รายงาน: เพิ่มประสิทธิภาพการบันทึกศิลปะหินผ่านการถ่ายภาพแบบหลายส่วน

Source page: http://paulbourke.net/papers/multispectral/

เขียนโดย พอล บอร์ก / Paul Bourke

ตุลาคม 2014

สไลด์นำเสนอ

ต่อไปนี้เป็นการตรวจสอบเบื้องต้นเกี่ยวกับการใช้การถ่ายภาพแบบหลายหน่วย (หรือที่เรียกกันว่าการถ่ายภาพแบบหลายภาพ) เพื่อเพิ่มความยากในการระบุศิลปะหินของชาวออสเตรเลีย การใช้ หลายสเปกตรัม ของคำนี้เป็นการถ่ายภาพที่ย่านความถี่แคบข้ามสเปกตรัมที่มองเห็นได้ นี่คือแรงบันดาลใจจากการตระหนักว่ากล้องดิจิตอลและดวงตามนุษย์รวมความยาวคลื่นผ่านสามช่องทาง (แดงเขียวน้ำเงิน) เพื่อสร้างค่า RGB เดียวสำหรับแต่ละพิกเซล เช่นข้อมูลจำนวนมากกำลังถูกสูญเสียกล่าวคือความเข้มของความยาวคลื่นใด ๆ ผลที่ตามมาบางส่วนคือ:

• อาจมีสองวัสดุที่แตกต่างกันซึ่งสะท้อนแสงที่จุดสูงสุดของตน เนื่องจากมีการรวมกันในช่วงความยาวคลื่นของเซ็นเซอร์ซึ่งอาจส่งผลให้ค่า RGB แต่ละชุดไม่แตกต่างกัน
• การรวมข้ามแถบความยาวคลื่นอาจซ่อนหรือส่งผลให้ค่าความเปรียบต่างสี RGB ต่ำกว่าของการสะท้อนแสงสูงเมื่อเปรียบเทียบกับการถ่ายภาพด้วยฟิลเตอร์ที่มีศูนย์กลางอยู่ที่จุดสูงสุดนั้น

เซ็นเซอร์แต่ละตัวรวม (ค่าเฉลี่ยถ่วงน้ำหนัก) ความยาวคลื่นในบางช่วงในสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้าที่มองเห็นได้ ความเข้มของคลื่นที่เป็นไปได้ทั้งหมดจะลดลงเหลือเพียง 3 ค่า RGB

จุดสูงสุดในการบันทึกแบบมัลติเพกต์ตราอาจเป็นการจับภาพความเข้มอย่างต่อเนื่องในช่วงความยาวคลื่นบางช่วงทำให้เกิดความยาวคลื่นเป็นลายเซ็น สิ่งนี้กำลังถูกใช้ในหลายอุตสาหกรรมเช่นเพื่อระบุแร่ในการสำรวจเหมือง การประมาณค่าคือการรวมความเข้มของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้ากับแถบความยาวคลื่นแคบ ๆ ผลของภาพ หลายสเปกตรัม มักเรียกว่าลูกบาศก์สเปกตรัมนั่นคือสำหรับแต่ละพิกเซล (x, y) ในภาพมีค่าความเข้มของคลื่น (λ) บางค่า ชุดข้อมูลนี้จะถูกจินตนาการเป็นลูกบาศก์ของ (x, y, λ) สำหรับภาพ RGB ปกติมีคิวบ์นี้เพียงสามชิ้นในมิติความยาวคลื่นและพวกมันไม่จำเป็นต้องเป็นอิสระหรือมีขอบเขตแคบในλ สำหรับตัวอย่างที่กล่าวถึงที่นี่อาจมีการจับภาพ 8 ชิ้นในมิติความยาวคลื่นแต่ละชิ้นไม่ทับซ้อนกัน (อิสระ)

การถ่ายภาพ หลายสเปกตรัม นั้นแม่นยำมากด้วยอุปกรณ์ที่ได้รับการปรับเทียบและเส้นโค้งการตอบสนองสำหรับกระบวนการผลิตทั้งหมด สำหรับจุดประสงค์ที่นี่เจตนานั้นมีคุณภาพมากกว่านั่นคือการระบุและเปิดเผยโครงสร้างเพิ่มเติมในศิลปะหินที่ไม่ชัดเจน

ฟิลเตอร์ที่เลือกสำหรับการทดสอบนี้คือฟิลเตอร์ bandpass สัญญาณรบกวนที่แม่นยำซึ่งครอบคลุมสเปกตรัมคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มองเห็นได้ ตัวกรองสัญญาณรบกวนสัญญาณรบกวนแทนที่จะดูดซับความยาวคลื่นที่ไม่ต้องการสะท้อนให้เห็นถึงพวกมัน ตัวกรองถูกเลือกที่ขั้นตอน 50nm ข้ามสเปกตรัมที่มองเห็นได้จาก 350นาโนเมตร ถึง 700นาโนเมตร (เนื่องจากความพร้อมใช้งานความยาวคลื่นสูงสุดคือ 690nm จริง ๆ) ตัวกรองทั้งหมดมีความกว้างเต็มสูงสุดครึ่งหนึ่ง (FWHM) 10นาโนเมตร และมาพร้อมกับเส้นโค้งการตอบสนองที่ทราบแล้วซึ่งมีสองตัวอย่างซึ่งแสดงไว้ด้านล่าง ด้วยเหตุนี้จึงไม่มีการซ้อนทับกันระหว่างจุดศูนย์กลาง bandpass ที่เลือกไว้ดังนั้นภาพที่ถ่ายแต่ละภาพจึงมีความยาวคลื่นอิสระจากเพื่อนบ้าน

ฟิลเตอร์มีให้บริการ (อัศวินเลนส์, สหราชอาณาจักร) ในช่วงเส้นผ่าศูนย์กลาง เส้นผ่านศูนย์กลาง 50 มม. ที่ใหญ่ที่สุดที่มีอยู่ถูกเลือกเพื่อรองรับเส้นผ่าศูนย์กลางเลนส์ขนาดใหญ่ เนื่องจากพลังงานแสงน้อยที่ถูกรวบรวมในย่านความถี่ 20นาโนเมตร แคบ ๆ พื้นที่เก็บรวบรวมขนาดใหญ่จะเพิ่มโอกาสในการได้รับแสงในเวลาอันสั้น ส่วนใหญ่เลือกเลนส์เดี่ยวขนาด 50 มม. (1:1.8) เนื่องจากอนุญาตให้ฟิลเตอร์นั่งที่ริมฝีปากด้านหน้าของเธรด 52 มม.

เลนส์เดี่ยวขนาด 50 มม. ของแคนนอนและตัวกรองที่เลือก 8 แบบจากความยาวคลื่น 350นาโนเมตร ถึง 690นาโนเมตร

ตัวอย่างที่ 1

ภาพต่อไปนี้เป็นภาพที่ไม่ได้แก้ไขจากกล้อง (Canon 5D Mk III) ของหินกว้างประมาณ 1 ม. ที่มีเส้นแนวตั้งที่มองเห็นได้ชัดเจน (ชัดเจนในชีวิตจริงที่มีแสงสว่างเฉพาะดวงอาทิตย์)

ภาพต่อไปนี้คือ 6 ภาพ (แปลงเป็นระดับสีเทา) จาก 400นาโนเมตร เป็น 650นาโนเมตร ภาพถ่าย 350นาโนเมตร และ 690นาโนเมตร ไม่รวมเนื่องจากได้รับพลังงานน้อยมากและเป็นสีดำ + เสียงรบกวน เลนส์ถูกตั้งค่าเป็นโฟกัสแบบแมนนวลเพราะวิธีการที่ฟิลเตอร์ติดกับเลนส์อาจหลุดออกมาในระหว่างการโฟกัสอัตโนมัติ ISO ของกล้องถูกตั้งค่าไว้ที่ 1600 ค่อนข้างสูงรูรับแสงเฉลี่ย 5.6 และเวลารับแสง จำกัด 2 วินาทีแม้ว่าในความเป็นจริงเวลาเปิดรับแสงส่วนใหญ่ต่ำกว่า 1/2 วินาที เนื่องจากฮิสโตแกรมของแต่ละภาพมีแนวโน้มที่จะ จำกัด ช่วงของช่วงไดนามิกที่มีอยู่ภาพจึงได้รับการปรับระดับเพื่อกระจายฮิสโตแกรมในช่วงระดับสีเทาทั้งหมด

400นาโนเมตร	450นาโนเมตร (สีน้ำเงิน)
500นาโนเมตร (เขียว)	550นาโนเมตร (สีเหลือง)
600นาโนเมตร	650นาโนเมตร (สีแดง)

เส้น “ทาสี” ในแนวตั้งจะปรากฏในช่วงสีเหลืองในขณะที่ไม่มีสีแดงไปหมดของสเปกตรัม การเพิ่มบรรทัดเหล่านี้อาจทำได้โดยการรักษาภาพ 650นาโนเมตร เป็นภาพพื้นหลัง/บรรยากาศและลบออกจากภาพ 500นาโนเมตร หรือ 550นาโนเมตร ผลลัพธ์ของสิ่งนี้แสดงอยู่ด้านล่าง เส้นแนวตั้ง 11 หรือ 12 ที่เปิดเผยนั้นไม่ได้ถูกตรวจสอบโดยเทคนิคอื่น

ตัวอย่างที่ 2

ต่อไปนี้เป็นภาพ RGB จากกล้องสำหรับตัวอย่างที่สองนี้ โปรดทราบว่าสิ่งนี้ถูกถ่ายในเวลาและตำแหน่งที่แตกต่างกันและภูมิภาคที่สนใจในภาพที่ถูกกรองนั้นใหญ่กว่าและทางด้านขวาของภาพถ่าย RGB นี้

ดังในตัวอย่างที่ 1 ภาพต่อไปนี้คือ 6 รูปถ่ายที่ถูกกรอง (แปลงเป็นระดับสีเทา) จาก 400นาโนเมตร เป็น 650นาโนเมตร และฮิสโตแกรมที่เท่ากัน

400นาโนเมตร	450นาโนเมตร (สีน้ำเงิน)
500นาโนเมตร (เขียว)	550นาโนเมตร (สีเหลือง)
600นาโนเมตร	650นาโนเมตร (สีแดง)

ภาพคอมโพสิตด้านล่างเป็นแถบ 500นาโนเมตร ที่มีวงลบ 600นาโนเมตร

ภาพคอมโพสิตของวง 500นาโนเมตร ลบออกจากวงดนตรี 600นาโนเมตร

ภาพสีผิดเพี้ยนของความแตกต่างระหว่างภาพ 400นาโนเมตร และผลิตภัณฑ์ของภาพ 550นาโนเมตร และภาพ 500นาโนเมตร

ดูเหมือนว่าวิธีการจะแสดงสัญญา ในขณะที่ตัวอย่างที่นำเสนอไม่ใช่การสาธิตที่น่าตื่นเต้นของศิลปะหินที่ถูกเปิดเผย (เนื่องจากลักษณะของไซต์สำหรับการทดสอบครั้งแรก) พวกเขาแสดงให้เห็นว่าจนบัดนี้ซ่อนเร้นหรือยากที่จะเห็นคุณลักษณะที่สามารถมองเห็นได้

งานในอนาคต

• การสุ่มตัวอย่าง 50นาโนเมตร ข้ามช่วงความยาวคลื่นควรลดลงถึง 25นาโนเมตร ขั้นตอนตัวกรองมีให้เลือกเพิ่มขึ้น 10นาโนเมตร สิ่งนี้จะทำให้ขอบเขตเพิ่มเติมสำหรับการแยกยอดการสะท้อนแสงที่แข็งแกร่งในขณะนี้ตัวกรองแต่ละตัวจะถูกแยกออกจากกันอย่างกว้างขวางจากเพื่อนบ้านดังนั้นจึงมีข้อมูลความยาวคลื่นที่ขาดหายไปอย่างมีนัยสำคัญ

แถบตัวกรองแยกออกจากกันมากเกินไป

• จำเป็นต้องใช้วิธีอัตโนมัติและเร็วกว่าสำหรับตัวกรองการสลับ สิ่งนี้จะช่วยลดความเสี่ยงในการชนกล้องหรือการปรับโฟกัสของเลนส์โดยไม่ตั้งใจในแนวทางแบบแมนนวลในปัจจุบัน กรอบเวลาในการรับตัวกรองสำหรับแบบฝึกหัดนี้ทำให้การออกแบบระบบตัวกรองมีประสิทธิภาพมากขึ้น
• ตัวกรองที่ปลายสุดของช่วงที่มองเห็นได้ (350นาโนเมตร และ 690นาโนเมตร) ไม่มีภาพ บางทีนี่อาจเป็นส่วนหนึ่งเนื่องจากการตอบสนองของความยาวคลื่นของ CCD กล้องลดลงที่สุดขั้วเหล่านั้นและเนื่องจากไม่มีตัวอย่างการทดสอบใดที่สามารถจับภาพได้ในแสงตะวันที่สดใส ควรสังเกตว่าในช่วงความยาวคลื่นต่ำการส่งผ่านสูงสุดของตัวกรองจะมีเพียง 25% และสำหรับความยาวคลื่นที่เหลืออยู่ระหว่างการส่งผ่าน 50% ถึง 75% หากระบบการจัดการตัวกรองขั้นสุดท้ายวางข้อ จำกัด กับจำนวนตัวกรองช่วงจาก 400 ถึง 650 น่าจะดีที่สุด