一种基于近红外高光谱的壁画起甲病害评估方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及计算机辅助文物保护领域，尤其涉及一种基于近红外高光谱的壁画起 甲病害评估方法。
【背景技术】
[0002] 古代壁画是我国文化遗产中最有特色的重要组成部分。我国现存的绝大部分遗址 中都保存有古代壁画。它不仅是探宄中国古代美学装饰特征的珍贵资料，同时也是人类文 明发展历史进程的重要记录，具有极高的历史价值、艺术价值及科学价值。这些文化遗产都 涉及到本行业领域的保护技术问题，在当前我国保护技术人才相对匮乏、保护技术水平较 低下的现状下，保护任务十分紧迫。
[0003] 早期人们主要应用的光学调查法有X光照相、正常光照相、斜射光照相、红外成像 等手段进行壁画的调查及记录，近年来随着数字成像技术及器件的发展，多光谱成像、紫外 荧光成像技术的应用进入实际应用阶段。但是这些光学调查法光谱范围与维数相对较少， 没有很好的挖掘出壁画表面颜料成分在连续光谱范围内的特征变化。与此同时，计算机技 术也开始用于古代绘画作品包括壁画、油画等的修复中，出现了计算机辅助文物裂纹、脱落 的修补和文物清洗等方面的应用。随着信息技术的发展，数字摄影、图像处理、机器学习等 技术也被广泛的应用到古代壁画保护之中。在利用计算机辅助壁画保护过程中，图像处理 技术应用最广也最成功。不过这些信息技术的使用大多数只集中在对可见光波段下壁画图 像纹理、色彩变化的研宄与分析，所提取特征不一定能够表征壁画病害本身属性，缺乏对壁 画本身材质颜料的变化分析。
【发明内容】
[0004] 本发明提供了一种基于近红外高光谱的壁画起甲病害评估方法，本发明通过对壁 画近红外高光谱图像的获取以及光谱特征提取与分析，实现对壁画起甲病害的分布与严重 程度的可视化显示，详见下文描述：
[0005] 一种基于近红外高光谱的壁画起甲病害评估方法，所述壁画起甲病害评估方法包 括以下步骤：
[0006] 通过近红外高光谱成像系统获取特定壁画在数百个连续的不同光谱波长下的图 像；
[0007] 通过肉眼观察定位，寻找到壁画中处于不同严重程度起甲病害的关键位置，并在 对应的高光谱图像中相应的位置进行标记，提取光谱数据作为起甲程度的病害光谱标准 库；
[0008] 对高光谱数据进行存储与预处理；对光谱特征数据提取与分析。
[0009] 所述近红外高光谱成像系统包括：近红外高光谱相机、旋转平台、电脑、光源、三脚 架和数据线，
[0010] 所述近红外高光谱相机安装在所述旋转平台上，所述近红外高光谱相机与所述旋 转平台通过所述数据线与所述电脑相连，所述旋转平台通过所述电脑的控制进行一定角度 内的自动旋转，同时所述近红外高光谱相机通过所述电脑进行图像收集与存储；所述近红 外高光谱相机与所述旋转平台通过所述三脚架进行位置固定，所述光源通过所述三脚架进 行位置固定。
[0011] 所述对光谱特征数据提取与分析的步骤具体为：
[0012] 利用训练得到的预测模型对壁画高光谱图像进行逐像素点的起甲发生程度预测， 并使用不同的颜色进行标注，得到壁画中的起甲病害分布可视化图；同时根据预测模型中 加权决定系数的极大值和极小值，选取在壁画起甲病害预测中起到重要作用的波段输入预 测模型进行预测。
[0013] 与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
[0014] 1、将近红外高光谱成像技术用于壁画起甲病害的检测与分析上，获取了壁画在近 红外波段范围内的光谱变化特征，并以起甲病害不同的严重程度作为参照建立起甲病害光 谱特征标准库。操作过程简单，所得数据可靠性高。同时为非接触式成像，不损坏壁画表面。
[0015] 2、利用PLSR预测模型获取了壁画起甲病害位置及严重程度分布图。用户可以通 过此分布图直观的看出壁画中起甲病害发生的位置，并且依据颜色的变化可以发现不同严 重程度的起甲，从而采取相应的保护措施。同时记录了壁画起甲病害的材质及其状态随时 间演化的光谱变化规律，为后期进行壁画的保护与修复提供了参考数据。
[0016] 3、重要波段的提取在保证了预测模型预测准确性与稳定性的前提下，降低了系统 的计算成本与开销，简化了预测模型。
【附图说明】
[0017] 图1为本发明的整体流程图；
[0018] 图2为高光谱图像示例图；
[0019] 图3为高光谱图像存储格式示意图；
[0020] 图4为高光谱图像获取装置示意图；
[0021] 图5为不同起甲程度示意图；
[0022] 图6为四种不同起甲形态的光谱曲线图；
[0023] 图7为壁画起甲风险预估图及其滤波图像的示意图。
【具体实施方式】
[0024] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步 地详细描述。
[0025] 近红外高光谱技术作为一种非破坏性的光学调查手段，在壁画调查诊断中具有重 要的应用前景，特别是在所成图像可以快速、直观的分辨出壁画修复及保护过程的多种信 息，对于在壁画科学保护中分析辨别修复材料，评估壁画保存现状都具有重要的意义。
[0026] 对壁画病害预警评估技术存在两个问题：一是对壁画的成像以及特征提取；二是 对壁画病害随时间变化的特征分析以及可视化。现有的壁画起甲病害分析技术对壁画的成 像存在光谱范围窄、光谱维数小等缺点，很难从化学方面分析壁画的变化。本发明提出一种 利用近红外高光谱技术对壁画起甲病害进行分析评估的模型，对成像壁画中的每一个像元 位置进行起甲病害程度的分析以及预测，整体的流程如图1所示。
[0027] 101 :高光谱壁画信息采集与起甲病害光谱标准库建立；
[0028] (1)近红外高光谱成像系统
[0029] 成像光谱仪的扫描方式为线扫描，并分光使每个元素成分对应线阵上的一个像素 点，连续采集多条线组合成高光谱图像。因此，每一幅来自光谱相机的图像结构包括一个维 度（空间轴）上的线阵像素和在另一个维度（光谱轴）上的光谱分布（光在光谱元素的强