提高光谱匹配精度的散射噪声消除方法

王展; 王可; 王伟超

doi:doi:10.3788/LOP56.022401

激光与光电子学进展, 2019, 56 (2): 022401, 网络出版: 2019-08-01

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Scattering Noise Elimination Method for Improving Spectral Matching Accuracy

王展 ¹王可 ^2,*王伟超 ²

作者单位

¹ 陕西省文物保护研究院, 陕西西安 710075

² 西安建筑科技大学信息与控制工程学院, 陕西西安 710055

图 & 表

图 1. 光纤光谱仪及实验环境

Fig. 1. Fiber spectrometer and experimental environment

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图 2. 矿物晶状体图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 2. Photos of mineral lens. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

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图 3. 矿物原光谱图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 3. Spectra of mineral. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

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图 4. 壁画颜料标准样块。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 4. Standard sample pieces of mural pigments. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

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图 5. 壁画颜料光谱图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 5. Spectra of mural pigments. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

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图 6. MSC校正的矿物光谱数据曲线图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 6. Mineral spectra corrected by MSC. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

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图 7. ALMSC校正的光谱数据曲线图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 7. Mineral spectra corrected by ALMSC. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

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图 8. MSC校正的壁画颜料光谱数据曲线图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 8. Spectra of mural pigment corrected by MSC. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

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图 9. ALMSC校正壁画颜料光谱数据曲线图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 9. Spectra of mural pigment corrected by ALMSC. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

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表 1矿物全波段的光谱匹配结果

Table1. Spectral matching results of mineral with full bands

Mineral	Method	Matching fraction
Mineral	Method	Muscovite 1	Graphite 1	Hematite 1	Pyrite 1	Azurite 1	Malachite 1
Muscovite 2	SAM	0.0988	0.2318	0.2627	0.2062	0.3019	0.3318
	MSCSAM	0.0418	0.1993	0.1925	0.2026	0.3604	0.3919
	ALMSCSAM	0.0409	0.1984	0.1917	0.2019	0.3600	0.3914
Graphite 2	SAM	0.1753	0.0151	0.2213	0.1379	0.2184	0.2308
	MSCSAM	0.2094	0.0145	0.1616	0.1574	0.2888	0.3137
	ALMSCSAM	0.2087	0.0089	0.1613	0.1571	0.2883	0.3133
Graphite 3	SAM	0.1865	0.0219	0.2253	0.1432	0.2181	0.2313
	MSCSAM	0.2129	0.0154	0.1660	0.1612	0.2927	0.3148
	ALMSCSAM	0.2122	0.0113	0.1655	0.1609	0.2923	0.3146
Hematite 2	SAM	0.1161	0.1711	0.1796	0.2190	0.3391	0.3567
	MSCSAM	0.1896	0.2398	0.1167	0.2938	0.4485	0.5087
	ALMSCSAM	0.1888	0.2395	0.1165	0.2937	0.4482	0.5083
Hematite 3	SAM	0.1215	0.2084	0.2457	0.2526	0.3828	0.3749
	MSCSAM	0.3103	0.4137	0.3111	0.4607	0.6300	0.6638
	ALMSCSAM	0.3095	0.4133	0.3107	0.4604	0.6296	0.6634
Pyrite 2	SAM	0.1167	0.2062	0.3030	0.2194	0.3763	0.3375
	MSCSAM	0.1461	0.2075	0.2310	0.2406	0.4460	0.4226
	ALMSCSAM	0.1453	0.2074	0.2309	0.2405	0.4458	0.4224
Pyrite 3	SAM	0.1226	0.2138	0.3022	0.2344	0.3873	0.3495
	MSCSAM	0.1516	0.2173	0.2326	0.2567	0.4589	0.4362
	ALMSCSAM	0.1509	0.2172	0.2325	0.2567	0.4587	0.4361
Azurite 2	SAM	0.4471	0.3748	0.4664	0.3491	0.1722	0.2373
	MSCSAM	0.3805	0.2989	0.3810	0.2731	0.0917	0.1672
	ALMSCSAM	0.3801	0.2984	0.3807	0.2727	0.0916	0.1669
Azurite 3	SAM	0.4777	0.4347	0.5355	0.3966	0.2466	0.2717
	MSCSAM	0.3824	0.3367	0.4194	0.2994	0.1646	0.1751
	ALMSCSAM	0.3837	0.3361	0.4190	0.2989	0.1644	0.1748
Malachite 2	SAM	0.4752	0.4024	0.5638	0.4046	0.2901	0.1859
	MSCSAM	0.4093	0.3183	0.4431	0.3291	0.2515	0.0619
	ALMSCSAM	0.4088	0.3179	0.4428	0.3288	0.2513	0.0617
Malachite 3	SAM	0.5026	0.4353	0.5982	0.4411	0.3324	0.2256
	MSCSAM	0.4124	0.3276	0.4531	0.3441	0.2771	0.0974
	ALMSCSAM	0.4119	0.3272	0.4527	0.3437	0.2768	0.0973

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表 2矿物可见光波段的光谱匹配结果

Table2. Spectral matching results of mineral with visible light bands

Mineral	Method	Matching fraction
Mineral	Method	Muscovite 1	Graphite 1	Hematite 1	Pyrite 1	Azurite 1	Malachite 1
Muscovite 2	SAM	0.0556	0.2125	0.3981	0.0692	0.4289	0.5254
	MSCSAM	0.0578	0.1675	0.2334	0.0463	0.5311	0.6237
	ALMSCSAM	0.0576	0.1669	0.2331	0.0453	0.5309	0.6234
Graphite 2	SAM	0.1697	0.0197	0.5738	0.1737	0.2812	0.3882
	MSCSAM	0.2316	0.0195	0.3684	0.1971	0.4257	0.5258
	ALMSCSAM	0.2304	0.0082	0.3673	0.1960	0.4258	0.5261
Graphite 3	SAM	0.1873	0.0378	0.5786	0.1927	0.2922	0.3980
	MSCSAM	0.2432	0.0312	0.3712	0.2105	0.4348	0.5345
	ALMSCSAM	0.2418	0.0260	0.3700	0.2092	0.4348	0.5347
Hematite 2	SAM	0.1282	0.2442	0.3312	0.1491	0.4970	0.5985
	MSCSAM	0.2531	0.4219	0.0789	0.2998	0.8116	0.9035
	ALMSCSAM	0.2523	0.4210	0.0777	0.2989	0.8112	0.9030
Hematite 3	SAM	0.0936	0.1949	0.3791	0.1170	0.4502	0.5532
	MSCSAM	0.3227	0.4881	0.1394	0.3699	0.8784	0.9708
	ALMSCSAM	0.3214	0.4870	0.1374	0.3685	0.8777	0.9701
Pyrite 2	SAM	0.0390	0.1869	0.4482	0.0245	0.3834	0.4772
	MSCSAM	0.0578	0.1820	0.2547	0.0123	0.5178	0.6066
	ALMSCSAM	0.0575	0.1815	0.2545	0.0097	0.5176	0.6063
Pyrite 3	SAM	0.0433	0.1960	0.4368	0.0350	0.3950	0.4887
	MSCSAM	0.0452	0.1946	0.2428	0.0146	0.5314	0.6198
	ALMSCSAM	0.0448	0.1943	0.2425	0.0120	0.5314	0.6196
Azurite 2	SAM	0.6375	0.5481	1.0772	0.6219	0.2675	0.1661
	MSCSAM	0.5420	0.4028	0.7337	0.4948	0.0441	0.1317
	ALMSCSAM	0.5417	0.4027	0.7334	0.4948	0.0431	0.1313
Azurite 3	SAM	0.6822	0.5894	1.1189	0.6669	0.3139	0.2171
	MSCSAM	0.5670	0.4240	0.7564	0.5200	0.0600	0.1259
	ALMSCSAM	0.5667	0.4238	0.7559	0.5198	0.0588	0.1256
Malachite 2	SAM	0.7082	0.6231	1.1437	0.6913	0.3453	0.2418
	MSCSAM	0.6338	0.5023	0.8273	0.5864	0.0990	0.0662
	ALMSCSAM	0.6334	0.5022	0.8269	0.5861	0.0985	0.0658
Malachite 3	SAM	0.7175	0.5311	1.1512	0.7007	0.3560	0.2550
	MSCSAM	0.6206	0.4871	0.8124	0.5731	0.0974	0.0873
	ALMSCSAM	0.6201	0.4869	0.8119	0.5728	0.0965	0.0869

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表 3矿物红外光波段的光谱匹配结果

Table3. Spectral matching results of mineral with infrared bands

Mineral	Method	Matching fraction
Mineral	Method	Muscovite 1	Graphite 1	Hematite 1	Pyrite 1	Azurite 1	Malachite 1
Muscovite 2	SAM	0.0987	0.2328	0.2102	0.2185	0.2527	0.2815
	MSCSAM	0.0379	0.1975	0.1585	0.2096	0.2824	0.3317
	ALMSCSAM	0.0367	0.1965	0.1576	0.2088	0.2794	0.3293
Graphite 2	SAM	0.1617	0.0129	0.1133	0.1316	0.1872	0.1800
	MSCSAM	0.1976	0.0135	0.1049	0.1510	0.2368	0.2548
	ALMSCSAM	0.1970	0.0088	0.1048	0.1509	0.2344	0.2528
Graphite 3	SAM	0.1718	0.0164	0.1220	0.1341	0.1866	0.1764
	MSCSAM	0.2009	0.0111	0.1082	0.1527	0.2375	0.2540
	ALMSCSAM	0.2003	0.0064	0.1080	0.1527	0.2352	0.2521
Hematite 2	SAM	0.1121	0.1489	0.0607	0.2242	0.2797	0.2896
	MSCSAM	0.1739	0.1967	0.0950	0.2909	0.3675	0.4033
	ALMSCSAM	0.1733	0.1963	0.0944	0.2909	0.3650	0.4012
Hematite 3	SAM	0.1190	0.1817	0.0970	0.2501	0.3104	0.3214
	MSCSAM	0.2920	0.3689	0.2691	0.4518	0.5287	0.5670
	ALMSCSAM	0.2913	0.3682	0.2681	0.4514	0.5258	0.5644
Pyrite 2	SAM	0.0866	0.1377	0.1142	0.1842	0.2723	0.2797
	MSCSAM	0.1198	0.1397	0.0937	0.2051	0.3228	0.3556
	ALMSCSAM	0.1187	0.1386	0.0926	0.2045	0.3193	0.3526
Pyrite 3	SAM	0.0931	0.1457	0.1121	0.2032	0.2851	0.2918
	MSCSAM	0.1256	0.1488	0.0939	0.2246	0.3365	0.3687
	ALMSCSAM	0.1245	0.1478	0.0927	0.2240	0.3331	0.3657
Azurite 2	SAM	0.3839	0.3361	0.3940	0.2894	0.1637	0.1645
	MSCSAM	0.3312	0.2749	0.3304	0.2277	0.0692	0.0807
	ALMSCSAM	0.3289	0.2732	0.3290	0.2258	0.0690	0.0804
Azurite 3	SAM	0.4265	0.4092	0.4574	0.3473	0.2366	0.2475
	MSCSAM	0.3406	0.3231	0.3662	0.2593	0.1272	0.1504
	ALMSCSAM	0.3387	0.3217	0.3650	0.2578	0.1268	0.1500
Malachite 2	SAM	0.4105	0.3382	0.4081	0.3177	0.2026	0.1697
	MSCSAM	0.3468	0.2598	0.3285	0.2443	0.1183	0.0573
	ALMSCSAM	0.3450	0.2585	0.3274	0.2430	0.1180	0.0570
Malachite 3	SAM	0.4400	0.3725	0.4426	0.3579	0.2470	0.2130
	MSCSAM	0.3512	0.2702	0.3382	0.2630	0.1470	0.0924
	ALMSCSAM	0.3497	0.2691	0.3373	0.2620	0.1466	0.0920

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表 4壁画颜料的光谱匹配结果

Table4. Spectral matching results of mural pigments

Pigment	Method	Matching fraction
Pigment	Method	Orpiment 1	Bright red 1	Chromate 1	Lapis lazuli 1	Azurite 1	Malachite 1
Orpiment 2	SAM	0.0077	0.3757	0.0767	0.5627	1.0627	0.9351
	MSCSAM	0.0071	0.3810	0.0755	0.5579	1.0339	0.9128
	ALMSCSAM	0.0053	0.3809	0.0753	0.5579	1.0339	0.9127
Orpiment 3	SAM	0.0072	0.3808	0.0746	0.5609	1.0604	0.9305
	MSCSAM	0.0072	0.3855	0.0733	0.5590	1.0345	0.9108
	ALMSCSAM	0.0056	0.3854	0.0732	0.5589	1.0345	0.9108
Bright red 2	SAM	0.3262	0.0945	0.3763	0.6358	1.1113	1.1380
	MSCSAM	0.3612	0.0858	0.4109	0.6863	1.1351	1.1670
	ALMSCSAM	0.3610	0.0849	0.4107	0.6862	1.1351	1.1669
Bright red 3	SAM	0.3868	0.0711	0.4312	0.7144	1.1850	1.2157
	MSCSAM	0.3635	0.0593	0.4107	0.6822	1.1321	1.1633
	ALMSCSAM	0.3635	0.0585	0.4107	0.6822	1.1321	1.1633
Chromate 2	SAM	0.0714	0.4025	0.0247	0.5574	1.0561	0.8995
	MSCSAM	0.0716	0.4068	0.0210	0.5583	1.0330	0.8826
	ALMSCSAM	0.0715	0.4067	0.0205	0.5582	1.0330	0.8826
Chromate 3	SAM	0.0839	0.4257	0.0202	0.5599	1.0557	0.8873
	MSCSAM	0.0843	0.4300	0.0136	0.5625	1.0344	0.8721
	ALMSCSAM	0.0842	0.4299	0.0128	0.5624	1.0344	0.8720
Lapis lazuli 2	SAM	0.5591	0.6758	0.5716	0.0186	0.5143	0.5793
	MSCSAM	0.5641	0.6843	0.5667	0.0161	0.4844	0.5581
	ALMSCSAM	0.5640	0.6841	0.5666	0.0110	0.4842	0.5579
Lapis lazuli 3	SAM	0.5605	0.6722	0.5733	0.0154	0.5144	0.5849
	MSCSAM	0.5602	0.6788	0.5630	0.0149	0.4888	0.5623
	ALMSCSAM	0.5601	0.6787	0.5629	0.0066	0.4885	0.5621
Azurite 2	SAM	1.0183	1.1061	1.0276	0.4742	0.0515	0.5022
	MSCSAM	1.0341	1.1257	1.0333	0.4910	0.0295	0.4994
	ALMSCSAM	1.0340	1.1256	1.0332	0.4907	0.0208	0.4990
Azurite 3	SAM	1.0230	1.1091	1.0328	0.4769	0.0444	0.5111
	MSCSAM	1.0350	1.1255	1.0347	0.4900	0.0220	0.5067
	ALMSCSAM	1.0350	1.1254	1.0347	0.4898	0.0118	0.5064
Malachite 2	SAM	0.9348	1.1745	0.9071	0.5874	0.5308	0.0179
	MSCSAM	0.9139	1.1587	0.8787	0.5632	0.5096	0.0172
	ALMSCSAM	0.9139	1.1587	0.8786	0.5631	0.5094	0.0106
Malachite 3	SAM	0.8822	1.1224	0.8573	0.5313	0.5106	0.0610
	MSCSAM	0.9150	1.1631	0.8804	0.5649	0.5086	0.0166
	ALMSCSAM	0.9150	1.1631	0.8803	0.5648	0.5082	0.0095

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王展, 王可, 王伟超. 提高光谱匹配精度的散射噪声消除方法[J]. 激光与光电子学进展, 2019, 56(2): 022401. Zhan Wang, Ke Wang, Weichao Wang. Scattering Noise Elimination Method for Improving Spectral Matching Accuracy[J]. Laser & Optoelectronics Progress, 2019, 56(2): 022401.

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图 1. 光纤光谱仪及实验环境

Fig. 1. Fiber spectrometer and experimental environment

图 2. 矿物晶状体图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 2. Photos of mineral lens. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

图 3. 矿物原光谱图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 3. Spectra of mineral. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

图 4. 壁画颜料标准样块。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 4. Standard sample pieces of mural pigments. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

图 5. 壁画颜料光谱图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 5. Spectra of mural pigments. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

图 6. MSC校正的矿物光谱数据曲线图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 6. Mineral spectra corrected by MSC. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

图 7. ALMSC校正的光谱数据曲线图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 7. Mineral spectra corrected by ALMSC. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

图 8. MSC校正的壁画颜料光谱数据曲线图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 8. Spectra of mural pigment corrected by MSC. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

图 9. ALMSC校正壁画颜料光谱数据曲线图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 9. Spectra of mural pigment corrected by ALMSC. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

表 1矿物全波段的光谱匹配结果

Table1. Spectral matching results of mineral with full bands

表 2矿物可见光波段的光谱匹配结果

Table2. Spectral matching results of mineral with visible light bands

表 3矿物红外光波段的光谱匹配结果

Table3. Spectral matching results of mineral with infrared bands

表 4壁画颜料的光谱匹配结果

Table4. Spectral matching results of mural pigments

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提高光谱匹配精度的散射噪声消除方法 下载： 1301次

图 1. 光纤光谱仪及实验环境

Fig. 1. Fiber spectrometer and experimental environment

图 2. 矿物晶状体图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 2. Photos of mineral lens. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

图 3. 矿物原光谱图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 3. Spectra of mineral. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

图 4. 壁画颜料标准样块。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 4. Standard sample pieces of mural pigments. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

图 5. 壁画颜料光谱图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 5. Spectra of mural pigments. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

图 6. MSC校正的矿物光谱数据曲线图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 6. Mineral spectra corrected by MSC. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

图 7. ALMSC校正的光谱数据曲线图。(a)白云母;(b)石墨;(c)赤铁矿;(d)黄铁矿;(e)蓝铜矿;(f)孔雀石

Fig. 7. Mineral spectra corrected by ALMSC. (a) Muscovite; (b) graphite; (c) hematite; (d) pyrite; (e) azurite; (f) malachite

图 8. MSC校正的壁画颜料光谱数据曲线图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 8. Spectra of mural pigment corrected by MSC. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

图 9. ALMSC校正壁画颜料光谱数据曲线图。(a)雌黄;(b)大红;(c)铬黄;(d)青金石;(e)石青;(f)石绿

Fig. 9. Spectra of mural pigment corrected by ALMSC. (a) Orpiment; (b) bright red; (c) chromate; (d) lapis lazuli; (e) azurite; (f) malachite

表 1矿物全波段的光谱匹配结果

Table1. Spectral matching results of mineral with full bands

表 2矿物可见光波段的光谱匹配结果

Table2. Spectral matching results of mineral with visible light bands

表 3矿物红外光波段的光谱匹配结果

Table3. Spectral matching results of mineral with infrared bands

表 4壁画颜料的光谱匹配结果

Table4. Spectral matching results of mural pigments

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