基于多目标优化的多光谱相机的宽带滤色片选取

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基于多目标优化的多光谱相机的宽带滤色片选取

来   源：光学学报

发表时间 ：2020.4

作   者：李遂贤

多光谱成像旨在通过少数光谱通道获取成像目标的特征光谱信息。用来实现多光谱成像的软硬件系统通常被称为多光谱相机。在各种多光谱相机的组态中,宽带滤色片相机较窄带组态有着独特的优势。这是因为:首先宽带滤色片具有低成本优势,所用的透射滤色片种类多、易购得;其次,透射光谱不受入射角度的影响,入射角度的不同不会引起透射光的显著色散;最后,同时也是最明显的优势为宽谱段的光谱透过特性使得透过光谱必然蕴含更多的光谱信息。前期的研究中,我们提出基于滤色片透过率向量空间中选取最大线性无关空间组的方法来确定优选滤色片组合,该方法可以直观地通过滤色片透过率曲线形态特征在待选滤色片透过率向量集中实现滤色片的优化选取。但是,前期的研究存在局限:1)由于单一宽带滤色片数目仅为45,并且文献中限定了单一通道滤色片数目不超过3,这样不可避免地导致待选滤色片向量集的大小受限;2)最优化判据设定为8个评价参数[分别为峰值信噪比(PNSR,RPSN)、拟合优度系数(GFC,CGF)、CIE色差评价系数(CIEDE2000)和均方误差(MSE,xMSE),及其对应的最大值或最小值],然后以这8个评价参数为判据对光谱重建效果以排序集分的方法求得最优滤色器,该方法属于多目标函数下的帕累托最优问题,显然采用多目标优化理论进行表述会更加明确;3)仿真实验中采用的反射率样本为Macbeth色卡,仅有24个反射率样本,其光谱样本的代表性有限。

多目标优化方法是工程优化算法的一个分支,用以解决实际系统设计时多个不同的待优化目标的不一致的问题。针对滤色片性能的评价,前期研究中采用多个评价参数最优排序集分的方法,将多个评价参数融合到一个受现实约束的目标函数中,获得最优滤色片组合,和多目标优化的核心思想一致。

本文在前期研究的基础上,对待选滤色片的数量进一步扩充;引入多目标优化的概念,以拓宽滤色片选取的研究思路;采用更有代表性的Munsell色卡的1269个光谱反射率样本集,使得实验结果更具普遍性。通过本研究,以期为多光谱相机的宽带滤色器的优化设计提供参考。

关键词：成像系统; 多光谱和高光谱成像; 宽带滤色器; 光谱灵敏度优化; 光谱向量空间; 多目标优化