传世艺术画作的多光谱图像
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摘 要 介绍了多光谱颜色技术和以及国外研究近况,提出了运用多光谱颜色技术获取多光谱图像对传世艺术画作进行抢救性保护的可操作技术途径。构建了宽带多光谱成像实验系统,实验表明7个宽带通道的多光谱图像获取系统,光谱重建精度满足颜色重现精度的要求:无论最大色差和平均色差都小于人眼可分辨容限,可以满足艺术画作图像颜色高保真重现的目的。

引 言

随着现代社会的进步和发展,人们对文物古画的喜好和研究与日俱增,对这些珍稀艺术瑰宝的传承和发扬光大是当代博物典藏工作的一件大事。早在上世纪90年代至今,英、美、日、法等国家的研究者开始对一些馆藏画作系统的开展制作艺术品电子档案的研究,利用多光谱成像技术开展艺术画作电子档案,目的是获取拍摄目标的每一点的可见光光谱反射率,并对其外观颜色高保真地保存、传递、显示、复制。在颜色图像领域,逐步形成了多光谱颜色技术的研究框架。为促进多光谱颜色技术的发展, 20027,国际照明委员会(CIE)将多光谱颜色成像技术列为图像技术下新的研究方向。多光谱颜色技术发展,根源在于人眼视觉的同色异谱特性。在同样的照明条件和观察者条件下,两个同样颜色的色块可能存在光谱不同的现象,即同色未必同谱;反过来讲,当两光谱函数曲线完全相同时,在同样的光源照明下观察者将看到同样的颜色,即同谱必定同色。根据颜色视觉的原理,基于光谱的颜色匹配会尽可能地减小同色异谱,提高产品质量。总之,多光谱颜色技术直接获取物体表面的光谱反射率,通过多波段的光谱匹配实现颜色的匹配,从而从原理上避免了同色异谱现象。多光谱成像技术应用于博物馆传世艺术作品的典藏,对民族优秀文化的传承和发扬光大有着重要的意义。

 

多光谱数字图像典藏技术

颜色技术手段,记载为真实再现艺术画作视觉外观原貌所必要的光谱信息,并且以电子或实物载体形式存在和传播的原画作的拷贝,从而达到真实复现原物外观颜色。多光谱颜色重现技术的实现首先拍摄多光谱图像,准确估计拍摄目标每一物点的光谱反射率。其次,对图像的多光谱数据进行处理。多光谱图像数据量很大,为了方便存储和传输以及应用于具体场合,必须对该光谱数据进行具体处理。最后,多光谱颜色的重现,这是多光谱颜色技术的最终目的。

多光谱相机的组成可用图1示意。包括照明光源、一组滤色器、CCD电子控制摄像头和PC机。迄今,多光谱相机滤色器设计主要由两种形式。最普遍的是模式是具有大量窄带滤色片的系统,不足之处在于每一通道的光通量小,并且数据量巨大。另一模式是选择数目有限宽带吸收滤色片组成滤色器的宽带系统,该系统可提供更高的光通量,并且对数据量要求不高,这是因为可以通过对拍摄现场内容的光谱信息进行分析以获取“现场光谱特征知识”。虽然第二种模式的不足之处是要考虑现场内容,但作为博物数字典藏而言这是容易做到的,比如可以通过对拍摄稿的反射率进行主成分分析得到[ 1 ]。由多光谱相机的响应信号和各通道的光谱响应特性,可以估计出拍摄场景的光谱信息。原理上讲,由于宽带特征光谱向量维数远大于通道数,所以宽带多光谱相机可以得到更高的光谱分辨率。

实验装置

实验采用Basler302f摄像头,可见光范围内,其光谱灵敏度曲线如图2 ( a)所示。光源采用A光源,其辐射光谱分布如图2( b)所示。滤色器采用吸收滤色片,该滤色片为在58片吸收滤色片中挑选所得,分别采用678个通道,每一通道的滤色片不超过两个滤色片。利用主成分分析法进行反射率估计。反射率样本采用Macbeth色卡的24块色样,如图2 ( c)

实验结果

3给出了8个通道下24个样本的反射率估计结果。其中,左侧曲线为对应色卡反射率的实测值,而右侧曲线为估计所得的值,纵轴为反射率,每条曲线对应的横轴为波长,分别从400 - 700nm (图中未标出) 。在三个通道数目下,反射率估计值和反射率测量值。图5 给出对应的CIE色差下,分别给出了DEL3 a3 b3 DE94DE2000色差,观察条件为CIE1931标准观察者、D65光源、20 视场。其中图4左半部分是三个通道数目下对Macbeth色卡反射率的估计的反射率与测量反射率对应的平均色差;右半部分为对应24个色差中的最大色差。从图3可以看出绝大多数反射率估计曲线与测量曲线吻合较好,但是色卡19 - 24号六块中性色卡的光谱曲线估计较差。在7个或8个通道下无论平均色差,还是最大色差均小于人眼的色差分辨力。一般认为,CIEL3 A3 B3 色差不大于3个色差单位,人眼就看不出颜色的差别。从图4还可看出,三个通道数目下,通道数为7时有最好的颜色重现精度,可见通道数目增长并不能严格保证反射率重建精度提高。在实验设定的条件下,采用7个获取通道来构建宽带多光谱相机进行多光谱图像获取,可以满足艺术画作多光谱数字图像典藏的要求。


结 论

对传世艺术画作进行多光谱数字图像典藏,有着重要的意义。采用7个获取通道来构建宽带多光谱相机进行多光谱图像获取,可以满足艺术画作多光谱数字图像典藏的要求。下一步的工作是对光谱重建算法进一步研究,提高中性色的反射率估计精度。

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