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基于高光譜圖像技術的隱形字快速識別研究
瀏覽次數:293發布日期:2023-05-15

[導讀] 著名(ming)作家(jia)、詩人、評論(lun)家(jia)、政論(lun)家(jia)、學者高爾基曾利用牛奶在白(bai)(bai)紙(zhi)上寫字(zi)(zi)(zi),待(dai)白(bai)(bai)紙(zhi)風(feng)干后,字(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)也隨之消失,從而達(da)到隱形(xing)傳遞消息的(de)目的(de)。那怎(zen)樣恢復白(bai)(bai)紙(zhi)上的(de)字(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)呢(ni)?根據史書記載,將(jiang)白(bai)(bai)紙(zhi)用火烤(kao)一下,字(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)就會慢慢的(de)變得清(qing)晰(xi)起來(lai),這是因(yin)為(wei)牛奶中含有蛋白(bai)(bai)質(zhi),而蛋白(bai)(bai)質(zhi)在60攝氏度(du)左右變性(xing),凝固,顯現出來(lai),而紙(zhi)的(de)燃點達(da)到130度(du)以上,因(yin)此用火烤(kao)一下可以使(shi)牛奶字(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)清(qing)晰(xi)。但是用飽(bao)和鹽水、眼液、淀粉水在白(bai)(bai)紙(zhi)上寫字(zi)(zi)(zi),待(dai)白(bai)(bai)紙(zhi)風(feng)干后,字(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)消失了,然(ran)而利用火烤(kao)的(de)方(fang)法(fa)卻無法(fa)將(jiang)白(bai)(bai)紙(zhi)上的(de)字(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)識別出來(lai)。因(yin)此需(xu)要(yao)借助(zhu)其(qi)他辦法(fa)來(lai)快速識別任何(he)液體書寫的(de)隱形(xing)字(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)。

1、試驗材料

將牛(niu)奶、飽和鹽水、眼液分(fen)別在白色(se)A4紙上(shang)寫上(shang)字(zi),待溶(rong)液曬干(gan)后利用(yong)短波(bo)(bo)(bo)紅外相機(1000nm-2500nm)對其分(fen)別進(jin)行測試(shi),獲取其在短波(bo)(bo)(bo)紅外波(bo)(bo)(bo)段的高(gao)光(guang)譜(pu)圖像(xiang)和光(guang)譜(pu)信(xin)息。SWIR短波(bo)(bo)(bo)紅外相機光(guang)譜(pu)分(fen)辨率為(wei)(wei)(wei)8-10nm,像(xiang)素為(wei)(wei)(wei)384x288,波(bo)(bo)(bo)段數(shu)為(wei)(wei)(wei)288個。測試(shi)設備及SWIR短波(bo)(bo)(bo)紅外相機如圖1所示。

 

圖1 測試設備及SWIR短波紅外相機

2、數據預處理

對(dui)獲取的(de)(de)(de)(de)高光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)圖(tu)像(xiang)(xiang)數據(ju)(ju)(ju)進(jin)行(xing)黑白(bai)(bai)(bai)(bai)幀校(xiao)正得到圖(tu)像(xiang)(xiang)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)數據(ju)(ju)(ju),同(tong)時對(dui)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)數據(ju)(ju)(ju)進(jin)行(xing)壞點(NAN)進(jin)行(xing)修復(fu),剔除(chu)掉異(yi)常值,從(cong)而得到牛(niu)奶、飽(bao)(bao)和(he)鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)、眼液(ye)(ye)及背(bei)景(白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi))的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)數據(ju)(ju)(ju),如圖(tu)2所示。從(cong)圖(tu)2可知,干(gan)(gan)牛(niu)奶與未(wei)干(gan)(gan)牛(niu)奶,其在(zai)白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi)上(shang)寫(xie)的(de)(de)(de)(de)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)差(cha)異(yi)較大(da);當牛(niu)奶曬干(gan)(gan)后,字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)與白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi)十分相(xiang)似,變(bian)化(hua)(hua)規律也趨(qu)向一(yi)(yi)致(zhi)(zhi),對(dui)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)進(jin)行(xing)放大(da)分析可知,牛(niu)奶字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)總體上(shang)高于白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)。對(dui)于飽(bao)(bao)和(he)鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)而言,干(gan)(gan)飽(bao)(bao)和(he)鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)與未(wei)干(gan)(gan)飽(bao)(bao)和(he)鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)在(zai)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)上(shang)差(cha)異(yi)較為明顯(xian),特(te)別是(shi)(shi)在(zai)水(shui)(shui)(shui)(shui)汽吸收帶(dai)1420 nm和(he)1910 nm附(fu)近差(cha)異(yi)更為顯(xian)著;當飽(bao)(bao)和(he)鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)曬干(gan)(gan)后,飽(bao)(bao)和(he)鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)與白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)變(bian)化(hua)(hua)趨(qu)勢一(yi)(yi)致(zhi)(zhi),但(dan)是(shi)(shi)白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)高于飽(bao)(bao)和(he)鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)。運用(yong)眼液(ye)(ye)在(zai)白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi)上(shang)寫(xie)上(shang)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi),待眼液(ye)(ye)曬干(gan)(gan)后,去牛(niu)奶字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)、鹽水(shui)(shui)(shui)(shui)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)一(yi)(yi)樣,肉眼無(wu)法識別出是(shi)(shi)什么(me)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi),利(li)用(yong)短波(bo)紅外相(xiang)機測試其光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)發現,眼液(ye)(ye)曬干(gan)(gan)后,其字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)與白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)變(bian)化(hua)(hua)趨(qu)勢依然一(yi)(yi)致(zhi)(zhi),但(dan)是(shi)(shi)眼液(ye)(ye)字(zi)(zi)(zi)(zi)(zi)跡(ji)(ji)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)高于白(bai)(bai)(bai)(bai)紙(zhi)(zhi)的(de)(de)(de)(de)光(guang)(guang)(guang)譜(pu)(pu)(pu)(pu)反(fan)(fan)(fan)(fan)(fan)射(she)(she)(she)率(lv)(lv)。

圖2  牛奶、飽和鹽水、眼液及背景(白紙)的光譜反射率

3、最小噪聲分離變換

由于(yu)高光譜遙感數(shu)(shu)(shu)據(ju)波段(duan)多(duo),波段(duan)間存在很大相關(guan)性,為了(le)克服維(wei)數(shu)(shu)(shu)災難,利用最小噪(zao)聲(sheng)分離變(bian)換進(jin)行波段(duan)選擇,達到優化數(shu)(shu)(shu)據(ju),去除噪(zao)聲(sheng)和數(shu)(shu)(shu)據(ju)降(jiang)維(wei)的目的。

最(zui)小(xiao)(xiao)噪(zao)聲(sheng)分(fen)離(li)變(bian)(bian)換(huan)( MNF)是對主(zhu)成(cheng)分(fen)變(bian)(bian)換(huan)( PCA) 的(de)一(yi)種改進方法。PCA 是一(yi)種線性變(bian)(bian)換(huan),變(bian)(bian)換(huan)后各主(zhu)成(cheng)分(fen)分(fen)量(liang)(liang)(liang)彼此(ci)(ci)之(zhi)間互不相(xiang)關,隨著(zhu)主(zhu)成(cheng)分(fen)的(de)增(zeng)加(jia)該(gai)(gai)分(fen)量(liang)(liang)(liang)包(bao)含(han)的(de)信(xin)(xin)息量(liang)(liang)(liang)減小(xiao)(xiao),第一(yi)主(zhu)成(cheng)分(fen)包(bao)含(han)的(de)信(xin)(xin)息量(liang)(liang)(liang)最(zui)大,第二(er)主(zhu)成(cheng)分(fen)與第一(yi)主(zhu)成(cheng)分(fen)無關且(qie)在(zai)剩(sheng)余成(cheng)分(fen)中(zhong)包(bao)含(han)的(de)信(xin)(xin)息量(liang)(liang)(liang)最(zui)大,依(yi)此(ci)(ci)類(lei)推。但PCA對噪(zao)聲(sheng)比較敏感,在(zai)變(bian)(bian)換(huan)后的(de)主(zhu)成(cheng)分(fen)分(fen)量(liang)(liang)(liang)中(zhong),信(xin)(xin)息量(liang)(liang)(liang)大的(de)信(xin)(xin)噪(zao)比不一(yi)定高,當某個(ge)信(xin)(xin)息量(liang)(liang)(liang)大的(de)主(zhu)成(cheng)分(fen)中(zhong)包(bao)含(han)的(de)噪(zao)聲(sheng)的(de)方差(cha)大于(yu)信(xin)(xin)號的(de)方差(cha)時,該(gai)(gai)主(zhu)成(cheng)分(fen)分(fen)量(liang)(liang)(liang)形(xing)成(cheng)的(de)圖像質量(liang)(liang)(liang)就(jiu)差(cha)。針對 PCA 變(bian)(bian)換(huan)的(de)不足,Green 和(he) Berman 提出(chu)最(zui)小(xiao)(xiao)噪(zao)聲(sheng)分(fen)離(li)變(bian)(bian)換(huan)( MNF),它不但能(neng)(neng)判定(ding)圖(tu)像(xiang)數據(ju)內在(zai)的(de)維(wei)數( 波段數) ,分(fen)離(li)數據(ju)中(zhong)(zhong)的(de)噪(zao)聲(sheng),而且能(neng)(neng)減少隨后處(chu)理中(zhong)(zhong)的(de)計(ji)算(suan)需求量。MNF 變換(huan)(huan)是基于(yu)圖(tu)像(xiang)質(zhi)(zhi)量的(de)線(xian)性變換(huan)(huan),變換(huan)(huan)結果的(de)成(cheng)分(fen)按照(zhao)信噪(zao)比(bi)從大到(dao)小(xiao)排列(lie)。經過MNF變換(huan)(huan)大部分(fen)噪(zao)聲(sheng)集中(zhong)(zhong)在(zai)特征小(xiao)的(de)分(fen)量中(zhong)(zhong)。而不像(xiang) PCA變換(huan)(huan)按照(zhao)方差(cha)由大到(dao)小(xiao)排列(lie),從而克(ke)服了噪(zao)聲(sheng)對影(ying)像(xiang)質(zhi)(zhi)量的(de)影(ying)響。

3.1 牛奶隱形字特(te)征識別

圖(tu)(tu)3列舉了牛奶(nai)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)原圖(tu)(tu)(手機拍(pai)攝)、MNF變(bian)(bian)換(huan)前5個(ge)成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)。從圖(tu)(tu)中(zhong)可知原圖(tu)(tu)看不到任(ren)何字(zi)(zi)跡(ji)模(mo)樣,但經(jing)過MNF變(bian)(bian)換(huan)后(hou),第1、2、3、4成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)能較(jiao)(jiao)好地識(shi)別(bie)出隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)跡(ji),其中(zhong)第2成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)跡(ji)識(shi)別(bie)效果(guo)好。第1成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)中(zhong)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)較(jiao)(jiao)亮的部分(fen)(fen)是(shi)(shi)(shi)因為(wei)牛奶(nai)尚未(wei)完(wan)全風(feng)干,第2成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)較(jiao)(jiao)亮、較(jiao)(jiao)暗(an)的部分(fen)(fen)同樣是(shi)(shi)(shi)因為(wei)牛奶(nai)尚未(wei)完(wan)成(cheng)(cheng)風(feng)干,導致MNF變(bian)(bian)換(huan)中(zhong)其信(xin)息較(jiao)(jiao)為(wei)顯著,如圖(tu)(tu)2可知干牛奶(nai)區域和未(wei)干牛奶(nai)區域的光譜(pu)反射率曲線差(cha)異較(jiao)(jiao)為(wei)顯著。第3、4、5成(cheng)(cheng)分(fen)(fen)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)的灰度不完(wan)全一致,也是(shi)(shi)(shi)因為(wei)牛奶(nai)未(wei)完(wan)全風(feng)干的原因。

圖(tu)3 牛奶隱形字原(yuan)圖(tu)及MNF前(qian)5個(ge)成分

3.2 飽和(he)鹽(yan)水隱(yin)形字(zi)特征(zheng)識(shi)別

圖(tu)(tu)4列舉了飽和(he)鹽(yan)水(shui)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)(zi)原圖(tu)(tu)(手機拍攝)、MNF變(bian)換前5個成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)。從(cong)圖(tu)(tu)中(zhong)(zhong)可知原圖(tu)(tu)看(kan)不到字(zi)(zi)(zi)跡(ji)模樣,但經過(guo)MNF變(bian)換后,第(di)(di)1、3成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)能較(jiao)好地識別出隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)(zi)跡(ji),其中(zhong)(zhong)第(di)(di)1成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)(zi)跡(ji)識別效果(guo)好。第(di)(di)2、4、5以及往后的(de)成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)均(jun)無法識別出飽和(he)鹽(yan)水(shui)的(de)字(zi)(zi)(zi)跡(ji)。第(di)(di)1成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)中(zhong)(zhong)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)(zi)較(jiao)亮的(de)部(bu)分(fen)和(he)第(di)(di)3成(cheng)(cheng)(cheng)(cheng)分(fen)隱(yin)形(xing)字(zi)(zi)(zi)較(jiao)暗部(bu)分(fen)是(shi)因為牛(niu)奶尚未(wei)(wei)完(wan)全風干的(de)原因,從(cong)圖(tu)(tu)2可知干飽和(he)鹽(yan)水(shui)區域和(he)未(wei)(wei)飽和(he)鹽(yan)水(shui)區域的(de)光譜反射率曲(qu)線差異較(jiao)為顯著。

圖(tu)4飽和鹽(yan)水隱形字(zi)原圖(tu)及(ji)MNF前5個成分

3.3 眼液(ye)隱形字特征識(shi)別

    圖5列舉了眼液(ye)隱(yin)形(xing)(xing)字原(yuan)圖(手(shou)機拍攝)、MNF變換前5個成(cheng)分。從原(yuan)圖中依然無(wu)法看到隱(yin)形(xing)(xing)字跡,但(dan)經過MNF變換后(hou),第(di)1成(cheng)分能較(jiao)好地識(shi)別(bie)出隱(yin)形(xing)(xing)字跡,第(di)2、3、4、5以及往后(hou)的成(cheng)分均(jun)無(wu)法識(shi)別(bie)眼液(ye)書寫(xie)的字跡。

 

圖(tu)5眼液隱形(xing)字原圖(tu)及(ji)MNF前5個(ge)成分

4、總(zong)結

針對(dui)高(gao)光(guang)(guang)譜(pu)數據(ju)(ju)信息量(liang)(liang)豐富(fu),但數據(ju)(ju)冗余(yu)且包含(han)噪(zao)聲的(de)(de)特(te)點,本文基于(yu)最小噪(zao)聲分離變換算法有效(xiao)(xiao)地對(dui)不同(tong)液(ye)體書寫(xie)的(de)(de)隱(yin)形字(zi)高(gao)光(guang)(guang)譜(pu)圖像進行降(jiang)維處(chu)理(li)(li),分離了(le)圖像中的(de)(de)有效(xiao)(xiao)信息和噪(zao)聲,減小了(le)后期處(chu)理(li)(li)的(de)(de)數據(ju)(ju)量(liang)(liang),提高(gao)了(le)數據(ju)(ju)處(chu)理(li)(li)效(xiao)(xiao)率。通過對(dui)隱(yin)形字(zi)高(gao)光(guang)(guang)譜(pu)數據(ju)(ju)進行最小噪(zao)聲分離變換,從而清晰地識(shi)別(bie)出了(le)隱(yin)形字(zi)體,實驗(yan)結果(guo)對(dui)于(yu)文物考古(gu)、刑偵領域識(shi)別(bie)隱(yin)形字(zi)跡(ji)提供了(le)參考和借鑒。