專利名稱：基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜成像技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，具體涉及基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法與裝置。
背景技術(shù)：
目前國(guó)畫的真?zhèn)舞b別主要以專家的經(jīng)驗(yàn)鑒定方式為主，并在國(guó)內(nèi)古書畫鑒定領(lǐng)域起著相當(dāng)重要的作用。經(jīng)驗(yàn)鑒定在漫長(zhǎng)的歷史發(fā)展過程中，總結(jié)和積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)，形成了獨(dú)特的理論體系。它在書畫作品風(fēng)格、藝術(shù)功力等藝術(shù)形態(tài)的分析上形成了特有的方法，時(shí)至今天仍保有著巨大的應(yīng)用前景。然而，必須看到，目前以專家經(jīng)驗(yàn)“目鑒”為主的鑒定方法并不完善。首先，專家的經(jīng)驗(yàn)鑒定要求專家有足夠的“經(jīng)驗(yàn)”;一名書畫鑒定師的培養(yǎng)需要大量的相關(guān)經(jīng)歷和相當(dāng)長(zhǎng)時(shí)間的礪練，目前國(guó)內(nèi)真正稱得上國(guó)家級(jí)中國(guó)古書畫鑒定的大師屈指可數(shù)。其次，書畫鑒定師們可資參考的鑒定經(jīng)驗(yàn)在傳承上存在不足；由于沒有確定的參考體系(標(biāo)準(zhǔn))，即使是鑒定大師毫無保留的傳授鑒畫經(jīng)驗(yàn)，接受者能否有效地傳承往往還取決于其“悟性”;悟性的不足會(huì)導(dǎo)致大師經(jīng)驗(yàn)的失傳或部分失傳。再者，因?yàn)槭墙?jīng)驗(yàn)鑒定，缺乏相關(guān)數(shù)據(jù)的定量描述，不同專家之間的鑒定結(jié)果往往大相徑庭。最后，專家鑒定方法中，專家鑒定意見往往會(huì)受到相關(guān)利益方的干擾；雖然大部分專家都會(huì)堅(jiān)守職業(yè)道德，但不能從根本上杜絕“利益鑒定”的出現(xiàn)。由于上述的原因，目前專家鑒定方法在某種程度上會(huì)受到質(zhì)疑，不少學(xué)者嘗試?yán)每萍际侄芜M(jìn)行古書畫的鑒定，摸索中國(guó)古書畫的科技鑒定方式。目前可應(yīng)用于書畫鑒定的科學(xué)技術(shù)方案主要分為各種各樣的光譜技術(shù)及年代推斷分析技術(shù)，和基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像真?zhèn)舞b別。其中光譜技術(shù)和年代推斷分析技術(shù)可以有效地進(jìn)行書畫中相關(guān)材質(zhì)，包括所用紙質(zhì)、顏料的年代、類別等信息的取證與鑒別。然而，這些技術(shù)取證也同樣具有不完善之處。一方面是技術(shù)取證檢測(cè)需要把書畫中的相關(guān)部分進(jìn)行采樣，往往要對(duì)書畫進(jìn)行取樣、提取(介入提取)，對(duì)書畫原件造成損傷。另一方面，取樣通常是局部的，而且目前所采用的技術(shù)取證方法往往單純地作材質(zhì)的分析、年代的分析,仿造者利用相關(guān)的材質(zhì)往往可以蒙混過關(guān)。再者，通過技術(shù)取證獲取的信息通常是單純材質(zhì)的技術(shù)數(shù)據(jù)，與書畫作者的特征無關(guān)。最后，目前的技術(shù)取證設(shè)備較復(fù)雜昂貴、檢測(cè)復(fù)雜。而基于計(jì)算機(jī)視覺的圖像真?zhèn)舞b別則是利用計(jì)算機(jī)模擬人的視覺感知方式，借助圖像處理、計(jì)算機(jī)視覺及模式識(shí)別等技術(shù)，將作品中最具特色的對(duì)象，如提款、印鑒及書畫內(nèi)容等，與原作進(jìn)行對(duì)比，給出定性或定量的指標(biāo)，作為人們判定該作品真?zhèn)蔚妮o助依據(jù)。然而這種鑒別方法的主要不足是圖像信息的獲取是在復(fù)合可見光波段范圍內(nèi)，信息量不足，無法通過分析不同波長(zhǎng)的圖像得到書畫相關(guān)的物理化學(xué)信息，不能從材料特性方面對(duì)真、偽作品進(jìn)行區(qū)分，無法鑒別高仿作品?；谏鲜鲈?，目前中國(guó)古書畫鑒定的科學(xué)取證方法的實(shí)用性不強(qiáng)，普及率不高；更重要的是中國(guó)古書畫鑒定的科學(xué)取證方法尚未與傳統(tǒng)的專家書畫鑒定相結(jié)合，未能得到書畫鑒定界的認(rèn)可，業(yè)界相關(guān)研究工作者一直在探尋更好的、更完善的鑒定方法。光譜成像(Spectral Imaging)是通過成像光譜儀記錄被檢驗(yàn)物體在一定光譜范圍內(nèi)密集均勻分布的多個(gè)窄波段單色光的反射光亮度分布或熒光亮度分布，形成由許多單色光影像構(gòu)成的光譜影像集。這些光譜影像將成像范圍內(nèi)任意點(diǎn)的空間位置及其光亮度值，真實(shí)的與被檢驗(yàn)物體上相應(yīng)物點(diǎn)位置、光學(xué)特性一一對(duì)應(yīng)，且每一點(diǎn)上的光譜亮度曲線能夠在一定程度上反映被檢驗(yàn)物體上的化學(xué)成分，因此可通過光譜圖像檢驗(yàn)、鑒別物質(zhì)。光譜成像技術(shù)按光譜分辨率不同可分為多光譜、高光譜、超光譜。其中高光譜與超光譜成像系統(tǒng)由于其光譜分辨率高，適用范圍更廣，但價(jià)格高昂，數(shù)據(jù)處理量大；而對(duì)于特定對(duì)像與工作環(huán)境，多光譜技術(shù)更加經(jīng)濟(jì)，數(shù)據(jù)處理更加簡(jiǎn)便且信噪比更高。光譜成像技術(shù)結(jié)合了光譜分析系統(tǒng)和空間成像系統(tǒng)的功能，不僅能夠得到物體的形貌信息，而且還能夠得到圖像中每個(gè)像素所對(duì)應(yīng)的光譜信息，它既具有圖像分析的高分辨率特性，又具有光譜分析的化學(xué)成分分析功能，與單純的圖像分析或者光譜分析相比，具有信息量更大、功能更為強(qiáng)大、分析方法更加靈活的特點(diǎn)，因此在分析處理與信息獲取領(lǐng)域備受重視。從20世紀(jì)70年代起，光譜成像技術(shù)首先應(yīng)用于航天航空遙感對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域，并逐步在農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)學(xué)、博物館作品珍藏、食品檢測(cè)、高精度彩色打印、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。20世紀(jì)90年代以來，可見光波段的光譜成像技術(shù)研究成為顏色科學(xué)的研究前沿，并在顏色的再現(xiàn)與復(fù)制上得到了很大的發(fā)展，但應(yīng)用于書畫鑒別的研究仍存在著空白。目前基于光譜成像技術(shù)的紙質(zhì)品研究有印刷品的真?zhèn)舞b別，它主要通過光譜成像儀對(duì)測(cè)試樣品進(jìn)行光譜掃描，并利用光譜數(shù)據(jù)處理機(jī)將采集到的反射譜數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)服務(wù)器中標(biāo)準(zhǔn)樣品的光譜數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，可識(shí)別出顏色相近的復(fù)制品。但由于印刷品是近現(xiàn)代工業(yè)的產(chǎn)物，價(jià)值相對(duì)較低，因此在鑒別過程中只著重分析比較了紙張、油墨等印刷材料的異同，而對(duì)材料本身并沒有進(jìn)行年代推斷分析，也沒有對(duì)書畫內(nèi)容進(jìn)行精細(xì)的圖像識(shí)別。而本發(fā)明提出的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫鑒別方法，與其具有重要區(qū)別。國(guó)畫，又稱中國(guó)畫，是中華民族特有的藝術(shù)形式，在世界美術(shù)領(lǐng)域中自成體系，是東方藝術(shù)的典型代表。但由于其容易損壞的特性，流傳至今的古書畫數(shù)量極為稀少，具有珍貴的考古價(jià)值和文化價(jià)值。國(guó)畫的載體材料包括紙張、墨及各種顏料，通過分析和鑒別國(guó)畫所使用的紙張、墨和顏料，有助于了解繪畫者當(dāng)時(shí)所使用的材料、制作技術(shù)，而某些特殊的紙張、墨和顏料的鑒別結(jié)果可為國(guó)畫的斷代提供直接證據(jù)。其中用于書寫作畫的中國(guó)傳統(tǒng)手工紙根據(jù)所用的原料不同大致可以分為皮紙、麻紙、藤紙、竹紙等，不同的紙應(yīng)用于不同時(shí)期，具有不同的特點(diǎn)。其中宣紙是中國(guó)傳統(tǒng)皮紙生產(chǎn)技術(shù)發(fā)展的高峰，具有純白細(xì)密、透而彌光、不腐不蛀及潤(rùn)墨性等特點(diǎn)，是表現(xiàn)中國(guó)書畫藝術(shù)的最佳載體，千百年來深受文人墨客、書畫名家的珍愛。又由于各時(shí)代加工工藝技術(shù)的不同，以及時(shí)尚和書畫家個(gè)人喜好有別，紙張可作為書畫鑒別斷代的重要參考。墨在中國(guó)文化中有著的特殊地位，它作為“文房四寶”之一，在中國(guó)有著悠久的歷史，在世界物質(zhì)和技術(shù)發(fā)展史中同樣具有非常特殊的地位。墨主要由煙料和膠料組成，一般用于書寫作畫的好墨應(yīng)該具有煙細(xì)質(zhì)堅(jiān)、膠清、色黑而光等特性，同時(shí)又表現(xiàn)為紋理細(xì)膩，耐久性好，色彩長(zhǎng)久如新，幾乎不會(huì)變質(zhì)，且?guī)в心恪Ｄ擞糜跁鴮懲?，還用于繪畫、印刷、美容甚至醫(yī)藥，它對(duì)提升我國(guó)歷代書法、國(guó)畫、彩繪及印刷的文化層面起著重要的作用。此外，陳墨具有純黑朗潤(rùn)、色感厚實(shí)的特征，且?guī)в幸还勺陨淼墓艠愕h(yuǎn)的馨香之氣，顯現(xiàn)出一種古樸的色調(diào)，與新墨有著明顯的差別。中國(guó)畫顏料是中國(guó)畫創(chuàng)作的專用顏料，雖未列入文房四寶，但卻是中國(guó)畫家不可或缺的重要畫材，是中國(guó)傳統(tǒng)繪畫體系的一個(gè)重要組成部分。它大體上可分為礦物性顏料、植物性顏料和金屬類顏料等，而各種性質(zhì)的顏料在繪畫中所起的作用和所表現(xiàn)出來的效果是完全不一樣的。礦物性顏料又稱“石色”，是把天然礦石經(jīng)過采集、粉碎、研磨、漂洗加工而制成的，它是工筆重彩畫的主要顏料，其主要特點(diǎn)是覆蓋力強(qiáng)，性質(zhì)穩(wěn)定、耐久，且特有的結(jié)晶體光澤增加了色彩的明度。而植物性顏料的主要原料是從植物的根、莖、葉中提取的汁液，因而又稱為“水色”，其特點(diǎn)是質(zhì)地透明、顏色潤(rùn)澤。金屬類顏料使用的歷史悠久，在我國(guó)傳統(tǒng)繪畫材料中僅有金、銀兩種，由純金、純銀制成，價(jià)格昂貴，在畫面上能產(chǎn)生華麗的效果。而現(xiàn)代的錫管裝化學(xué)顏料則極容易變色，不易保存，經(jīng)不住時(shí)間的考驗(yàn)，根本無法與傳統(tǒng)的中國(guó)畫顏料相比。此外，國(guó)畫上常附有可以代表作者身份的印鑒，這為國(guó)畫的鑒別提供了參考依據(jù)。印鑒，又稱印文，是印章印面在國(guó)畫等紙質(zhì)品上直接按印或粘附色料蓋印的印跡，是證明國(guó)畫真實(shí)性的重要憑證。自古以來，書畫家在用印方面，各人的秉性不盡相同，有的人一生所用的印章并不多；而有的人在不同的時(shí)期使用不同的印章，且不斷更換印鑒樣式，一生用印不下數(shù)百個(gè)。此外，出現(xiàn)在不同作品中的同一內(nèi)容和形式的印鑒也不盡相同，這是由于蓋印時(shí)手勢(shì)的輕重與正偏情況不同而造成的印鑒的清晰度及完整度不一。因此在正確識(shí)別真的印鑒在不同印壓條件下造成的差異同時(shí)，準(zhǔn)確區(qū)分真假印鑒是鑒別國(guó)畫真?zhèn)蔚囊粋€(gè)重要環(huán)節(jié)。基于以上國(guó)畫中紙張、墨、顏料及印鑒的特點(diǎn)，本申請(qǐng)?zhí)岢隽司哂械捅尘霸肼暫凸鈴?qiáng)均勻可控等特點(diǎn)的反射式的國(guó)畫測(cè)量與鑒別方法及其實(shí)現(xiàn)裝置；并在此基礎(chǔ)上，針對(duì)宣紙透光的特性，進(jìn)一步提出了透射式的國(guó)畫測(cè)量與鑒別方法及裝置；最后綜合兩者提出反射與透射聯(lián)合應(yīng)用的國(guó)畫測(cè)量與鑒別方法及其實(shí)現(xiàn)裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法與裝置，具體技術(shù)方案如下?；诠庾V成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別裝置，其包括圖像采集模塊和圖像分析與鑒別模塊，所述圖像分析與鑒別模塊包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示器；所述圖像采集模塊包括能屏蔽外界未知光源且具有均勻漫反射特性的密閉裝置、寬帶可控的穩(wěn)定光源、由CCD、鏡頭及光濾波器組成的圖像獲取系統(tǒng)和與CCD相連的圖像采集卡；所述寬帶可控的穩(wěn)定光源位于所述密閉裝置中，用于產(chǎn)生不同波段的光并照射待鑒別國(guó)畫；所述圖像獲取系統(tǒng)用于接收經(jīng)待鑒別國(guó)畫反射的光線或透射過待鑒別國(guó)畫的光線并進(jìn)行成像，所述圖像采集卡用于采集經(jīng)圖像獲取系統(tǒng)成像后的不同波段的光譜圖像并轉(zhuǎn)存到所述計(jì)算機(jī)中的，所述計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)及顯示器相連，計(jì)算機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析比較并將鑒別結(jié)果輸出至顯示器，所述數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)已知國(guó)畫真跡與待鑒別國(guó)畫的光譜特征與圖像特征；所述計(jì)算機(jī)還與圖像獲取系統(tǒng)相接，通過控制圖像獲取系中的光濾波器而獲得單色光在CCD中成像。進(jìn)一步的，作為優(yōu)選方案，所述寬帶可控的穩(wěn)定光源和圖像獲取系統(tǒng)位于待鑒別國(guó)畫的同一側(cè)且均朝向待鑒別國(guó)畫的正面。
進(jìn)一步的，作為優(yōu)選方案，所述寬帶可控的穩(wěn)定光源和圖像獲取系統(tǒng)分別位于待鑒別國(guó)畫的兩側(cè)。進(jìn)一步的，作為優(yōu)選方案，所述照相系中的光濾波器、CCD、鏡頭順次排列。進(jìn)一步的，作為優(yōu)選方案，鑒別裝置具有兩個(gè)所述圖像獲取系統(tǒng)和兩個(gè)圖像采集卡，且兩個(gè)圖像獲取系統(tǒng)分別位于待鑒別國(guó)畫的兩側(cè)，每個(gè)圖像獲取系統(tǒng)均通過一個(gè)圖像采集卡與所述計(jì)算機(jī)連接。進(jìn)一步的，所述寬帶可控的穩(wěn)定光源在可見光到近紅外(380nm_1100nm)范圍內(nèi)都有較為均勻的光譜功率分布，且光源發(fā)出的光在密閉裝置內(nèi)壁均勻的漫反射作用下，使待鑒別國(guó)畫上每一點(diǎn)的光照強(qiáng)度大小均勻。本發(fā)明提供的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法之一是:將待鑒別的國(guó)畫置于能屏蔽外界未知光源且具有均勻漫反射特性的密閉裝置內(nèi)，并同時(shí)在該密閉裝置內(nèi)部使用寬帶可控的穩(wěn)定光源照射待鑒別國(guó)畫，使待鑒別國(guó)畫每一點(diǎn)上的光照強(qiáng)度大小均勻，且在整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)都有比較均勻的光譜功率分布；通過計(jì)算機(jī)控制光濾波器，讓不同光譜范圍的反射光進(jìn)入圖像獲取系統(tǒng)的CCD中形成不同波段的光譜圖像，并通過圖像采集卡轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中；再由計(jì)算機(jī)從采集到的光譜圖像中提取墨、顏料及印泥滲透于宣紙中的光譜特征與圖像特征，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中事先獲取的已存真跡的光譜特征和圖像特征相比較，最后將待鑒國(guó)畫與真跡中墨、顏料、印鑒及宣紙的差異進(jìn)行綜合，把差異小于預(yù)設(shè)值的作品判定為真，把差異大于預(yù)設(shè)值的作品判定為假。本發(fā)明提供的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法之二是:將待鑒別的國(guó)畫置于能屏蔽外界未知光源且具有均勻漫反射特性的密閉裝置內(nèi)，且待鑒別的國(guó)畫位于寬帶可控的穩(wěn)定光源與圖像獲取系統(tǒng)的CCD之間，待鑒別的國(guó)畫由透明載體支撐，并同時(shí)在該密閉裝置內(nèi)部使用寬帶可控的穩(wěn)定光源照射待鑒別國(guó)畫，使待鑒別國(guó)畫每一點(diǎn)上的光照強(qiáng)度大小均勻，且在整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)都有比較均勻的光譜功率分布；光源發(fā)出的光經(jīng)均勻擴(kuò)散后照射于待鑒國(guó)畫上，并在光濾波器的選擇作用下使不同光譜范圍內(nèi)的透射光進(jìn)入CCD中，形成不同波段的光譜圖像，通過分析比較待鑒國(guó)畫與數(shù)據(jù)庫(kù)中已存真跡的墨、顏料及印泥滲透于宣紙中的光譜特征與圖像特征，將綜合差異小于預(yù)設(shè)值的待鑒國(guó)畫認(rèn)定為真品，而將綜合差異大于預(yù)設(shè)值的作品認(rèn)定為偽造品。本發(fā)明提供的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法之三是:將待鑒別的國(guó)畫置于能屏蔽外界未知光源且具有均勻漫反射特性的密閉裝置內(nèi)，且待鑒別的國(guó)畫位于兩個(gè)圖像獲取系統(tǒng)之間，待鑒別的國(guó)畫由透明載體支撐，并同時(shí)在該密閉裝置內(nèi)部使用寬帶可控的穩(wěn)定光源照射待鑒別國(guó)畫，使待鑒別國(guó)畫每一點(diǎn)上的光照強(qiáng)度大小均勻，且在整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)都有比較均勻的光譜功率分布；光源發(fā)出的光經(jīng)均勻擴(kuò)散后照射于待鑒國(guó)畫上，一部分作為反射光反射進(jìn)入密閉裝置上方圖像獲取系統(tǒng)的C⑶中，而另一部分則穿過待鑒國(guó)畫成為透射光進(jìn)入下方圖像獲取系統(tǒng)的CXD中，實(shí)現(xiàn)反射特性與透射特性的同時(shí)測(cè)量；將反射與透射兩種情況下測(cè)得的墨、顏料及印泥滲透于宣紙中的光譜特征與圖像特征分別與數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的光譜特征與圖像特征進(jìn)行比較，并將該兩種情況中差異較大的差值與預(yù)設(shè)值相比，若差值大于預(yù)設(shè)值則判定為假，若小于則判定為真。上述鑒別方法中，其中反射式的鑒別方法是將待鑒別的國(guó)畫置于密閉的、具有均勻漫反射特性的裝置內(nèi)，屏蔽自然光等未知光源的干擾，并同時(shí)在裝置內(nèi)部構(gòu)造一個(gè)寬波段的穩(wěn)定可控的光源作為已知的光源，使待鑒國(guó)畫每一點(diǎn)上的光照強(qiáng)度大小均勻，且在整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)都有比較均勻的光譜功率分布；而光濾波器在計(jì)算機(jī)的控制下，讓不同光譜范圍的反射光進(jìn)入CCD中形成不同波段的光譜圖像，并通過圖像采集卡轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中；再由計(jì)算機(jī)從采集到的光譜圖像中提取墨、顏料及印泥滲透于宣紙中的光譜特征與圖像特征，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考標(biāo)準(zhǔn)相比較，得出鑒別結(jié)果。而透射式的鑒別方法則是將待測(cè)國(guó)畫放在位于光源與CXD之間的透明載體上，由光源發(fā)出的光經(jīng)均勻擴(kuò)散后透過宣紙進(jìn)入CCD中，形成與反射式具有不同光學(xué)特征的透射光譜圖像，通過分析比較其光譜特征與圖像特征，同樣可得出鑒別結(jié)果。至于反射與透射聯(lián)合應(yīng)用的鑒別方法則是綜合前兩種方法，通過同時(shí)測(cè)量在同一均勻光照下待鑒國(guó)畫的反射特性與透射特性，并綜合兩者的比較結(jié)果得出鑒別結(jié)論。這三種國(guó)畫測(cè)量與鑒別方法都具有低背景噪聲、光強(qiáng)均勻可控、光譜功率均勻分布及光譜特征、圖像特征結(jié)合分析比較的特點(diǎn)。本發(fā)明提出三種低背景噪聲下的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法及裝置，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)和技術(shù)效果:(I)低背景噪聲將國(guó)畫平放于密閉的裝置內(nèi)，屏蔽外界的未知光源，減少了掃描結(jié)果中的背景噪聲，提高了掃描輸出的信噪比。(2)光強(qiáng)均勻大小可控在特征(I)中的密閉裝置內(nèi)部采用均勻漫反射材料，并以多個(gè)穩(wěn)定可控的光源作為已知光源，通過多角度照射的方式使照射光在視場(chǎng)范圍內(nèi)變得均勻，從而保證照射在待鑒國(guó)畫上每一點(diǎn)的光照強(qiáng)度都是大小一致，且不隨時(shí)間變化而波動(dòng)。(3)光譜功率均勻分布在特征(2)中采用的光源具有從紫光到紅外光整個(gè)光譜范圍內(nèi)都有均勻光譜功率分布的特點(diǎn)，使進(jìn)入CCD的光照強(qiáng)度不會(huì)因?yàn)楣鉃V波器的干涉波長(zhǎng)不同而有所差別。(4)光譜特征與圖像特征相結(jié)合光譜圖像經(jīng)計(jì)算機(jī)處理后提取其光譜特征和圖像特征，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中參考標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較分析，最后在綜合兩者比較結(jié)果的情況下得出鑒別結(jié)論。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施方式及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述:反射式的國(guó)畫鑒別裝置如

圖1所示，可分為圖像采集模塊和圖像分析與鑒別模塊。其中圖像采集模塊中包括屏蔽外界未知光源的密閉裝置、裝置內(nèi)部寬帶可控的穩(wěn)定光源以及由CCD、鏡頭及光濾波器組成的、部分嵌入到密閉裝置中的圖像獲取系統(tǒng)，和與CCD相連，用于將收集到的不同波段的光譜圖像轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中的圖像采集卡；而圖像分析與鑒別模塊則由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示器組成，其中計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)及顯示器相連，實(shí)現(xiàn)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析比較以及輸出顯示的功能。另外，計(jì)算機(jī)還與圖像獲取系統(tǒng)相接，實(shí)現(xiàn)對(duì)掃描波長(zhǎng)的控制。反射式的鑒別方法的實(shí)現(xiàn)步驟如下:首先將待鑒別國(guó)畫平放在密閉的裝置中，由于外部的未知光源發(fā)出的光無法透過裝置照射在國(guó)畫上，因此在裝置內(nèi)部不提供光源，且沒有來自外界未知光源產(chǎn)生的背景噪聲的情況下，國(guó)畫處于黑暗的環(huán)境中，C⑶所采集到的圖像應(yīng)為一片漆黑，且圖像越黑越?jīng)]有影像，背景噪聲就越小，就越有利于提高掃描輸出的信噪比。然后由安裝在密閉裝置內(nèi)部的寬帶可控的穩(wěn)定光源(即在可見光到近紅外范圍內(nèi)都有較為均勻的光譜功率分布)作為國(guó)畫圖像采集過程中的唯一已知光源，從光源發(fā)出的光經(jīng)密閉裝置內(nèi)壁的均勻漫反射后均勻地照射在國(guó)畫上，并反射進(jìn)入CCD中形成一幅幅不同波段的光譜圖像。又由于光源具有穩(wěn)定性好、在紫光到紅外光整個(gè)光譜范圍內(nèi)都有比較均勻的光譜功率分布的特點(diǎn)，因此所采集到的光譜圖像上每一點(diǎn)的光照強(qiáng)度不隨時(shí)間的變化而波動(dòng)，而不同波段的光譜圖也不會(huì)因?yàn)楣鉃V波器的干涉波長(zhǎng)不同而導(dǎo)致進(jìn)入CCD的光照強(qiáng)度有所變化，它是一個(gè)恒定不變的值，這為國(guó)畫表面的光譜反射率重建提供了便利，同時(shí)也減少了光譜反射率重建時(shí)不可避免引入的估算誤差。同時(shí)，為 了得到待鑒國(guó)畫在不同波長(zhǎng)光下的光譜圖像，反射光在進(jìn)入C⑶之前，還需要先通過光濾波器。光濾波器是一種在一定的外加電壓下，只允許特定光譜范圍內(nèi)的光通過，而不允許其它波段的光通過的一種器件，它使得進(jìn)入CCD的光的波長(zhǎng)都處于能透過濾光器的特定光譜范圍內(nèi)，從而形成特定光譜范圍下的光譜圖像。而掃描過程中可通過計(jì)算機(jī)改變施加在光濾波器上的電壓來改變通過中心波長(zhǎng)，每調(diào)整一次波長(zhǎng)記錄下該波段的光譜圖像，然后再設(shè)定下一個(gè)波段，直至完成所有預(yù)定波長(zhǎng)的圖像采集任務(wù)為止。由于有計(jì)算機(jī)的精確控制，使得所采集的光譜圖像與所設(shè)定的波長(zhǎng)基本相符。又由于圖像獲取系統(tǒng)在掃描過程中不需要作機(jī)械移動(dòng)，避免了移動(dòng)過程中由于圖像獲取系統(tǒng)的震動(dòng)而引入不必要的誤差。在CCD中得到的光譜圖像通過圖像采集卡轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中，經(jīng)過去噪、前景提取等預(yù)處理后，分別從光譜特征和圖像特征兩個(gè)方面進(jìn)行比較識(shí)別。其中光譜特征的識(shí)別可通過特征點(diǎn)上光譜曲線的比較來進(jìn)行。光譜曲線是將同一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)在多個(gè)不同波段光照射下的反射率整理而成的，其曲線的走向及波峰、波谷等特征點(diǎn)的位置能在一定程度上反應(yīng)該點(diǎn)的化學(xué)特性，在分析鑒別物質(zhì)時(shí)起著重要的作用，而光譜反射率與CCD的像素響應(yīng)值有著密切的關(guān)系，可通過CCD的輸出值重建國(guó)畫的光譜反射率。在把CCD的像素響應(yīng)值作為該中心波長(zhǎng)處的光譜響應(yīng)值時(shí)，CCD的像素響應(yīng)值可表示為Ck 二 Ιι<{λι) [Λι、)Τ{λι')['ι ')α(λι)~\~ηι' (k = 1，2，...)式中Ck表不(XD在第k個(gè)波長(zhǎng)通道的輸出值，Ie( λ k)為光源的光譜功率分布，R(Ak)為國(guó)畫表面的光譜反射率，TUk)為鏡頭的光譜透過率，F(xiàn)kUk)為光濾波器第k個(gè)波長(zhǎng)通道的光譜透過率，a (Xk)為C⑶的相對(duì)光譜響應(yīng)，nk為第k個(gè)波長(zhǎng)通道的加性噪聲。其中鏡頭的光譜透過率T ( λ k)、光濾波器的光譜透過率Fk ( λ k)和(XD的光譜響應(yīng)a (Ak)經(jīng)標(biāo)定后都是固定值，可通過實(shí)驗(yàn)測(cè)得；而加性噪聲nk可通過消除暗電流、相對(duì)輻射定標(biāo)處理等方法進(jìn)行去除；又因?yàn)闇y(cè)量過程是在嚴(yán)格可控的光照條件下進(jìn)行的，光源的光譜功率分布IKUk)同樣可由實(shí)驗(yàn)獲得。因此國(guó)畫表面的光譜反射率可由公式R(Ai)=-—-
lR(Ak)T(Ak)Fk(Ak)a(Ak)求得，進(jìn)而可得到國(guó)畫特征點(diǎn)上的光譜曲線，再通過與數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先測(cè)得的真國(guó)畫的光譜曲線相比，差別的大小作為真?zhèn)闻袥Q的一個(gè)重要依據(jù)。而圖像特征的識(shí)別則需要在計(jì)算機(jī)的輔助，先對(duì)所得光譜圖像進(jìn)行預(yù)處理，將與待提取特征無關(guān)的內(nèi)容當(dāng)作噪聲濾除，而將墨、顏料、印鑒、簽名及宣紙等待鑒別的內(nèi)容所對(duì)于的圖像信息盡可能完整地保留下來；然后從處理后的圖像中提取顏色、紋理、邊緣、形狀等特征，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)相比較，以所得的比較結(jié)果作為判別的依據(jù)。其中預(yù)留標(biāo)準(zhǔn)可用同樣的方法從受認(rèn)可的真跡中提取，并預(yù)先存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。最后綜合光譜特性與圖像特性的比較結(jié)果，對(duì)待鑒國(guó)畫的真?zhèn)巫鞒雠袥Q，避免了只作光譜分析或只作圖像識(shí)別的片面性，同時(shí)光譜分析和圖像處理都是快速、高效、無損傷的方法，對(duì)待鑒國(guó)畫的影響很小，是對(duì)國(guó)畫進(jìn)行真?zhèn)畏治雠c鑒別的理想工具。透射式的國(guó)畫測(cè)量與鑒別裝置如圖2所示，它與反射式的測(cè)量與鑒別裝置所不同的地方是密閉裝置分為上下兩層，中間的隔板對(duì)測(cè)量光譜范圍內(nèi)的光具有全透性，使測(cè)量范圍內(nèi)的任意波長(zhǎng)的光在穿過隔板時(shí)都有同等的變化，避免了對(duì)部分波段的光譜圖像作不必要的修正；同時(shí)隔板作為密閉裝置上層的平臺(tái)，起著固定與擺放國(guó)畫的作用。此外，光源的位置也從原本國(guó)畫的上方轉(zhuǎn)移到國(guó)畫的下方，光源發(fā)出的光經(jīng)均勻擴(kuò)散后透過國(guó)畫本身進(jìn)入CCD中，所得到的光譜圖反映的是國(guó)畫的透射特性而不再是反射特性。然后通過分析CCD中所得到的光譜圖，提取特征點(diǎn)上的光譜曲線，可得到墨、顏料及印泥滲透于宣紙中的透射特性，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中預(yù)先存放的國(guó)畫真品測(cè)量值相比較，對(duì)國(guó)畫的真?zhèn)巫鞒雠袥Q。反射與透射聯(lián)合應(yīng)用的國(guó)畫測(cè)量與鑒別裝置如圖3所示，其密閉裝置與透射式相同，都具有雙層結(jié)構(gòu)，且中間隔板都是對(duì)測(cè)量范圍內(nèi)的光具有全透性的特點(diǎn)，不同點(diǎn)在于光源的位置由下層轉(zhuǎn)移到上層，而下層嵌入了一個(gè)由光濾波器、鏡頭及CCD組成的圖像獲取系統(tǒng)。上層光源發(fā)出的光均勻地照射在國(guó)畫上，一部分經(jīng)反射進(jìn)入上層的C⑶中，另一部分透過國(guó)畫進(jìn)入下層的CXD中，在兩個(gè)CXD中形成的光譜圖均通過與之相連的圖像采集卡轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中進(jìn)行光譜特征與圖像特征的提取與分析，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的參考量相比，共同決定鑒別結(jié)果。這三種測(cè)量與鑒別方法均具有光譜成像技術(shù)的高光譜分辨率、圖譜合一及光譜波段多的特點(diǎn)。它們都可以在測(cè)量光譜范圍內(nèi)將光譜劃分成多個(gè)窄波段，實(shí)現(xiàn)在紫光到紅外光這一光譜范圍內(nèi)的連續(xù)成像。而所得到的光譜圖一方面擁有了二維的高分辨率的平面圖像，表現(xiàn)為國(guó)畫在空間分布的的影像特征，可用于圖像特征的分析與識(shí)別；另一方面擁有光譜維，即將光譜圖按波段順序迭合起來可構(gòu)成圖像立方體，若以其中某一像元或像元組為目標(biāo)，把波長(zhǎng)作為自變量，可作出該像元或像元組的光譜曲線，從而獲得它們的光譜特征。又由于這些光譜曲線真實(shí)地反映了入射光經(jīng)反射或透射后能量百分比隨波長(zhǎng)的變化規(guī)律，可以在一定程度上對(duì)該像元中的物質(zhì)進(jìn)行識(shí)別。
權(quán)利要求
1.基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別裝置，其特征在于包括圖像采集模塊和圖像分析與鑒別模塊，所述圖像分析與鑒別模塊包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示器；所述圖像采集模塊包括能屏蔽外界未知光源且具有均勻漫反射特性的密閉裝置、寬帶可控的穩(wěn)定光源、由CCD、鏡頭及光濾波器組成的圖像獲取系統(tǒng)和與CCD相連的圖像采集卡；所述寬帶可控的穩(wěn)定光源位于所述密閉裝置中，用于產(chǎn)生不同波段的光并照射待鑒別國(guó)畫；所述圖像獲取系統(tǒng)用于接收經(jīng)待鑒別國(guó)畫反射的光線或透射過待鑒別國(guó)畫的光線并進(jìn)行成像，所述圖像采集卡用于采集經(jīng)圖像獲取系統(tǒng)成像后的不同波段的光譜圖像并轉(zhuǎn)存到所述計(jì)算機(jī)中的，所述計(jì)算機(jī)與數(shù)據(jù)庫(kù)及顯示器相連，計(jì)算機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析比較并將鑒別結(jié)果輸出至顯示器，所述數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)已知國(guó)畫真跡與待鑒別國(guó)畫的光譜特征與圖像特征；所述計(jì)算機(jī)還與圖像獲取系統(tǒng)相接，通過控制圖像獲取系中的光濾波器而獲得單色光在CCD中成像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別裝置，其特征在于所述寬帶可控的穩(wěn)定光源和圖像獲取系統(tǒng)位于待鑒別國(guó)畫的同一側(cè)且均朝向待鑒別國(guó)畫的正面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別裝置，其特征在于所述寬帶可控的穩(wěn)定光源和圖像獲取系統(tǒng)分別位于待鑒別國(guó)畫的兩側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別裝置，其特征在于所述照相系中的光濾波器、CCD、鏡頭順次排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別裝置，其特征在于具有兩個(gè)所述圖像獲取系統(tǒng)和兩個(gè)圖像采集卡，且兩個(gè)圖像獲取系統(tǒng)分別位于待鑒別國(guó)畫的兩偵U，每個(gè)圖像獲取系統(tǒng)均通過一個(gè)圖像采集卡與所述計(jì)算機(jī)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別裝置，其特征在于所述寬帶可控的穩(wěn)定光源在可見光到近紅外范圍內(nèi)都有較為均勻的光譜功率分布，且光源發(fā)出的光在密閉裝置內(nèi)壁均勻的漫反射作用下，使待鑒別國(guó)畫上每一點(diǎn)的光照強(qiáng)度大小均勻。
7.基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法，其特征在于包括:將待鑒別的國(guó)畫置于能屏蔽外界未知光源且具有 均勻漫反射特性的密閉裝置內(nèi)，并同時(shí)在該密閉裝置內(nèi)部使用寬帶可控的穩(wěn)定光源照射待鑒別國(guó)畫，使待鑒別國(guó)畫每一點(diǎn)上的光照強(qiáng)度大小均勻，且在整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)都有比較均勻的光譜功率分布；通過計(jì)算機(jī)控制光濾波器，讓不同光譜范圍的反射光進(jìn)入圖像獲取系統(tǒng)的CCD中形成不同波段的光譜圖像，并通過圖像采集卡轉(zhuǎn)存到計(jì)算機(jī)中；再由計(jì)算機(jī)從采集到的光譜圖像中提取墨、顏料及印泥滲透于宣紙中的光譜特征與圖像特征，并與數(shù)據(jù)庫(kù)中事先獲取的已存真跡的光譜特征和圖像特征相比較，最后將待鑒國(guó)畫與真跡中墨、顏料、印鑒及宣紙的差異進(jìn)行綜合，把差異小于預(yù)設(shè)值的作品判定為真，把差異大于預(yù)設(shè)值的作品判定為假。
8.基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法，其特征在于包括:將待鑒別的國(guó)畫置于能屏蔽外界未知光源且具有均勻漫反射特性的密閉裝置內(nèi)，且待鑒別的國(guó)畫位于寬帶可控的穩(wěn)定光源與圖像獲取系統(tǒng)的CCD之間，待鑒別的國(guó)畫由透明載體支撐，并同時(shí)在該密閉裝置內(nèi)部使用寬帶可控的穩(wěn)定光源照射待鑒別國(guó)畫，使待鑒別國(guó)畫每一點(diǎn)上的光照強(qiáng)度大小均勻，且在整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)都有比較均勻的光譜功率分布；光源發(fā)出的光經(jīng)均勻擴(kuò)散后照射于待鑒國(guó)畫上，并在光濾波器的選擇作用下使不同光譜范圍內(nèi)的透射光進(jìn)入CXD中，形成不同波段的光譜圖像，通過分析比較待鑒國(guó)畫與數(shù)據(jù)庫(kù)中已存真跡的墨、顏料及印泥滲透于宣紙中的光譜特征與圖像特征，將綜合差異小于預(yù)設(shè)值的待鑒國(guó)畫認(rèn)定為真品，而將綜合差異大于預(yù)設(shè)值的作品認(rèn)定為偽造品。
9.基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法，其特征在于包括:將待鑒別的國(guó)畫置于能屏蔽外界未知光源且具有均勻漫反射特性的密閉裝置內(nèi)，且待鑒別的國(guó)畫位于兩個(gè)圖像獲取系統(tǒng)之間，待鑒別的國(guó)畫由透明載體支撐，并同時(shí)在該密閉裝置內(nèi)部使用寬帶可控的穩(wěn)定光源照射待鑒別國(guó)畫，使待鑒別國(guó)畫每一點(diǎn)上的光照強(qiáng)度大小均勻，且在整個(gè)測(cè)量光譜范圍內(nèi)都有比較均勻的光譜功率分布；光源發(fā)出的光經(jīng)均勻擴(kuò)散后照射于待鑒國(guó)畫上，一部分作為反射光反射進(jìn)入密閉裝置上方圖像獲取系統(tǒng)的CCD中，而另一部分則穿過待鑒國(guó)畫成為透射光進(jìn)入下方圖像獲取系統(tǒng)的CCD中，實(shí)現(xiàn)反射特性與透射特性的同時(shí)測(cè)量；將反射與透射兩種情 況下測(cè)得的墨、顏料及印泥滲透于宣紙中的光譜特征與圖像特征分別與數(shù)據(jù)庫(kù)中對(duì)應(yīng)的光譜特征與圖像特征進(jìn)行比較，并將該兩種情況中差異較大的差值與預(yù)設(shè)值相比，若差值大于預(yù)設(shè)值則判定為假，若小于則判定為真。
全文摘要
本發(fā)明公開了基于光譜成像技術(shù)的國(guó)畫真?zhèn)舞b別方法與裝置，包括圖像采集模塊和圖像分析與鑒別模塊，所述圖像分析與鑒別模塊包括計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)和顯示器；所述圖像采集模塊包括密閉裝置、寬帶可控的穩(wěn)定光源、由CCD、鏡頭及光濾波器組成的光譜成像和與CCD相連的圖像采集卡，所述寬帶可控的穩(wěn)定光源位于所述密閉裝置中。所述鑒別方法是通過所述寬帶可控的穩(wěn)定光源照射待鑒別國(guó)畫；圖像采集卡采集經(jīng)光譜成像統(tǒng)成像后的不同波段的光譜圖像并轉(zhuǎn)存到所述計(jì)算機(jī)中的，計(jì)算機(jī)調(diào)用數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行分析比較并將鑒別結(jié)果輸出至顯示器。本發(fā)明的鑒別方法和裝置均具有低背景噪聲、光強(qiáng)均勻可控以及同時(shí)結(jié)合光譜特征、圖像特征進(jìn)行鑒別的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01N21/27GK103149164SQ201310068628
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2013年3月4日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月4日
發(fā)明者劉偉平, 何嘉熾, 邵琢瑕, 陳舜兒 申請(qǐng)人:暨南大學(xué)