多光谱颜色成像技术及应用研究

The multispectral color image technology can acquire accurate multispectral color information from the imaged scene, and hence is of wide application in many related areas. This proposal conducts research works in multispectral color imaging and its applications in textile color quality management. In the research part, we propose a novel scheme for color-filter-wheel design, based on which the image acquisition efficiency can be greatly improved. Besides, we calibrate the multispectral imaging system in the geometry and lighting fields, and investigate the problems such as multi-channel image deblurring and material influence to spectral reconstruction. These works will pave the road for the development of a highly-accurate general-purpose imaging spectral measurement system. In the application part, we conduct psychophysical experiment on visual evaluation of textile fabric color quality, and extract the visual-relevant statistical and structural information from the image, based on which the objective color quality evaluation model can be established. We also try to derive high-dimensional spectral material properties from the low-dimensional RGB ones, and reconstruct the 3D surface of real garment based on a specially-designed photometric stereo system. These works are important to the high-fidelity cloth appearance reproduction under typical illumination conditions, and therefore guarantee the consistent color transfer in the textile production line. We hope that, through our research work, we can make concrete contribution to the advance of multispectral color imaging and its related applications.

多光谱成像技术能够精确地获取场景中的颜色光谱信息，在诸多领域具有重要的应用价值。本项目开展多光谱颜色成像及其在纺织颜色管理中实际应用的研究。在多光谱颜色成像方面，提出新型快速滤片轮结构，使得多光谱相机的成像效率得以极大地提高，并从光照及几何等关键环节对多光谱成像系统进行校正，解决多通道图像模糊及光谱重建的材质相关性问题，为研制通用型高精度成像光谱测量仪奠定基础。在实际应用方面，首先研究人眼对织物色差的评价特性，提取织物的结构和统计信息，并在此基础上建立织物图像颜色质量客观评价的数学模型；其次研究基于低维度RGB材质数据的高维度光谱材质建模，以及基于共线光源配置的光度立体视觉技术的服装表面重建，使得服装表面在典型光谱光照环境下得以高保真再现，从而实现颜色信息在生产环节中的一致性传递。通过本项目的研究，期望能为多光谱颜色成像的技术发展及相关实际应用做出一些贡献。

多光谱颜色成像技术由于能高保真地再现场景的颜色信息，已经在纺织及印刷颜色质量控制、自然界光谱分析、虚拟场景绘制、材料特性分析、模式识别等领域体现出了重要的应用价值。多光谱颜色成像的实现思路是，利用分光技术将可见光波段划分成较多数目的光谱通道，通过对各通道分别成像来获取场景的多光谱图像。目前的分光技术大多基于滤光片轮或液晶可调谐滤光片来实现。为达到工业级实用性，多光谱成像系统需要保证较好的图像质量并具有较高的光谱重建精度。项目主要研究内容包括科学研究和工程应用两个部分，其中基础研究主要包括多光谱图像恢复、光度立体重建、材质数据分析等内容，工程应用主要包括多光谱成像颜色测量系统研制、纺织面料图像处理、颜色质量评估等内容。在多光谱图像恢复方面，针对各成像波段的等效焦距差异引起的图像模糊问题，研究了多波段图像联合去模糊方法；针对滤光片非共面引起的图像偏移，探讨了适用于多光谱图像的相似性测度并进行有效的多光谱图像配准；针对多光谱成像时间较长的局限性，研究了快速成像和精确重建方法。在光度立体视觉方面，针对实际物体材质多样性导致法向估计误差偏大这一实际问题，研究了物体表面反射特性建模和光源方向域的核回归方法，提高了表面法向重建精度和计算速度。在材质特性分析方面，研究了双向纹理函数图像的快速采集方法，以及材质数据图像的超分辨率重建和光谱重建方法。在工程应用方面，研制了面向纺织成衣业的多光谱成像颜色测量系统，其硬件部分包括积分球、新型滤片轮、光源控制、紫外过滤等模块，软件部分包括系统校正及颜色测量、颜色质量评估等多项应用功能。该系统获得了中国纺织工业联合会科学技术一等奖。概括起来，通过本项目的研究，解决了理论和应用层面的多项关键技术问题，研制成功了面向工业应用的多光谱成像颜色测量系统。本项目共发表论文23篇，其中SCI收录20篇；获得授权国家专利5项和美国发明专利1项。