利用多光谱照明和多重曝光实现相机的色彩精准捕捉

据麦姆斯咨询报道，近日，由英国剑桥大学（University of Cambridge）和东英吉利大学（University of East Anglia，简称UEA）组成的研究团队提出了一种解决方案，通过优化光源的光谱组成以及捕捉单次或多次曝光图像，仅使用普通相机即可实现色彩的精准捕捉。无论场景的光谱组成如何，该方案均可同时优化信噪比（SNR）和色彩准确性。在受控的多光谱光源下捕捉单张或多张图像后，再将其转换为在D65标准光源下呈现的色彩精准图像。这种优化方法可将相机色彩误差减少20%至60%（以CIEDE 2000为标准），具体效果取决于曝光次数和相机类型。该方法适用于照明可控且色彩精度要求较高的应用场景，例如产品摄影以及多光谱相机闪光成像等。这项研究成果以“Color-Accurate Camera Capture with Multispectral Illumination and Multiple Exposures”为题发表在Computer Graphics Forum期刊上。

这项研究首先概述了照明优化技术，并将其扩展到使用多次曝光，每次曝光都采用不同的优化光源，相关成像结果如图1所示。为了确保解决方案的唯一性，研究人员在色彩校正矩阵中引入了正则化。接着，研究人员通过制定成本函数，旨在最大化捕捉图像的信噪比。

图1 优化方案提升相机色彩准确性的示例 　

其中，光谱可调光模块iQ-LED由41个高功率LED组成。每个LED通道的峰值波长不同，其强度可调。通过调整各个LED通道的强度，就可以产生所需的光谱。为了混合位于电路不同位置的单个LED产生的光，研究人员制作了一个肘形木箱，将iQ-LED灯对准肘部（如图2），肘形木箱内部铺设了白纸。研究人员将光源置于小桌子上方，这样桌子下面的物体就能得到适当的照明（如图2b）。研究人员在桌子下面放置了一块白色漫反射标准膜（Spectralon），并将光谱仪置于距离标准膜约60 cm的位置，即可完成光谱测量。由于Spectralon的反射光谱在可见光谱内近似平坦，因此可以通过测量Spectralon上的反射光谱来获得光源光谱功率分布（SPD），20个L

ED通道响应如图3所示。

图3 iQ-LED光谱可调光模块的20通道响应 　

研究人员使用索尼A7R3拍摄了魔方，同时采用了优化光源和D65，成像结果如图1所示。虽然没有这些物体的参考颜色，但结果表明，使用优化光源捕捉的图像色彩更接近真实色彩。捕捉多次曝光图像的方法被广泛用于降低噪声（提高相机灵敏度）或扩大动态范围。综上所述，这项研究展示了捕捉多次曝光图像同样可用于提高相机的色彩准确性。研究人员优化了光源的光谱组成，使得在优化后的光谱下捕捉单张或多张图像时，所得到的RGB值的线性组合可转换为CIE XYZ三基色值。这样在保持或提高信噪比同时，能够显著提高色彩准确性（ΔE00低于1），且无需对相机进行任何改动。这项研究采用了光谱可调的LED光模块（iQ-LED），该模块为工作室摄影或扫描（例如材料采集）提供了实用的解决方案。未来，该技术有望应用于多光谱闪光成像。