基於高光譜圖像技術的隱形字快速識別研究

基於高光譜圖像技術的隱形字快速識別研究

[導讀] 著名作家、詩人

、評論家
、政論家
、學(xue)者(zhe)高(gao)爾(er)基(ji)曾(zeng)利(li)用(yong)牛(niu)奶(nai)在(zai)白(bai)紙(zhi)上(shang)寫(xie)字(zi)
，待(dai)白(bai)紙(zhi)風(feng)幹(gan)後(hou)，字(zi)跡(ji)也(ye)隨(sui)之(zhi)消(xiao)失(shi)，從(cong)而(er)達(da)到(dao)隱(yin)形(xing)傳(chuan)遞(di)消(xiao)息(xi)的(de)目(mu)的(de)。那(na)怎(zen)樣(yang)恢(hui)複(fu)白(bai)紙(zhi)上(shang)的(de)字(zi)跡(ji)呢(ne)？根(gen)據(ju)史(shi)書(shu)記(ji)載(zai)
，將(jiang)白(bai)紙(zhi)用(yong)火(huo)烤(kao)一(yi)下(xia)，字(zi)跡(ji)就(jiu)會(hui)慢(man)慢(man)的(de)變(bian)得(de)清(qing)晰(xi)起(qi)來(lai)
，這(zhe)是(shi)因(yin)為(wei)牛(niu)奶(nai)中(zhong)含(han)有(you)蛋(dan)白(bai)質(zhi)，而(er)蛋(dan)白(bai)質(zhi)在(zai)60攝氏度左右變性，凝固
，顯現出來，而紙的燃點達到130度以上，因此用火烤一下可以使牛奶字跡清晰。但是用飽和鹽水
、眼液
、澱(dian)粉(fen)水(shui)在(zai)白(bai)紙(zhi)上(shang)寫(xie)字(zi)，待(dai)白(bai)紙(zhi)風(feng)幹(gan)後(hou)，字(zi)跡(ji)消(xiao)失(shi)了(le)，然(ran)而(er)利(li)用(yong)火(huo)烤(kao)的(de)方(fang)法(fa)卻(que)無(wu)法(fa)將(jiang)白(bai)紙(zhi)上(shang)的(de)字(zi)跡(ji)識(shi)別(bie)出(chu)來(lai)。因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)借(jie)助(zhu)其(qi)他(ta)辦(ban)法(fa)來(lai)快(kuai)速(su)識(shi)別(bie)任(ren)何(he)液(ye)體(ti)書(shu)寫(xie)的(de)隱(yin)形(xing)字(zi)跡(ji)。

將牛奶
、飽和鹽水
、眼液分別在白色A4紙上寫上字
，待溶液曬幹後利用短波紅外相機（1000nm-2500nm）對其分別進行測試，獲取其在短波紅外波段的高光譜圖像和光譜信息。SWIR短波紅外相機光譜分辨率為8-10nm，像素為384x288
，波段數為288個。測試設備及SWIR短波紅外相機如圖1所示。

圖1 測試設備及SWIR短波紅外相機

對獲取的高光譜圖像數據進行黑白幀校正得到圖像的光譜反射率數據，同時對反射率數據進行壞點（NAN）進行修複
，剔除掉異常值，從而得到牛奶
、飽和鹽水、眼液及背景（白紙）的光譜反射率數據，如圖2所示。從圖2可知，幹牛奶與未幹牛奶，其在白紙上寫的字跡光譜反射率差異較大；dangniunaishaiganhou
，zijideguangpufanshelvyubaizhishifenxiangsi
，bianhuaguilvyequxiangyizhi，duiguangpujinxingfangdafenxikezhi，niunaizijideguangpufanshelvzongtishanggaoyubaizhideguangpufanshelv。duiyubaoheyanshuizijieryan
，ganbaoheyanshuizijiyuweiganbaoheyanshuizijizaiguangpufanshelvshangchayijiaoweimingxian，tebieshizaishuiqixishoudai1420 nm和1910 nm附近差異更為顯著；當dang飽bao和he鹽yan水shui曬shai幹gan後hou，飽bao和he鹽yan水shui字zi跡ji的de光guang譜pu反fan射she率lv與yu白bai紙zhi的de光guang譜pu反fan射she率lv變bian化hua趨qu勢shi一yi致zhi，但dan是shi白bai紙zhi的de光guang譜pu反fan射she率lv高gao於yu飽bao和he鹽yan水shui字zi跡ji的de光guang譜pu反fan射she率lv。運yun用yong眼yan液ye在zai白bai紙zhi上shang寫xie上shang字zi，待dai眼yan液ye曬shai幹gan後hou，去qu牛niu奶nai字zi跡ji、鹽yan水shui字zi跡ji一yi樣yang，肉rou眼yan無wu法fa識shi別bie出chu是shi什shen麼me字zi，利li用yong短duan波bo紅hong外wai相xiang機ji測ce試shi其qi光guang譜pu反fan射she率lv發fa現xian，眼yan液ye曬shai幹gan後hou
，其qi字zi跡ji的de光guang譜pu反fan射she率lv與yu白bai紙zhi的de光guang譜pu反fan射she率lv變bian化hua趨qu勢shi依yi然ran一yi致zhi，但dan是shi眼yan液ye字zi跡ji的de光guang譜pu反fan射she率lv高gao於yu白bai紙zhi的de光guang譜pu反fan射she率lv。

圖2  牛奶、飽和鹽水
、眼液及背景（白紙）的光譜反射率

youyugaoguangpuyaoganshujuboduanduo
，boduanjiancunzaihendaxiangguanxing
，weilekefuweishuzainan，liyongzuixiaozaoshengfenlibianhuanjinxingboduanxuanze
，dadaoyouhuashuju，quchuzaoshengheshujujiangweidemude。

最小噪聲分離變換( MNF)是對主成分變換( PCA) 的一種改進方法。PCA 是(shi)一(yi)種(zhong)線(xian)性(xing)變(bian)換(huan)，變(bian)換(huan)後(hou)各(ge)主(zhu)成(cheng)分(fen)分(fen)量(liang)彼(bi)此(ci)之(zhi)間(jian)互(hu)不(bu)相(xiang)關(guan)，隨(sui)著(zhe)主(zhu)成(cheng)分(fen)的(de)增(zeng)加(jia)該(gai)分(fen)量(liang)包(bao)含(han)的(de)信(xin)息(xi)量(liang)減(jian)小(xiao)，第(di)一(yi)主(zhu)成(cheng)分(fen)包(bao)含(han)的(de)信(xin)息(xi)量(liang)最(zui)大(da)，第(di)二(er)主(zhu)成(cheng)分(fen)與(yu)第(di)一(yi)主(zhu)成(cheng)分(fen)無(wu)關(guan)且(qie)在(zai)剩(sheng)餘(yu)成(cheng)分(fen)中(zhong)包(bao)含(han)的(de)信(xin)息(xi)量(liang)最(zui)大(da)，依(yi)此(ci)類(lei)推(tui)。但(dan)PCAduizaoshengbijiaomingan，zaibianhuanhoudezhuchengfenfenliangzhong，xinxiliangdadexinzaobibuyidinggao，dangmougexinxiliangdadezhuchengfenzhongbaohandezaoshengdefangchadayuxinhaodefangchashi
，gaizhuchengfenfenliangxingchengdetuxiangzhiliangjiucha。zhendui PCA 變換的不足
，Green 和 Berman 提出最小噪聲分離變換( MNF)，它不但能判定圖像數據內在的維數( 波段數) ，分離數據中的噪聲，而且能減少隨後處理中的計算需求量。MNF 變換是基於圖像質量的線性變換，變換結果的成分按照信噪比從大到小排列。經過MNF變換大部分噪聲集中在特征小的分量中。而不像 PCA變換按照方差由大到小排列，從而克服了噪聲對影像質量的影響。

圖3列舉了牛奶隱形字原圖（手機拍攝）、MNF變換前5個成分。從圖中可知原圖看不到任何字跡模樣，但經過MNF變換後
，第1、2、3、4成分能較好地識別出隱形字跡，其中第2成分隱形字跡識別效果最佳。第1成分中隱形字較亮的部分是因為牛奶尚未完全風幹，第2成分隱形字較亮、較暗的部分同樣是因為牛奶尚未完成風幹，導致MNF變換中其信息較為顯著，如圖2可知幹牛奶區域和未幹牛奶區域的光譜反射率曲線差異較為顯著。第3、4
、5成分隱形字的灰度不完全一致
，也是因為牛奶未完全風幹的原因。

圖3 牛奶隱形字原圖及MNF前5個成分

圖4列舉了飽和鹽水隱形字原圖（手機拍攝）、MNF變換前5個成分。從圖中可知原圖看不到字跡模樣，但經過MNF變換後
，第1、3成分能較好地識別出隱形字跡，其中第1成分隱形字跡識別效果最佳。第2、4
、5以及往後的成分均無法識別出飽和鹽水的字跡。第1成分中隱形字較亮的部分和第3成分隱形字較暗部分是因為牛奶尚未完全風幹的原因，從圖2可知幹飽和鹽水區域和未飽和鹽水區域的光譜反射率曲線差異較為顯著。

圖4飽和鹽水隱形字原圖及MNF前5個成分

    圖5列舉了眼液隱形字原圖（手機拍攝）、MNF變換前5個成分。從原圖中依然無法看到隱形字跡，但經過MNF變換後
，第1成分能較好地識別出隱形字跡，第2
、3、4、5以及往後的成分均無法識別眼液書寫的字跡。

圖5眼液隱形字原圖及MNF前5個成分

針(zhen)對(dui)高(gao)光(guang)譜(pu)數(shu)據(ju)信(xin)息(xi)量(liang)豐(feng)富(fu)
，但(dan)數(shu)據(ju)冗(rong)餘(yu)且(qie)包(bao)含(han)噪(zao)聲(sheng)的(de)特(te)點(dian)，本(ben)文(wen)基(ji)於(yu)最(zui)小(xiao)噪(zao)聲(sheng)分(fen)離(li)變(bian)換(huan)算(suan)法(fa)有(you)效(xiao)地(di)對(dui)不(bu)同(tong)液(ye)體(ti)書(shu)寫(xie)的(de)隱(yin)形(xing)字(zi)高(gao)光(guang)譜(pu)圖(tu)像(xiang)進(jin)行(xing)降(jiang)維(wei)處(chu)理(li)，分(fen)離(li)了(le)圖(tu)像(xiang)中(zhong)的(de)有(you)效(xiao)信(xin)息(xi)和(he)噪(zao)聲(sheng)，減(jian)小(xiao)了(le)後(hou)期(qi)處(chu)理(li)的(de)數(shu)據(ju)量(liang)，提(ti)高(gao)了(le)數(shu)據(ju)處(chu)理(li)效(xiao)率(lv)。通(tong)過(guo)對(dui)隱(yin)形(xing)字(zi)高(gao)光(guang)譜(pu)數(shu)據(ju)進(jin)行(xing)最(zui)小(xiao)噪(zao)聲(sheng)分(fen)離(li)變(bian)換(huan)，從(cong)而(er)清(qing)晰(xi)地(di)識(shi)別(bie)出(chu)了(le)隱(yin)形(xing)字(zi)體(ti)，實(shi)驗(yan)結(jie)果(guo)對(dui)於(yu)文(wen)物(wu)考(kao)古(gu)
、刑偵領域識別隱形字跡提供了參考和借鑒。