对应波段下，正负样本直方图的距离。选择具有最大距离的波段作为波段选择的结果。步骤二:划分第一个波段下，以正样本的直方图均值为中心，覆盖合适区域的亮度范围为区间。采集在该区间内的不同波段下的正负样本。步骤三:重复第一步和第二步，增加波段选择的结果到B，知道选择出期望获得的波段数为止。输出:波段选择结果:B= Ib1, b2,…，bj。第一步波段选择的度量基于JM距离:
权利要求
1.一种通过获取多光谱图像中物体的反射率特性，并基于多光谱图像的反射率进行波段选择的方法，所述方法实现以下步骤: a)校准:实施例不同，需要获取的物体的反射率特性不同。校准过程是调节光源输出，目的是避免多光谱图像的亮度值过亮或过暗。
b)拍摄:根据校准后光源，采集不同光谱波段下的图像，包括用于波段选择的正样本和负样本。
c)波段选择:根据提出的波段选择方法，进行波段选择。
2.如权利要求1中所述的方法，利用多光谱图像反射率进行波段选择的方法，需要经过光照校准过程。通过校准方法获取物体反射率特性的一个实施例包括以下步骤: a)将不同的窄带滤光片分别放在摄像头前面，计算拍摄下的图像平均亮度值，调节PWM控制器输出改变光源亮度，使图像的平均亮度维持在150-200 (O为最暗，255为最亮)。
b)记录各个波段下的光源输出值，以便今后采集多光谱图像时使用。
c)在经过校准的光源下，拍摄不同波段的多光谱图像，其中包括需要获多光谱反射率特性的正样本和其他负样本。
d)利用已知反射率的参照物，计算多光谱图像中物体的反射率。
3.如权利要求1中所述的方法，利用多光谱图像反射率特性进行波段选择的方法，需要实现以下步骤: a)输入不同波段下，多光谱图像的正负样本。
b)选择第一个波段B=Ib1K 选择方法具体实现如下: 1)对于不同波段下的正负样本，建立对应的直方图。
2)度量对应波段下，正负样本直方图的距离。
3)选择具有最大距离的波段作为波段选择的结果。
c)划分第一个波段下，以正样本的直方图均值为中心，覆盖合适区域的亮度范围为区间，采集在该区间内的不同波段下的正负样本。
d)重复第一步和第二步，增加波段选择的结果到B，知道选择出期望获得的波段数为止。
e)输出波段选择结果=B=Od1,b2,…，bm}。
4.如权利要求2中获取的物体反射率特性和波段选择的方法，将正负样本的反射率特性作为特征。
5.如权利要求3中波段选择的方法，计算正负样本特征的直方图，并将正负样本的直方图相关距离作为波段选择的依据。
6.如权利要求3中波段选择的方法，划分选择的前一个波段结果中，正样本的特定区域为区间，保留其他波段下区间内的样本用于下次波段选择的。
7.如权利要求3中波段选择的方法，迭代计算正负样本的直方图，并选择合适的波段。
8.如权利要求3中波段选择的方法，需要明确期望获得的波段数，决定波段选择过程的结束点。
全文摘要
通过多光谱成像系统获取物体在多种光谱波段下的反射率特性，并利用物体的反射率特性作为特征，进行波段选择。所述的多光谱成像系统须用窄带滤光片实现，并且对光源亮度输出做校准。拍摄校准后的多幅多光谱图像，其中包括波段选择的需要正样本和负样本。计算提取正负样本在不同波段下的反射率特性为特征，进行波段选择。波段选择方法是基于一维直方图距离度量的迭代计算方法。从而避免了高维空间距离度量来带的复杂度和计算量，提高了波段选择的效率。
文档编号G01N21/25GK103234915SQ201310025390
公开日2013年8月7日 申请日期2013年1月23日 优先权日2013年1月23日
发明者侯亚丽, 郝晓莉, 郭长青, 王悦扬, 袁雪, 陈后金, 蔡伯根 申请人:北京交通大学