基于高光谱相机的光谱监测文物防盗方法及系统

1.本发明涉及文物监测技术领域，特别是一种基于高光谱相机的光谱监测文物防盗方法及 系统。


背景技术：

2.目前，对文物的保护工作越来越重要，当前我国文物保护情况不容乐观，许多文物如石 像、壁画等时常遭到部分破坏，一旦遭到破坏很难完全修复，因此研究一种能分辨文物不同 部位并进行监控的文物保护方法十分重要。
3.目前，随着科技的不断发展，用于文物保护的监测方法也更加多元化，新的监测方法层 出不穷。目前用于文物保护的监测方法有多种，各种方法都有其优缺点，如测距法、测振动 法、视频监控法等。比如申请号为cn201610419995.4，专利名称为一种内置式无源监测文物 囊匣及其制作方法，是通过内置无源监测模块制作的文物囊匣，并在盒体的安装孔处镶嵌式 地设置有透明观察窗，通过监测模块来获取囊匣内的温度和湿度，无法实现监控文物是否被 盗等情况。又如专利申请号为cn201320618637.8，专利名称为一种基于rfid的无线离位报 警系统，通过rfid标签实现文物离位报警，但是该标签是设置于文物底座，没有设置于文物 本身上，即使文物被盗走，也无法及时发现，存在安全隐患。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于高光谱相机的光谱监测文物防盗方法，本方 法通过高光谱相机获取文物标签频谱信号，根据不同频谱特性进行识别并进行监控。
5.为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
6.本发明提供的基于高光谱相机的光谱监测文物防盗方法，包括以下步骤：
7.通过高光谱相机采集待监控文物的高光谱图像；
8.确定待监控文物上编码标签位置；
9.确定该待监控文物在编码标签位置的光谱特征；
10.根据光谱特征获取高光谱图像中编码标签的特征；
11.根据编码标签的特征确定待监控文物的状态信息。
12.进一步，所述编码标签包括由若干预设频谱材料按照预设顺序标记的编码组成，所述预 设频谱材料为可见光透明的在预设波段具备特征峰位的反射材料。
13.进一步，所述编码标签设置于待监控文物的预设部位。
14.进一步，所述根据解码判断待监控文物的状态信息，按照以下步骤进行：
15.根据解码判断待监控文物编码标签的特征峰是否发生变化，如果否，则待监控文物未被 破坏或盗窃，如果是，则待监控文物被破坏或盗窃。
16.进一步，所述编码标签的特征按照以下步骤提取：
17.对频谱图像预处理，计算编码标签与待监控文物的背景图像的灰度值差，判断灰
度值差 是否超过预设阈值，如果是，则编码标签存在特征峰位，如果否，则编码标签不存在特征峰 位。
18.进一步，所述编码标签的特征峰位是按照以下步骤确定的：
19.采集待监控文物本体的高光谱数据，根据高光谱数据得到待监控文物各部位的光谱曲线， 根据光谱曲线确定的特征峰位，根据特征峰位确定待监控文物的编码标签。
20.进一步，所述编码标签按照以下方式进行组合：
21.根据特征峰位选择对应的频谱材料并制作成对应特征峰位膜器件；将不同特征峰位的膜 器件按预设顺序进行编码拼接，在一个波段内存在特征峰记做1，不存在特征峰记做0，n种 特征峰即有2n种编码组合，其中，全0即代表在各个波段均无特征峰，代表文物本身，剩下 2
n-1种特征峰编码组合即可作为2
n-1个标签编号，代表文物的2
n-1个部位。
22.进一步，还包括对高光谱图像的图像标定，具体过程如下：
23.设置高光谱相机采集条件并扫描标准白色校正板得到全白的标定图像w；
24.关闭摄像头快门进行图像采集得到全黑的标定图像b；
25.按照以下公式进行标定：
[0026][0027]
其中，i表示绝对图像，r表示相对图像。
[0028]
本发明提供的基于高光谱相机的光谱监测文物防盗系统，包括高光谱相机、控制单元、 数据处理装置；
[0029]
所述控制单元与高光谱相机、数据处理装置连接；所述控制单元用于控制高光谱相机；
[0030]
所述高光谱相机用于拍摄设置有编码标签的待监控文物图像，并将拍摄的图像传输到数 据处理装置中；所述数据处理装置用于分析图像并识别编码标签中的特征。
[0031]
进一步，所述数据处理装置包括以下部分：
[0032]
标签定位单元，用于确定待监控文物上编码标签位置；
[0033]
文物光谱特征确定单元，用于确定该待监控文物在编码标签位置的光谱特征；
[0034]
高光谱相机控制单元，用于通过相机获取编码标签在滤光片下的频谱图像；
[0035]
特征峰提取单元，用于将频谱图像传输到数据处理装置进行处理得到编码标签的特征峰 位；
[0036]
解码单元，用于根据特征峰位获取编码标签的解码；
[0037]
判断单元，用于根据解码判断待监控文物的状态信息。
[0038]
本发明的有益效果在于：
[0039]
本发明提供的高光谱监控法通过在文物不同部位放置具有不同特异性光谱的标签，使用 高光谱相机与计算机实现对文物实时监控与编码，当能够检测到标签的特异性光谱时认为文 物未被盗窃，当无法检测到某部位标签的特异性光谱时认为文物该部位存在被盗窃风险，且 该方法未见相关报道。
[0040]
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某 种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发 明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现
和获得。
附图说明
[0041]
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
[0042]
图1为基于标签编码的高光谱文物防盗保护系统示意图。
[0043]
图2为基于标签编码的高光谱文物防盗保护系统流程图。
[0044]
图3为碳酸钙红外吸收光谱。
具体实施方式
[0045]
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的 理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
[0046]
实施例1
[0047]
本实施例提供的基于高光谱相机的光谱监测文物防盗方法，克服了现有技术存在的缺陷 和不足，通过高光谱相机识别频谱器件的特异性光谱，高光谱图像是在特定波长范围内由一 系列波长处的光学图像组成的三维图像块。x和y表示二维平面坐标轴,λ表示波长信息坐标 轴。高光谱图像既具有某个特定波长λi下的图像信息,并且针对xy平面内某个特定像素又 具有不同波长下的光谱信息。
[0048]
因此,高光谱图像集图像与光谱信息于一身，图像信息可以反映样本的大小、形状、缺陷 等外部品质特征，由于不同成分对光谱吸收也不同，在某个特定波长下图像对某个缺陷会有 较显著的反映，而光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分的差异；使用多层膜 材料作为无损标记的频谱增强材料，设计一种在可见光透明，在其他波段具备特征峰位的多 层膜频谱器件贴附在待保护文物的表面。当文物某部位被盗或者频谱器件所在表面破损时， 多层膜结构频谱器件的特征峰消失或者改变，计算机对高光谱图像进行处理后能够检测到该 变化，达到对文物监测与防盗的目的,具体步骤如下：
[0049]
首先,利用高光谱图像系统搜集各文物的本体光谱，寻找频谱器件的最佳特征峰波长位置， 并使用多层膜材料作为无损标记的频谱增强材料，设计一种在可见光透明，在其他波段具备 特征峰位的多层膜频谱器件贴附在待保护文物的表面，多层膜器件具有多个不同特征峰，用 于特种频谱编码。使用频谱器件对具体文物进行编码，记录该编码，此后用高光谱相机实时 采集多层膜频谱器件的特异性光谱峰位分布，经过图像标定后，识别用于编码的膜系组合， 反解具体的文物频谱编码标识，实现对不同文物构件的精准标识识别，如遇特征峰改变或缺 失则编码改变，发出警报，为文物构件的跟踪、识别、溯源提供技术支持。
[0050]
基于高光谱相机识别频谱器件的特征峰位方法，其要点在于如下步骤：
[0051]
1)采集文物本体高光谱数据。使用高光谱图像系统采集文物各部位的光谱曲线，获取需 要监测的所有文物的光谱数据，寻找频谱器件的最佳特征峰波长位，即频谱器件特征峰与文 物本体光谱能有明显区分的波长位置。
[0052]
2)多段频谱材料及器件的设计及制备。设计一种在可见光透明，在其他波段具备特征峰 位(共n个特征峰位)的多层膜器件贴附在待保护文物的表面，每个频谱器件将产生
n(0《n≤n) 个特征峰，且n个特征峰在不同的波段。在制备频谱材料时除了光谱需要具有明显的差异性 外，还需要注意保证材料的物理稳定性，对文物的无害性等，保证对文物本身的影响尽量小。
[0053]
3)构件编码。通过将具有不同特征峰的膜器件按需求进行编码拼接，把在一个波段内存 在特征峰记做1，不存在特征峰记做0，n种特征峰即有2n种编码组合，其中全0即代表在各 个波段均无特征峰，代表文物本身，剩下2
n-1种特征峰编码组合即可作为2
n-1个特异性 标签编号，代表文物的2
n-1个位置。
[0054]
4)图像采集。在高光谱图像数据采集前,预先确定好高光谱摄像头的曝光时间以保证图 像清晰；确定好输送装置的速度以避免图像尺寸和空间分辨率失真；数据采集时,线阵的探测 器在光学焦面的垂直方向作横向扫描(x轴方向),获取条状空间中每个像素在各个波长处的图 像信息；同时随着文物的前进(y轴方向),线阵探测器扫出整个平面完成整幅图像数据的采集, 得到一个文物的高光谱图像。
[0055]
5)图像标定。由于光源的强度在各波段下分布不均匀以及摄像头中暗电流噪声的存在, 会造成在光源强度分布较弱的波段下,所获得的图像含有较大的噪声,因此,必须对所获得的 高光谱图像进行标定。在与样品采集相同的系统条件下,首先扫描标准白色校正板得到全白的 标定图像w。然后关闭摄像头快门进行图像采集,得到全黑的标定图像b。最后完成图像标定, 使采集得到的绝对图像i变成相对图像r,标定公式为：
[0056][0057]
6)软件处理及报警。将获得的高光谱图像传输到电脑端进行处理，根据各波段照片中频 谱器件与文物背景的灰度差异，以及获得的频谱器件光谱曲线与文物本体光谱曲线差异，反 解出相应的构件编码。当发现特某一构件编码改变或消失时，认为该部位文物损坏或缺失， 发出报警信号，实现文物构件的跟踪、识别、溯源。
[0058]
本实施例提供的方法自动化程度高，安装完成后不需要人工值守，系统能实现自动化实 时监测。测量准确程度高，且不容易发生误报，能实现高可信度监测。能实现对不同位置的 实时区别监测，为安保人员提供更全面、详细的实时监控信息，这是传统方式不能实现的。 有利于更好地实现文物防盗保护，更好地推进文物保护工作的进行。
[0059]
实施例2
[0060]
如图1所示，图1为基于标签编码的高光谱文物防盗保护系统示意图，本实施例提供的 方法自动化程度高，安装完成后不需要人工值守，系统能实现自动化实时监测。测量准确程 度高，且不容易发生误报，能实现高可信度监测。能实现对不同位置的实时区别监测，为安 保人员提供更全面、详细的实时监控信息，这是传统方式不能实现的。有利于更好地实现文 物防盗保护，更好地推进文物保护工作的进行。
[0061]
本实施例提供的高光谱文物检测系统包含400-1000nm高光谱相机，光源，相机支架，大 容量计算机，电源等。
[0062]
1)采集文物本体高光谱数据。使用高光谱图像系统采集文物各部位的光谱曲线，获取需 要监测的所有文物的光谱数据，寻找频谱器件的最佳特征峰波长位，即频谱器件特征峰与文 物本体光谱能有明显区分的波长位置。本实施例的频谱器件特征峰与文物本体光谱的明显区 分按照预设阈值进行设计，该预设阈值满足频谱器件的半峰宽波段与文物
本体半峰宽所在波 段不重叠，实际情况可以根据具体要求进行设置，当两者差异满足预设阈值时，在采集图像 中判断在该波长位置范围内是否存储频谱器件的特征峰，如果存在，则说明频谱器件存在， 表示文物存在，否则，表示文件不存在，该预设阈值的设置保证了频谱器件光谱特征峰和文 物本体光谱之间有明确的区分，或者两者波长位置差距比较大，这样更有利于图像处理，当 两个光谱信息差距较大时，可以克服噪声对信息处理的干扰，节约了处理时间，提高信息处 理效率，使得监测的准确性更高，本实施例的文物本体的主要是石像，其石像的主要构成成 分碳酸钙的红外吸收光谱如图3所示，图3为碳酸钙红外吸收光谱。
[0063]
2)多段频谱材料及器件的设计及制备。在本次设计中需要监测文物本体上的7个部位， 设计一种在可见光透明，在设置x1、x2、x3三种具备特征峰位的多层膜器件贴附在待保护文 物的表面，其中，x1、x2、x3分别为800nm-1200nm波段中的任意值，本实施例提供的材料可 以根据实际需要具体在不同波段的选择相应的特征峰的材料，制作多层膜器件贴服在待保护 文物的表面。
[0064]
3)对需要监测的文物进行编码，通过将具有不同特征峰的膜器件按需求进行编码拼接， 把在一个波段内存在特征峰记做1，不存在特征峰记做0，3种特征峰即有23种编码组合，其 中全0即代表在各个波段均无特征峰，代表文物本身，剩下7种特征峰编码组合即可作为7 个特异性标签编号，代表文物的7个位置；如图2所示，图2为基于标签编码的高光谱文物 防盗保护系统流程图。
[0065]
不同物质具有不同的光谱吸收谱图，光谱根据光的波长分为红外光谱、紫外光谱等。将 具有与需保护文物不同光谱的特异性标签放置在文物上，实时监测标签位置的光谱图，当能 检测到特异性光谱时即可认为文物未被破坏，反之受到破坏。通过在不同的光波范围检测， 如同时在紫外和红外范围内进行检测，就存在都相同、有一项相同、都不相同四种检测结果， 即能实现对三个位置标签的识别与监测，达到对多位置文物防盗保护的要求。
[0066]
利用基于标签编码的多光谱文物防盗监测的方法，其要点在于如下步骤：
[0067]
检测待保护文物光谱图。利用多光谱相机对待保护文物进行光谱测量。
[0068]
选择材料。根据文物光谱图和需要检测的位置数量选择若干特异性标签。当选择n种光 谱范围时，在每个光谱范围内需找到一种与背景文物光谱具有明显差异性的材料，n种光谱 则需要找到n种材料。通过将n种材料按需求进行编码拼接，将在一个波段内存在明显差异 记做1，不存在明显差异记做0，n种材料即有2n种编码组合，其中全0即代表在各个波段均 无差异，代表文物本身，剩下2
n-1种材料编码组合即可作为2
n-1个特异性标签编号，实 现对2
n-1个位置的识别与监测。在选择材料时除了光谱需要具有明显的差异性外，还需要 注意保证材料的物理稳定性，对文物的无害性等，保证对文物本身的影响尽量小。
[0069]
制作标签。将n种材料按照从全0到全1的方式拼接组合产生2
n-1种标签。
[0070]
实时测量。将制作好的标签固定在文物需要监测的位置上，利用多光谱相机进行实时测 量。当发现特异性光谱信号消失时发出报警信号，实现防止文物被盗的目的。
[0071]
4)图像采集。在高光谱图像数据采集前,预先确定好高光谱摄像头的曝光时间以保证图 像清晰；确定好输送装置的速度以避免图像尺寸和空间分辨率失真；数据采集时,线阵的探测 器在光学焦面的垂直方向作横向扫描(x轴方向),获取条状空间中每个像素在
各个波长处的图 像信息；同时随着文物的前进(y轴方向),线阵探测器扫出整个平面完成整幅图像数据的采集, 得到一个文物的高光谱图像。
[0072]
5)图像标定。由于光源的强度在各波段下分布不均匀以及摄像头中暗电流噪声的存在, 会造成在光源强度分布较弱的波段下,所获得的图像含有较大的噪声,因此,必须对所获得的 高光谱图像进行标定。在与文物光谱采集相同的系统条件下,首先扫描标准白色校正板得到全 白的标定图像w。然后关闭摄像头快门进行图像采集,得到全黑的标定图像b。最后完成图像 标定,使采集得到的绝对图像i变成相对图像r,标定公式为：
[0073]
r＝(i-b)/(w-b)；
[0074]
6)软件处理及报警。将获得的高光谱图像传输到电脑端进行处理，根据各波段照片中频 谱器件与文物背景的灰度差异，以及获得的频谱器件光谱曲线与文物本体光谱曲线差异，反 解出相应的构件编码。当发现特某一构件编码改变或消失时，认为该部位文物损坏或缺失， 发出报警信号，实现文物构件的跟踪、识别、溯源。
[0075]
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限 于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范 围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。