專利名稱：反射光譜的簡潔表示的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及材料的反射光譜的簡潔表示。具體但不限于，本發(fā)明涉及多種材料的 反射光譜數(shù)據(jù)的壓縮、識別和比較。本發(fā)明的方面包括方法、軟件、計算機系統(tǒng)和簡潔表示 本身。
背景技術(shù)：
術(shù)語“光譜”描述光能量在波長的連續(xù)范圍上的分布。材料的反射光譜(也稱為 “光譜特征”)包括從該材料反射的光的比例，其是材料的特性。圖像傳感器技術(shù)的發(fā)展已使得可以對覆蓋波長的寬光譜的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集。與 三原色傳感器相比，多光譜和高光譜傳感器可以獲得寬光譜上幾百至幾千個波段中以波長 為索引(wavelenght-indexed)的反射率和輻射率數(shù)據(jù)。迄今為止，這些光譜采用離散的以 波長為索引的測量值來獲得并存儲。結(jié)果，反射光譜數(shù)據(jù)的大小取決于波長的數(shù)目或者光譜的分辨率。對于高分辨率 光譜，每個特征可以由幾百個值即波段組成，為了對這些值即波段進(jìn)行存儲，需要大的存儲 空間。

發(fā)明內(nèi)容
在第一方面中，本發(fā)明是一種生成第一材料的反射光譜數(shù)據(jù)的簡潔表示的方法， 該方法包括以下步驟(a)接收或訪問由波長值和反射率值所組成的反射光譜數(shù)據(jù)；(b)將樣條曲線插值到所述反射光譜數(shù)據(jù)，所述樣條曲線具有控制點的集合、節(jié)點 矢量，并將波長和反射率表示為獨立參數(shù)的函數(shù)；以及(c)從所述節(jié)點矢量中去除使所述樣條曲線的參數(shù)域中的成本函數(shù)最小化的一個 或多個節(jié)點。本發(fā)明的優(yōu)點在于，可以利用樣條曲線的控制點的集合和節(jié)點矢量來表示反射光 譜數(shù)據(jù)。樣條曲線通過步驟(b)的插值被擬合到反射光譜數(shù)據(jù)以便遵守所述數(shù)據(jù)，并且步 驟(C)減少了用于表示所述數(shù)據(jù)的參數(shù)的數(shù)目。以此方式，所述方法提出了反射光譜數(shù)據(jù) 的簡潔表示，該簡潔表示通過將幾千個樣本可能降低到幾個控制點和節(jié)點，提供了存儲空 間的節(jié)省。此外，壓縮率與表示質(zhì)量之間的折衷由步驟(c)控制。另一優(yōu)點包括控制點和 節(jié)點矢量表示對于照明、噪聲和場景幾何的變化具有魯棒性。樣條被用在圖形和計算機輔助設(shè)計中。樣條被設(shè)計并被用于表示車身和船體。這 些都是被視為3D表面的自由形狀的實體。反射光譜數(shù)據(jù)被理解為2D的以波長為索引的信 號。因此，本發(fā)明表示關(guān)于光譜特征的幾何闡釋的觀點中的創(chuàng)造性改變。 該方法可以進(jìn)一步包括如下步驟 (d)基于所述控制點集合和所述節(jié)點矢量將所述反射光譜數(shù)據(jù)顯示為樣條曲線。 所述樣條曲線可以是非均勻有理B樣條曲線(NURBS)。
步驟(c)的使成本最小化可以基于反射率函數(shù)。成本函數(shù)可以由反射光譜數(shù)據(jù)與 所述樣條曲線之間的方差定義。也就是說，所述成本函數(shù)基于每對波長與反射率值中的反 射率值與針對與該對的同一波長值對應(yīng)的參數(shù)由反射率函數(shù)給定的反射率值之間的方差。 以另一方式，每個波長對應(yīng)于由波長函數(shù)和反射率函數(shù)都使用的獨立參數(shù)。方差在獨立參 數(shù)的域，也稱為參數(shù)域中定義。成本函數(shù)還可以不利于大數(shù)目的節(jié)點。波長和反射率函數(shù)可以共享基于(即同一)節(jié)點矢量的同一基函數(shù)。步驟(c)可以進(jìn)一步包括如下步驟(i)對候選的可去除節(jié)點的集合進(jìn)行識別；(ii)對去除每個候選節(jié)點會產(chǎn)生的近似成本降低進(jìn)行確定；(iii)從候選節(jié)點的集合中選擇根據(jù)所述成本函數(shù)近似產(chǎn)生最大成本降低的第一 節(jié)占.
I— /、、、 (iv)將所述第一節(jié)點從所述節(jié)點矢量中去除；以及(ν)將波長值和反射率值的對從受所去除的第一節(jié)點的影響的位置處的所述反射 光譜數(shù)據(jù)中去除。該方法可以進(jìn)一步包括如下步驟重復(fù)步驟(b)和(C)直到每個剩余節(jié)點的去除將產(chǎn)生的近似成本降低小于確定 值，所述確定值例如表示進(jìn)一步的節(jié)點去除將不會產(chǎn)生更低成本的值或節(jié)點的預(yù)定數(shù)目。所述方法可以進(jìn)一步包括如下步驟將波長值和反射率值的對從在步驟(C)中去除的節(jié)點的位置處的所述反射光譜 數(shù)據(jù)中去除；以及重新采樣參數(shù)域中的反射光譜數(shù)據(jù)，并對重新采樣的反射率數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟(b)和
(C)。步驟(c) (ii)的重復(fù)可以包括如下步驟通過更新由于先前節(jié)點的去除的影響所產(chǎn)生的每個近似成本降低，對每個候選節(jié) 點的去除會產(chǎn)生的近似成本降低進(jìn)行確定。本發(fā)明至少一個實施例的優(yōu)點在于，其將傳統(tǒng)的插值和節(jié)點去除方法修改為最優(yōu) 化的程序。以此方法，插值本身對于NURBS來說不是標(biāo)準(zhǔn)的，但是修改后的插值針對擬合良 好性和表示維度使表示最優(yōu)。反射光譜數(shù)據(jù)包括原光譜數(shù)據(jù)和/或光譜圖像。所述數(shù)據(jù)可以由離散的樣本組 成。所述數(shù)據(jù)可以從高光譜成像設(shè)備和光譜儀接收。該方法可以進(jìn)一步包括以下步驟將所述簡潔表示提供給識別器，以識別第二材 料。該方法可以進(jìn)一步包括通過對第二材料的反射光譜數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟(a)、(b)、(c) 和(d)來生成第二材料的反射光譜的簡潔表示。該方法可以進(jìn)一步包括如下步驟當(dāng)?shù)谝徊牧系牟牧项愋蜑橐阎獣r，對識別算法進(jìn)行訓(xùn)練以識別該材料類型；以及利用所述識別算法和所述第二材料的簡潔表示將所述第二材料識別為所述材料類型。所述第一材料和第二材料的反射光譜數(shù)據(jù)的分辨率可以不同。該方法可以進(jìn)一步包括通過比較第一材料和第二材料的反射光譜各自的簡潔表 示(即控制點集合和節(jié)點矢量)來比較第一材料和第二材料的反射光譜。比較的結(jié)果可以 是將第二材料識別為與第一材料相同或不同。第一材料的反射光譜可以由具有與采集第二 材料的反射光譜的設(shè)備不同分辨率的設(shè)備采集。通過不同儀器獲得的反射光譜數(shù)據(jù)經(jīng)常由 于在不同的光譜頻率處取樣而無法互相兼容。該實施例的優(yōu)點在于，通過共同的處理，樣條 的使用提供了用于分析不同儀器所獲得的不同反射光譜的統(tǒng)一的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)。樣條的使用還 提供了數(shù)值上穩(wěn)定且有效的閉合形式的光譜表示。由于樣條不會隨幾何變換而變化，并且 呈現(xiàn)出局部支持，因此樣條的使用對于噪聲還具有魯棒性，這意味著反射光譜數(shù)據(jù)中的局 部擾動和惡化不會影響以波長為索引的測量值的其余部分。所述方法可以進(jìn)一步包括生成所述第一材料的反射光譜數(shù)據(jù)和第二材料的反射 光譜數(shù)據(jù)的簡潔表示，其中步驟(b)包括將樣條曲線插值到第一材料和第二材料的反射光 譜數(shù)據(jù)中的每一個，使得樣條曲線共享節(jié)點矢量、波長函數(shù)和參數(shù)值，并且每個樣條曲線具 有其自身的反射率函數(shù)和控制點。步驟(C)的使成本函數(shù)最小化可以包括針對每個樣條 曲線進(jìn)行最小化，使對所有光譜進(jìn)行平均的每對波長值和反射率值中的反射率值與針對與 同一波長所對應(yīng)的參數(shù)由反射率函數(shù)給出的反射率值之間的差值的平方和最小化。另一方面，本發(fā)明提供一種軟件，當(dāng)該軟件被安裝到計算機系統(tǒng)上時會使得計算 機系統(tǒng)按照以上所述的方法來運行。在再一方面中，本發(fā)明提供一種計算機系統(tǒng)，用于生成第一材料的反射光譜的簡 潔表示，所述計算機系統(tǒng)包括用于接收反射光譜數(shù)據(jù)的輸入端口(在接收到的情況下)；執(zhí)行以上所述的步驟(b)和(C)的處理器；以及存儲裝置，用于存儲簡潔表示的控制點的集合和節(jié)點矢量。所述處理器可以進(jìn)一步操作為執(zhí)行步驟(d)，并且所述計算機系統(tǒng)可以進(jìn)一步包 括顯示NURBS表示的輸出設(shè)備。本發(fā)明的又一方面提供一種存儲于計算機可讀介質(zhì)上的反射光譜數(shù)據(jù)的簡潔，其 中所述簡潔表示如以上所述的那樣生成。


現(xiàn)在，將參照附圖描述本發(fā)明的示例，在附圖中圖1是該示例的方法的流程圖；圖2是該示例的計算機系統(tǒng)的示意圖；圖3示出對該示例的節(jié)點去除方法進(jìn)行總結(jié)的算法1 ；圖4示出算法2，其示出利用參數(shù)域中重新采樣的數(shù)據(jù)點迭代應(yīng)用節(jié)點去除算法；圖5示出通過從人類皮膚的反射光譜中去除節(jié)點而得到的NURBS曲線；圖6示出通過從樹葉的反射光譜中去除節(jié)點而得到的NURBS曲線；以及圖7示出對與多反射光譜一起使用的插值步驟進(jìn)行總結(jié)的算法3。
具體實施例方式在該示例中，將參照圖1的流程圖描述基于由非均勻有理B樣條(NURBS)曲線對 多光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行插值得到的控制點的反射率表示。該插值基于參數(shù)域中的節(jié)點去除方案。 因此，我們開發(fā)了 NURBS的局部支持，以便恢復(fù)從高光譜成像設(shè)備和光譜儀獲取的光譜特 征數(shù)據(jù)的簡潔形式?，F(xiàn)在參考圖2描述在該示例中用于執(zhí)行方法的計算機系統(tǒng)10。光譜儀12采集處 于光譜儀12視野內(nèi)的樹葉14的反射光譜數(shù)據(jù)。然后，該數(shù)據(jù)通過與輸入端口(未示出) 的直接連接被提供給計算機16，并由計算機16接收40。然后，將反射光譜數(shù)據(jù)存儲在計算 機16的諸如外部數(shù)據(jù)存儲器18或內(nèi)部數(shù)據(jù)存儲器(未示出)之類的存儲介質(zhì)上。計算機16已安裝有使其處理器訪問所存儲的反射光譜數(shù)據(jù)以執(zhí)行圖2所示的方 法的軟件，該軟件包括創(chuàng)建所述數(shù)據(jù)的簡潔表示。該軟件還允許處理器執(zhí)行算法訓(xùn)練和對 所述數(shù)據(jù)的進(jìn)一步分析，例如以下更詳細(xì)描述的材料的比較和識別。簡潔表示可以代替存儲在數(shù)據(jù)存儲器18上的所存儲的反射光譜數(shù)據(jù)。NURBS可以 在輸出設(shè)備上顯示，在該例子中是在計算機系統(tǒng)的監(jiān)視器20上顯示?；贜URBS的表示基于NURBS的表示可以處理密集采樣的反射光譜，該密集采樣的反射光譜可能由 可見光譜上的幾百個數(shù)據(jù)點組成。為了分類的目的，已知長特征矢量由于會招致計算成本 和學(xué)習(xí)理論的限制，因此會降低性能。所以，期望所述表示在維度盡可能小的情況下具有最 大的判別力。我們現(xiàn)在將描述NURBS曲線，并將NURBS曲線與對光譜進(jìn)行的插值步驟42相關(guān) 聯(lián)。然后，我們通過使樣條曲線的參數(shù)域中的成本函數(shù)最小化，并通過執(zhí)行節(jié)點去除44，將 反射光譜表示公式化。基本公式B樣條是相對于度數(shù)、平滑度和域劃分具有支持的函數(shù)。平滑度特性使得插值曲線 對噪音具有魯棒性。局部支持特性允許在給定波長范圍內(nèi)對曲線進(jìn)行修改，同時保持樣條 的其它部分不受影響。首先，我們需要一些形式體系。由于光譜是波長λ的函數(shù)，因此我們將我們的分 析限制為兩維的情況。/I· R2 'I1Illn個片斷組成的ρ度B樣條曲線C是在參數(shù)域U中由以 下線性組合給定的單變量t的函數(shù)。C(O = YjNiJt)Pi(1)
/=0其中Pi = (Xi, Yi)是2D控制點，并且Ni, p(t)是在參數(shù)域上定義的ρ度B樣條基 函數(shù)[1]。曲線上的點的坐標(biāo)(χ，y)以參數(shù)式表示x(t) = iNlAt)Xi (2)
i=0沖)= χ“0 兄· (3)
/=0
B樣條的特征不僅在于控制點，還在于節(jié)點矢量U= {U(1，...，um}，其中m = n+p+l。 使用這些要素可以將P度的第i個B樣條基函數(shù)Ni,p (t)定義如下
權(quán)利要求
1.一種生成第一材料的反射光譜數(shù)據(jù)的簡潔表示的方法，所述方法包括以下步驟(a)接收或訪問由波長值和反射率值的對所組成的反射光譜數(shù)據(jù)；(b)將樣條曲線插值到所述反射光譜數(shù)據(jù)，所述樣條曲線具有控制點的集合、節(jié)點矢 量，并將波長和反射率表示為獨立參數(shù)的函數(shù)；以及(c)從所述節(jié)點矢量中去除使所述樣條曲線的參數(shù)域中的成本函數(shù)最小化的一個或多 個節(jié)點。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中所述樣條曲線為非均勻有理B樣條曲線(NURBS)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的方法，其中步驟(c)的使成本最小化基于反射率函數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2或3所述的方法，其中所述成本函數(shù)由所述反射光譜數(shù)據(jù)與所述 樣條曲線之間的方差定義。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述成本函數(shù)基于來自一對波長值和反射率值中 的反射率值與針對與該對的同一波長值對應(yīng)的參數(shù)由反射率函數(shù)給出的反射率值之間的 方差。
6.根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的方法，其中所述成本函數(shù)不利于大數(shù)目的節(jié)點。
7.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項或多項所述的方法，其中波長函數(shù)和反射率函數(shù)共享基 于節(jié)點矢量的同一基函數(shù)。
8.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項或多項所述的方法，其中步驟(c)包括以下步驟 (i)對候選的可去除節(jié)點的集合進(jìn)行識別；( )對去除每個候選節(jié)點會產(chǎn)生的近似成本降低進(jìn)行確定；(iii)從候選節(jié)點的集合中選擇根據(jù)所述成本函數(shù)近似產(chǎn)生最大成本降低的第一節(jié)占.(iv)將所述第一節(jié)點從所述節(jié)點矢量中去除；以及(ν)將波長值和反射率值的對從受所去除的第一節(jié)點影響的位置處的所述反射光譜數(shù) 據(jù)中去除。
9.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括將波長值和反射率值的對從在步驟(c)中去除的節(jié)點的位置處的所述反射光譜數(shù)據(jù) 中去除；以及重新采樣參數(shù)域中的反射光譜數(shù)據(jù)，并對重新采樣的反射率數(shù)據(jù)執(zhí)行步驟(b)和(C)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述但受權(quán)利要求9限制的方法，其中(c)(ii)的重復(fù)包括以下步驟通過更新由于先前節(jié)點的去除的影響所產(chǎn)生的每個近似成本降低，確定每個候選節(jié)點 的去除會產(chǎn)生的近似成本降低。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項或多項所述的方法，其中所述反射光譜數(shù)據(jù)是從高光 譜成像設(shè)備和/或光譜儀中接收到的。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項或多項所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括以下步 驟將所述簡潔表示提供給識別器，用于識別第二材料。
13.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項或多項所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括 重復(fù)所述方法以生成第二材料的反射光譜數(shù)據(jù)的簡潔表示；對所述第一材料和所述第二材料的反射光譜數(shù)據(jù)的簡潔表示進(jìn)行比較，以識別所述第二材料與所述第一材料相同或不同。
14.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項或多項所述的方法，其中所述第一材料的反射光譜由 具有與采集第二材料的反射光譜數(shù)據(jù)的設(shè)備不同分辨率的設(shè)備采集。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項或多項所述的方法，其中所述方法生成所述第一材料 的反射光譜數(shù)據(jù)和第二材料的反射光譜數(shù)據(jù)的簡潔表示，其中步驟(b)包括將樣條曲線插 值到反射光譜數(shù)據(jù)中的每一個，使得樣條曲線共享節(jié)點矢量、波長函數(shù)和參數(shù)值，并且每個 樣條曲線具有其自身的反射率函數(shù)和控制點。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中步驟(c)的使成本函數(shù)最小化包括針對每個 樣條曲線進(jìn)行最小化，使對所有光譜進(jìn)行平均的每對波長值和反射率值中的反射率值與針 對與同一波長所對應(yīng)的參數(shù)由反射率函數(shù)給出的反射率值之間的差值的平方和最小化。
17.一種軟件，該軟件被安裝到計算機系統(tǒng)上時會使得計算機系統(tǒng)按照前述權(quán)利要求 中任一項或多項所述的方法來運行。
18.一種計算機系統(tǒng)，用于生成第一材料的反射光譜的簡潔表示，所述計算機系統(tǒng)包括處理器，用于執(zhí)行前述權(quán)利要求中任一項或多項所述的步驟(a)、(b)和(c)；以及 存儲裝置，用于存儲簡潔表示的控制點的集合和節(jié)點矢量。
19.一種存儲在計算機可讀介質(zhì)上的反射光譜數(shù)據(jù)的簡潔表示，其中所述簡潔表示根 據(jù)權(quán)利要求1至16中任意一項或多項生成。
全文摘要
本發(fā)明涉及材料的反射光譜的簡潔表示。例如，用于對多種材料的反射光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、識別和比較。所壓縮的表示將樣條曲線插值到反射光譜數(shù)據(jù)，所述樣條曲線具有控制點的集合、節(jié)點矢量，并將波長和反射率表示為獨立參數(shù)的函數(shù)(42)。然后，基于波長函數(shù)從所述節(jié)點矢量中去除使所述樣條曲線的參數(shù)域中的成本函數(shù)最小化的一個或多個節(jié)點(44)。本發(fā)明的方面包括方法、軟件、計算機系統(tǒng)及簡潔表示本身。
文檔編號G06F17/17GK102067110SQ200980123196
公開日2011年5月18日 申請日期2009年6月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年6月20日
發(fā)明者功·普克·修, 安東尼奧·羅夫萊斯-凱利 申請人:澳大利亞國家Ict有限公司