专利名称：反射光谱的简洁表示的制作方法
技术领域：
本发明涉及材料的反射光谱的简洁表示。具体但不限于，本发明涉及多种材料的 反射光谱数据的压缩、识别和比较。本发明的方面包括方法、软件、计算机系统和简洁表示 本身。
背景技术：
术语“光谱”描述光能量在波长的连续范围上的分布。材料的反射光谱(也称为 “光谱特征”)包括从该材料反射的光的比例，其是材料的特性。图像传感器技术的发展已使得可以对覆盖波长的宽光谱的图像数据进行采集。与 三原色传感器相比，多光谱和高光谱传感器可以获得宽光谱上几百至几千个波段中以波长 为索引(wavelenght-indexed)的反射率和辐射率数据。迄今为止，这些光谱采用离散的以 波长为索引的测量值来获得并存储。结果，反射光谱数据的大小取决于波长的数目或者光谱的分辨率。对于高分辨率 光谱，每个特征可以由几百个值即波段组成，为了对这些值即波段进行存储，需要大的存储 空间。
发明内容
在第一方面中，本发明是一种生成第一材料的反射光谱数据的简洁表示的方法， 该方法包括以下步骤(a)接收或访问由波长值和反射率值所组成的反射光谱数据；(b)将样条曲线插值到所述反射光谱数据，所述样条曲线具有控制点的集合、节点 矢量，并将波长和反射率表示为独立参数的函数；以及(c)从所述节点矢量中去除使所述样条曲线的参数域中的成本函数最小化的一个 或多个节点。本发明的优点在于，可以利用样条曲线的控制点的集合和节点矢量来表示反射光 谱数据。样条曲线通过步骤(b)的插值被拟合到反射光谱数据以便遵守所述数据，并且步 骤(C)减少了用于表示所述数据的参数的数目。以此方式，所述方法提出了反射光谱数据 的简洁表示，该简洁表示通过将几千个样本可能降低到几个控制点和节点，提供了存储空 间的节省。此外，压缩率与表示质量之间的折衷由步骤(c)控制。另一优点包括控制点和 节点矢量表示对于照明、噪声和场景几何的变化具有鲁棒性。样条被用在图形和计算机辅助设计中。样条被设计并被用于表示车身和船体。这 些都是被视为3D表面的自由形状的实体。反射光谱数据被理解为2D的以波长为索引的信 号。因此，本发明表示关于光谱特征的几何阐释的观点中的创造性改变。 该方法可以进一步包括如下步骤 (d)基于所述控制点集合和所述节点矢量将所述反射光谱数据显示为样条曲线。 所述样条曲线可以是非均勻有理B样条曲线(NURBS)。
步骤(c)的使成本最小化可以基于反射率函数。成本函数可以由反射光谱数据与 所述样条曲线之间的方差定义。也就是说，所述成本函数基于每对波长与反射率值中的反 射率值与针对与该对的同一波长值对应的参数由反射率函数给定的反射率值之间的方差。 以另一方式，每个波长对应于由波长函数和反射率函数都使用的独立参数。方差在独立参 数的域，也称为参数域中定义。成本函数还可以不利于大数目的节点。波长和反射率函数可以共享基于(即同一)节点矢量的同一基函数。步骤(c)可以进一步包括如下步骤(i)对候选的可去除节点的集合进行识别；(ii)对去除每个候选节点会产生的近似成本降低进行确定；(iii)从候选节点的集合中选择根据所述成本函数近似产生最大成本降低的第一 节占.
I— /、、、 (iv)将所述第一节点从所述节点矢量中去除；以及(ν)将波长值和反射率值的对从受所去除的第一节点的影响的位置处的所述反射 光谱数据中去除。该方法可以进一步包括如下步骤重复步骤(b)和(C)直到每个剩余节点的去除将产生的近似成本降低小于确定 值，所述确定值例如表示进一步的节点去除将不会产生更低成本的值或节点的预定数目。所述方法可以进一步包括如下步骤将波长值和反射率值的对从在步骤(C)中去除的节点的位置处的所述反射光谱 数据中去除；以及重新采样参数域中的反射光谱数据，并对重新采样的反射率数据执行步骤(b)和
(C)。步骤(c) (ii)的重复可以包括如下步骤通过更新由于先前节点的去除的影响所产生的每个近似成本降低，对每个候选节 点的去除会产生的近似成本降低进行确定。本发明至少一个实施例的优点在于，其将传统的插值和节点去除方法修改为最优 化的程序。以此方法，插值本身对于NURBS来说不是标准的，但是修改后的插值针对拟合良 好性和表示维度使表示最优。反射光谱数据包括原光谱数据和/或光谱图像。所述数据可以由离散的样本组 成。所述数据可以从高光谱成像设备和光谱仪接收。该方法可以进一步包括以下步骤将所述简洁表示提供给识别器，以识别第二材 料。该方法可以进一步包括通过对第二材料的反射光谱数据执行步骤(a)、(b)、(c) 和(d)来生成第二材料的反射光谱的简洁表示。该方法可以进一步包括如下步骤当第一材料的材料类型为已知时，对识别算法进行训练以识别该材料类型；以及利用所述识别算法和所述第二材料的简洁表示将所述第二材料识别为所述材料类型。所述第一材料和第二材料的反射光谱数据的分辨率可以不同。该方法可以进一步包括通过比较第一材料和第二材料的反射光谱各自的简洁表 示(即控制点集合和节点矢量)来比较第一材料和第二材料的反射光谱。比较的结果可以 是将第二材料识别为与第一材料相同或不同。第一材料的反射光谱可以由具有与采集第二 材料的反射光谱的设备不同分辨率的设备采集。通过不同仪器获得的反射光谱数据经常由 于在不同的光谱频率处取样而无法互相兼容。该实施例的优点在于，通过共同的处理，样条 的使用提供了用于分析不同仪器所获得的不同反射光谱的统一的数学基础。样条的使用还 提供了数值上稳定且有效的闭合形式的光谱表示。由于样条不会随几何变换而变化，并且 呈现出局部支持，因此样条的使用对于噪声还具有鲁棒性，这意味着反射光谱数据中的局 部扰动和恶化不会影响以波长为索引的测量值的其余部分。所述方法可以进一步包括生成所述第一材料的反射光谱数据和第二材料的反射 光谱数据的简洁表示，其中步骤(b)包括将样条曲线插值到第一材料和第二材料的反射光 谱数据中的每一个，使得样条曲线共享节点矢量、波长函数和参数值，并且每个样条曲线具 有其自身的反射率函数和控制点。步骤(C)的使成本函数最小化可以包括针对每个样条 曲线进行最小化，使对所有光谱进行平均的每对波长值和反射率值中的反射率值与针对与 同一波长所对应的参数由反射率函数给出的反射率值之间的差值的平方和最小化。另一方面，本发明提供一种软件，当该软件被安装到计算机系统上时会使得计算 机系统按照以上所述的方法来运行。在再一方面中，本发明提供一种计算机系统，用于生成第一材料的反射光谱的简 洁表示，所述计算机系统包括用于接收反射光谱数据的输入端口(在接收到的情况下)；执行以上所述的步骤(b)和(C)的处理器；以及存储装置，用于存储简洁表示的控制点的集合和节点矢量。所述处理器可以进一步操作为执行步骤(d)，并且所述计算机系统可以进一步包 括显示NURBS表示的输出设备。本发明的又一方面提供一种存储于计算机可读介质上的反射光谱数据的简洁，其 中所述简洁表示如以上所述的那样生成。
现在，将参照附图描述本发明的示例，在附图中图1是该示例的方法的流程图；图2是该示例的计算机系统的示意图；图3示出对该示例的节点去除方法进行总结的算法1 ；图4示出算法2，其示出利用参数域中重新采样的数据点迭代应用节点去除算法；图5示出通过从人类皮肤的反射光谱中去除节点而得到的NURBS曲线；图6示出通过从树叶的反射光谱中去除节点而得到的NURBS曲线；以及图7示出对与多反射光谱一起使用的插值步骤进行总结的算法3。
具体实施例方式在该示例中，将参照图1的流程图描述基于由非均勻有理B样条(NURBS)曲线对 多光谱数据进行插值得到的控制点的反射率表示。该插值基于参数域中的节点去除方案。 因此，我们开发了 NURBS的局部支持，以便恢复从高光谱成像设备和光谱仪获取的光谱特 征数据的简洁形式。现在参考图2描述在该示例中用于执行方法的计算机系统10。光谱仪12采集处 于光谱仪12视野内的树叶14的反射光谱数据。然后，该数据通过与输入端口(未示出) 的直接连接被提供给计算机16，并由计算机16接收40。然后，将反射光谱数据存储在计算 机16的诸如外部数据存储器18或内部数据存储器(未示出)之类的存储介质上。计算机16已安装有使其处理器访问所存储的反射光谱数据以执行图2所示的方 法的软件，该软件包括创建所述数据的简洁表示。该软件还允许处理器执行算法训练和对 所述数据的进一步分析，例如以下更详细描述的材料的比较和识别。简洁表示可以代替存储在数据存储器18上的所存储的反射光谱数据。NURBS可以 在输出设备上显示，在该例子中是在计算机系统的监视器20上显示。基于NURBS的表示基于NURBS的表示可以处理密集采样的反射光谱，该密集采样的反射光谱可能由 可见光谱上的几百个数据点组成。为了分类的目的，已知长特征矢量由于会招致计算成本 和学习理论的限制，因此会降低性能。所以，期望所述表示在维度尽可能小的情况下具有最 大的判别力。我们现在将描述NURBS曲线，并将NURBS曲线与对光谱进行的插值步骤42相关 联。然后，我们通过使样条曲线的参数域中的成本函数最小化，并通过执行节点去除44，将 反射光谱表示公式化。基本公式B样条是相对于度数、平滑度和域划分具有支持的函数。平滑度特性使得插值曲线 对噪音具有鲁棒性。局部支持特性允许在给定波长范围内对曲线进行修改，同时保持样条 的其它部分不受影响。首先，我们需要一些形式体系。由于光谱是波长λ的函数，因此我们将我们的分 析限制为两维的情况。/I· R2 'I1Illn个片断组成的ρ度B样条曲线C是在参数域U中由以 下线性组合给定的单变量t的函数。C(O = YjNiJt)Pi(1)
/=0其中Pi = (Xi, Yi)是2D控制点，并且Ni, p(t)是在参数域上定义的ρ度B样条基 函数[1]。曲线上的点的坐标(χ，y)以参数式表示x(t) = iNlAt)Xi (2)
i=0冲)= χ“0 兄· (3)
/=0
B样条的特征不仅在于控制点，还在于节点矢量U= {U(1，...，um}，其中m = n+p+l。 使用这些要素可以将P度的第i个B样条基函数Ni,p (t)定义如下
权利要求
1.一种生成第一材料的反射光谱数据的简洁表示的方法，所述方法包括以下步骤(a)接收或访问由波长值和反射率值的对所组成的反射光谱数据；(b)将样条曲线插值到所述反射光谱数据，所述样条曲线具有控制点的集合、节点矢 量，并将波长和反射率表示为独立参数的函数；以及(c)从所述节点矢量中去除使所述样条曲线的参数域中的成本函数最小化的一个或多 个节点。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述样条曲线为非均勻有理B样条曲线(NURBS)。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其中步骤(c)的使成本最小化基于反射率函数。
4.根据权利要求1、2或3所述的方法，其中所述成本函数由所述反射光谱数据与所述 样条曲线之间的方差定义。
5.根据权利要求4所述的方法，其中所述成本函数基于来自一对波长值和反射率值中 的反射率值与针对与该对的同一波长值对应的参数由反射率函数给出的反射率值之间的 方差。
6.根据权利要求4或5所述的方法，其中所述成本函数不利于大数目的节点。
7.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中波长函数和反射率函数共享基 于节点矢量的同一基函数。
8.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中步骤(c)包括以下步骤 (i)对候选的可去除节点的集合进行识别；( )对去除每个候选节点会产生的近似成本降低进行确定；(iii)从候选节点的集合中选择根据所述成本函数近似产生最大成本降低的第一节占.(iv)将所述第一节点从所述节点矢量中去除；以及(ν)将波长值和反射率值的对从受所去除的第一节点影响的位置处的所述反射光谱数 据中去除。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括将波长值和反射率值的对从在步骤(c)中去除的节点的位置处的所述反射光谱数据 中去除；以及重新采样参数域中的反射光谱数据，并对重新采样的反射率数据执行步骤(b)和(C)。
10.根据权利要求8所述但受权利要求9限制的方法，其中(c)(ii)的重复包括以下步骤通过更新由于先前节点的去除的影响所产生的每个近似成本降低，确定每个候选节点 的去除会产生的近似成本降低。
11.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中所述反射光谱数据是从高光 谱成像设备和/或光谱仪中接收到的。
12.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中所述方法进一步包括以下步 骤将所述简洁表示提供给识别器，用于识别第二材料。
13.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中所述方法进一步包括 重复所述方法以生成第二材料的反射光谱数据的简洁表示；对所述第一材料和所述第二材料的反射光谱数据的简洁表示进行比较，以识别所述第二材料与所述第一材料相同或不同。
14.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中所述第一材料的反射光谱由 具有与采集第二材料的反射光谱数据的设备不同分辨率的设备采集。
15.根据前述权利要求中任一项或多项所述的方法，其中所述方法生成所述第一材料 的反射光谱数据和第二材料的反射光谱数据的简洁表示，其中步骤(b)包括将样条曲线插 值到反射光谱数据中的每一个，使得样条曲线共享节点矢量、波长函数和参数值，并且每个 样条曲线具有其自身的反射率函数和控制点。
16.根据权利要求15所述的方法，其中步骤(c)的使成本函数最小化包括针对每个 样条曲线进行最小化，使对所有光谱进行平均的每对波长值和反射率值中的反射率值与针 对与同一波长所对应的参数由反射率函数给出的反射率值之间的差值的平方和最小化。
17.一种软件，该软件被安装到计算机系统上时会使得计算机系统按照前述权利要求 中任一项或多项所述的方法来运行。
18.一种计算机系统，用于生成第一材料的反射光谱的简洁表示，所述计算机系统包括处理器，用于执行前述权利要求中任一项或多项所述的步骤(a)、(b)和(c)；以及 存储装置，用于存储简洁表示的控制点的集合和节点矢量。
19.一种存储在计算机可读介质上的反射光谱数据的简洁表示，其中所述简洁表示根 据权利要求1至16中任意一项或多项生成。
全文摘要
本发明涉及材料的反射光谱的简洁表示。例如，用于对多种材料的反射光谱数据进行压缩、识别和比较。所压缩的表示将样条曲线插值到反射光谱数据，所述样条曲线具有控制点的集合、节点矢量，并将波长和反射率表示为独立参数的函数(42)。然后，基于波长函数从所述节点矢量中去除使所述样条曲线的参数域中的成本函数最小化的一个或多个节点(44)。本发明的方面包括方法、软件、计算机系统及简洁表示本身。
文档编号G06F17/17GK102067110SQ200980123196
公开日2011年5月18日 申请日期2009年6月19日 优先权日2008年6月20日
发明者功·普克·修, 安东尼奥·罗夫莱斯-凯利 申请人:澳大利亚国家Ict有限公司