1 西安建筑科技大学信息与控制工程学院，陕西 西安 710055
2 陕西省文物保护研究院，陕西 西安 710075
3 西安博物院，陕西 西安 710074
针对传统城墙病害检测采用人工勘测方法，检测效率较低且易受到主观因素干扰等问题，提出一种基于卷积神经网络的城墙多光谱成像病害无损检测方法，利用最小噪声分离方法对城墙多光谱成像数据进行预处理，降低数据维度的同时保留原始数据特征，减少数据噪声；为解决城墙不同病害类型的像素混杂多样造成分类准确率较低的问题，利用卷积操作对城墙病害进行特征提取，保留最重要的特征并去除无关特征，稀疏网络模型；通过全连接层对提取到的特征进行整合梳理和分类，并加入两次dropout防止过拟合问题的出现。最后在城墙多光谱数据集上，使用训练后的卷积神经网络分类模型对城墙病害进行像素级分类检测，并将预测结果进行可视化展示。实验结果表明：总体精度和Kappa系数分别为93.28%和0.91，表明所提方法是有效的，该方法对提高城墙病害检测准确率、掌握城墙病害分布具有重要意义。
光谱学 卷积神经网络 多光谱成像 像素级分类 城墙病害 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0437006
沈阳师范大学物理科学与技术学院， 辽宁 沈阳 110000
卵母细胞质量是影响哺乳动物体外受精能力、 胚胎体外发育潜能以及妊娠成功与否的关键因素， 显著影响着人类的辅助生殖、 动物的育种、 品种改良及保存濒危物种等工作， 对其质量的研究具有重要的应用价值。 目前常规的质量评估手段主要从形态学角度、 从生化分析角度展开。 但传统的基于卵母细胞形态甄选评估其发育质量的方法， 其结果的可靠性较强地依赖于技术人员的经验， 具有主观性较强的特点; 新型的基于生物学技术检测生化指标的方法虽能弥补基于形态检测方法的不足但仍存在侵入式研究、 生物操作步骤繁琐复杂、 实验耗时长， 影响卵母细胞后续发育的缺点。 众所周知， 生物组织异变往往伴随着内部生化组分的改变， 而生化组分的改变往往表现出光谱的差异。 鉴于此， 利用紫外-可见分光光度计和自改建多光谱成像系统研究卵母细胞的光谱， 并分析了未成熟与成熟卵母细胞、 新鲜成熟与排卵后老化卵母细胞的光谱差别。 研究发现， (1)与新鲜成熟卵母细胞的紫外-可见光谱(190~1 100 nm)相比， 未成熟与排卵后老化卵母细胞的光谱均出现数个峰位的增减变化。 未成熟卵母细胞与新鲜成熟卵母细胞的紫外-可见光谱相比， 缺失了205和579 nm两个峰位以及894~941 nm的波段， 增加了593 nm处的峰位; 排卵后老化卵母细胞与新鲜成熟卵母细胞的紫外-可见光谱相比， 缺失了205、 445和579 nm的三个峰位以及846~941 nm的波段， 也增加了593 nm处的峰位。 (2)可见光波段的多光谱成像数据显示， 与新鲜成熟卵母细胞相比， 未成熟卵母细胞各生物结构在451和467 nm处的透射光谱强度下降， 排卵后老化卵母细胞各生物结构在425、 431、 571和669 nm处的透射光谱强度降低。 综上可见(特别是新鲜成熟与老化卵母细胞之间在多光谱成像中展现的光谱差别)， 光谱检测在甄别卵母细胞质量方面展现出了巨大的可行性。
紫外-可见光谱 多光谱成像 卵母细胞质量评价 Ultraviolet-visible spectra Multispectral imaging Oocyte quality evaluation 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1376
1 上海理工大学能源与动力工程学院/上海市动力工程多相流动与传热重点实验室, 上海 200093
2 上海航天动力技术研究所, 上海 201109
火焰燃烧参数能直接反映火焰燃烧状态, 并对燃烧过程进行诊断、 预测和优化。 火焰温度及辐射率是燃烧状态的重要表征参数, 火焰温度及辐射率的准确测量对于建立燃烧模型、 优化燃烧过程和控制污染物排放有着非常重要的意义。 随着数字图像技术与光谱学的发展, 多光谱成像技术逐步应用于火焰燃烧温度及辐射率测量。 针对光谱仪空间分辨率低和RGB彩色相机光谱分辨率低的问题, 多光谱成像技术能获得兼顾空间分辨率及光谱分辨率的火焰光谱图像, 实现火焰温度及辐射率分布测量, 具有高时空分辨率、 响应快速及测温范围宽等优点。 因此, 提出了基于多光谱成像技术的火焰温度及辐射率测量方法, 搭建标准高温黑体辐射实验测量系统, 对多光谱相机665～960 nm波段开展高温黑体辐射响应系数标定实验, 获得多光谱相机25波段光谱响应标定系数, 通过四阶多项式拟合建立多光谱相机各波段下仪器响应值与理论辐射强度之间的关系, 并开展多光谱成像技术测量验证实验, 结果显示温度与辐射率测量的相对偏差分别小于1%与4%。 在此基础上, 以蜡烛火焰为研究对象, 建立了火焰多光谱成像测量系统, 获得了蜡烛火焰多光谱辐射图像, 基于普朗克辐射定律参数拟合方法, 实现了蜡烛火焰温度与辐射率分布测量。 测量结果表明： 火焰竖直平面上火焰中心区温度及辐射率均高于火焰上部和底部; 蜡烛火焰温度测量结果范围约为1 350～2 050 K, 火焰中心区最高温度约为2 050 K; 蜡烛火焰辐射率测量结果范围约为0.04～0.36, 火焰中心区最高辐射率为0.36。 测量结果与蜡烛火焰燃烧过程及辐射特性分布规律一致。
多光谱成像 燃烧诊断 辐射测温法 蜡烛火焰 火焰辐射率分布 Multispectral imaging Combustion diagnostics Radiation temperature measurement Candle flame Flame emissivity distribution 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3644
1 武汉纺织大学计算机与人工智能学院, 湖北 武汉 430200
2 湖北省服装信息化工程技术研究中心, 湖北 武汉 430200
3 湖北省文物颜色信息数字化与虚拟再现工程技术研究中心, 湖北 武汉 430079
光谱是颜色信息的指纹, 也是表征物质物化属性的重要特征, 对于颜色的高保真复制和物质的精准识别分析具有重要应用价值。 基于光谱重建的多光谱成像技术利用成像系统拍摄物体表面数字图像, 并通过光谱重建计算得到物体表面的多光谱图像, 能够克服传统RGB图像对成像条件的依赖性, 更加精细化地表征识别物体。 该技术相对于价格昂贵的高光谱相机而言, 能够有效提升多光谱图像的空间分辨率和获取效率, 降低设备成本。 然而, 无论是基于机器学习还是基于深度学习的光谱重建方法, 在光谱重建应用时均对图像的曝光变化敏感, 即光谱重建方法在一种曝光水平下建立的光谱重建模型, 无法直接在另一曝光水平下进行光谱重建应用, 否则将导致重建光谱曲线的形状特征偏离真实光谱, 制约着光谱重建面向光照强度易变和光照不均性场景的应用。 针对现有光谱重建方法对图像曝光水平变化敏感的问题, 论文提出了一种基于根多项扩展的自适应加权光谱重建方法, 首先利用根多项式对样本rawRGB图像数据进行扩展, 并利用伪逆法建立光谱重建模型, 以解决模型对曝光水平变化的敏感性, 然后在光谱不变特征空间构建自适应加权矩阵, 以进一步提升光谱重建精度。 研究以理论实验和具体实验样本为基础, 首先对现有光谱重建方法对曝光变化的敏感性进行分析, 然后将该方法与现有同类型光谱重建方法进行对比, 最后探讨了加权策略对该方法的影响。 实验结果表明, 现有先进光谱重建方法均对曝光水平变化敏感, 而该方法能有效对抗曝光水平变化, 且光谱重建的光谱均方根误差(RMSE)和色差(ΔE*ab)显著低于现有同类方法。 此外, 在光谱不变特征空间构建自适应加权矩阵, 对于该方法提升光谱重建精度至关重要。 研究成果对开放场景下的高精度光谱重建具有重要应用价值。
光谱分析 光谱重建 多光谱图像 根多项式 光谱不变特征 Spectral analysis Spectral reconstruction Multispectral imaging Root-polynomial Spectral invariant feature 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3330
王希群 1,2,3,4吕卓 1,2,3,4王远方舟 1,2,3,4付玉 1,3,4[ ... ]金振宇 1,3,4,*
1 中国科学院云南天文台，昆明 650011
2 中国科学院大学，北京 100049
3 云南省太阳物理与空间目标监测重点实验室，昆明 650011
4 云南省应用天文技术工程实验室，昆明 650011
针对地基大口径太阳望远镜的基于里奥滤光器的太阳窄带观测系统存在的频率漂移问题，提出了在线全视场频率漂移测量方法，并在NVST高分辨太阳光球观测实验系统进行了实测验证。实测表明，对全视场的频率漂移测量误差RMS小于0.1 pm。利用该方法测得的系统频率漂移可用于校正磁像仪的全视场频率漂移，提高太阳大气的磁场和速度场测量精度。
频率漂移 滤光器 太阳磁场测量 同步采集 在线测量 多光谱成像 Wavelength drift Filter Measurement of solar magnetic field Synchronous acquisition Online measurement Multispectral imaging 孙宇松 1,2,3黄见 1,3,*时东锋 1,2,3苑克娥 1,2,3[ ... ]王英俭 1,2,3
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所，中国科学院大气光学重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学研究生院科学岛分院，安徽 合肥 230026
3 先进激光技术安徽省实验室，安徽 合肥 230037
传统多光谱关联成像技术的发展受限于系统结构复杂和数据量大。为提高多光谱图像的复原效率，本文提出了余弦编码复用多光谱关联成像技术。将具有确定频率的余弦结构编码与正交Hadamard基图案复用为结构光对目标场景进行调制照明，并用一个宽带光电倍增管收集后向散射信号。在复原过程中，基于余弦编码的傅里叶频移特性可将多通道光谱混叠信息由空间域转换到频率域进行解码分离，最终复原出目标场景的多光谱图像。通过仿真分析了理想低通滤波器、高斯低通滤波器和巴特沃斯低通滤波器对多光谱图像复原质量的影响，并将所提方法与传统方法进行了对比实验。结果表明：所提方法能有效提高多光谱信息的获取效率，缩短图像重建时间；频域滤波时，选用高斯低通滤波器比理想低通滤波器、巴特沃斯低通滤波器更具优势。
成像系统 关联成像 编码复用 多光谱成像 低通滤波器 中国激光
2023, 50(13): 1317001
Author Affiliations
Abstract
1 Wuhan National Laboratory for Optoelectronics and School of Optical and Electronic Information, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China
2 Optics Valley Laboratory, Wuhan 430074, China
Multispectral and polarized focusing and imaging are key functions that are vitally important for a broad range of optical applications. Conventional techniques generally require multiple shots to unveil desired optical information and are implemented via bulky multi-pass systems or mechanically moving parts that are difficult to integrate into compact and integrated optical systems. Here, a design of ultra-compact transversely dispersive metalens capable of both spectrum and polarization ellipticity recognition and reconstruction in just a single shot is demonstrated with both coherent and incoherent light. Our design is well suited for integrated and high-speed optical information analysis and can significantly reduce the size and weight of conventional devices while simplifying the process of collecting optical information, thereby promising for various applications, including machine vision, minimized spectrometers, material characterization, remote sensing, and other areas which require comprehensive optical analysis.
metalens multispectral imaging polarized imaging spectra and polarization reconstruction Opto-Electronic Science
2023, 2(3): 220026
长春理工大学物理学院 吉林省光谱探测科学与技术重点实验室,吉林 长春 130022
痤疮是属于丙酸杆菌皮肤病脉的一种慢性炎症, 它危害着人体健康。虽然市面上存在痤疮识别手段, 但其仪器较大且费用昂贵, 目前尚无民用级别的痤疮识别系统投入使用。本文提出一种基于多光谱成像技术的面部痤疮识别方案, 即利用多光谱相机设备, 分别对面部正常与不同严重程度痤疮皮肤进行多光谱图像信息采集, 通过图像处理方法对采集的信息进行多光谱图像分析, 并通过光谱反演算法获取光谱信息。然后将反演出的正常和不同严重程度痤疮皮肤的反射率谱线, 与高精度光谱仪在同等实验条件下探测的谱线趋势进行对比。最后建立支持向量机(support vector machine, SVM)面部痤疮三度四级分类模型, 准确率为90%, 验证了基于多光谱成像技术对面部痤疮无创识别与分类的可行性。
多光谱成像 反射率谱 图像识别 图像二值化 痤疮识别 Multispectral imaging Reflectance spectrum Image identification Image processing
红外与激光工程
2022, 51(6): 20210463
