[發明專利]判定光源對中國脆弱文物照明損傷度的方法

在審

• 申請號: 201811138767.5
• 申請日: 2018-09-28
• 公開（公告）號: CN109870447A
• 公開（公告）日: 2019-06-11
• 發明（設計）人: 黨睿;王楠;譚慧姣
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G01N21/84
• 分類號: G01N21/84
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 劉國威

1.一種判定光源對中國脆弱文物照明損傷度的方法，其特征是，步驟如下：

1、模型試件

以中國脆弱文物顏料制作實驗用模型試件，顏料類型見表2：

表2 中國繪畫的顏料組成及特點

2、光源

光源選取可見光譜范圍內的10個典型波段單色光，用LED單色芯片制備實驗光源，10個單色光源信息見表3：

表3 實驗光源信息表

3、方案

在專門制備的展柜中進行，照射過程中，不同單色光源置于獨立的展柜空間，利用黑色隔板分隔不同組實驗，避免各組間光照的相互干擾，對各組試件進行長周期照射，每天12小時，6天為一個周期，整個實驗持續20個周期，共計1440小時，調節各組光源的功率，使各單色光源照射在對應試件上的輻照度相等，調節展柜內的環境參數，使之在整個實驗過程中保持一致和恒定，參數值見表4：

表4 實驗室室內溫度、濕度及空氣質量標準

4、參數分析

(1)采用PR-670光譜儀在D₆₅標準光源下測量試件的色彩參數，并計算在10種單色光照射下，20個實驗周期內顏料相對于初始狀態的CIE DE2000色差值ΔE^*₀₀₁～ΔE^*₀₀₂₀，ΔE^*₀₀的計算方法如下：

式中：ΔL’,ΔC’,ΔH’分別為比較顏色間的亮度差，彩度差和色調差，K_L,K_C,K_H為參數因子,是一個與觀察環境相關的校正系數。S_L,S_C,S_H為亮度、飽和度和色調權重因子,允許在CIELAB顏色空間中根據區域不同進行各自的調整，以校正視覺空間中的均勻性。R_T為旋轉函數，用于校正視覺感受中藍色區域寬容量橢圓并不指向原點，用該函數對橢圓進行旋轉；

(2)取每種顏料20個周期色差值的平均值作為該種顏料受照射單色光源輻射的損傷值。

式中a代表顏料類型；

以構成某種文物的主要顏料所受單色光源的輻射損傷的平均值代表該種文物受到的輻射損傷，所以取文物所含顏料受損傷值的平均值作為該文物受單色光源的損傷值；

式中，m代表文物種類，j代表計算文物m中所含顏料的種類數。

最終得到不同波段的等能單色光對各類材料相對光致損傷值D，針對任意一種文物材料，10種單色光的損傷比例關系為：

D_m(445):D_m(480):D_m(500):D_m(525):D_m(560):D_m(595):D_m(615):D_m(635):D_m(670):D_m(720)

＝a_m:b_m:c_m:d_m:e_m:f_m:g_m:h_m:i_m:j_m

式中，m代表文物種類；a_m～j_m為10種單色光的相對損傷值。

5、光譜匹配

任意光源的光譜都可由多個單色光光譜疊加得到，其基本數學模型為：

式中，i代表各單色光類別，取值為1-n，n代表組成光源光譜的單色光個數，S_i(λ)需始終在S(λ)范圍內，在匹配時可離散化以進行計算，此處以1nm為單位進行匹配，這樣對于380nm-780nm波長范圍的光譜S(λ)，表示為S(λ_p)，p取值為1-401,對于單色光光譜同理可離散化，除該單色光波段外的其他波段能量為0，因此，光譜匹配為401個波長處的匹配，可用矩陣形式更具象的表達這樣的計算關系：

為了以高精度匹配出S(λ)，需求得最優的系數值k₁、k₂……k_n，分別對應各單色光在匹配中的含量，這也是匹配目標，求解方程組中未知數小于方程的個數，為超定方程組，這類方程組一般而言沒有解，但可求得近似解，為獲得最優的系數值組合，引入殘差平方和公式RSS來評價系數值的優化程度，即為評價擬合出來的S(λ)值S‘(λ)和待擬合的S(λ)值的差距，差距最小的系數值組合為最優解，所以，匹配轉化為了求RSS最小值的問題，殘差平方和公式如下：

采用隨機梯度下降法得到讓RSS值最小的系數值；

(4)當下降的高度小于1e^-20時，即誤差率小于1e^-20后，則停止下降，輸出優化結果，通過隨機梯度下降法解得使RSS最小的k值為：

k₁:k₂:…:k_n-1:k_n＝b₁:b₂:…:b_n-1:b_n

式中，b₁-b_n代表k₁-k_n的取值；

最小k值的得到意味著對于任意的光源，都通過n種實驗單色光光源以一定的比例k匹配出來，為評價k值的匹配效果，引入相關系數R²：

式中，為帶匹配光譜的數學期望，相關系數表征帶匹配光譜和匹配光譜的相似程度，越接近于1，表明擬合效果越好；

6、損傷評價

通過獲得的n種單色光對m文物的損傷值，n種歸一化單色光的輻射能量值和匹配待評價光源所需單色光光源比例k，即得到任何光源對m文物的光照色彩損傷值：

對光譜庫里的318條光譜進行匹配和損傷值計算，不考慮離群的損傷值，避免極端值對評價的影響，在非離群點中選擇最小損傷值作為100分，最大損傷值為0分，對光源的損傷值進行標準化：

式中，D_norm為轉化為百分制的D對應的損傷值，D_max為光譜庫中最大損傷光譜的損傷值，D_min為光譜庫中最小損傷光譜的損傷值。

2.如權利要求1所述的判定光源對中國脆弱文物照明損傷度的方法，其特征是，采用隨機梯度下降法得到讓RSS值最小的系數值，具體步驟如下：

(1)將n種單色光光譜都歸一化，保證峰值波長處的能量值為1，由于實驗時n種單色光的光譜能量都為1W/m²，通過歸一化時的轉換比例即可知匹配時所用的單色光光譜能量I，對目標光譜也進行了歸一化，縮小匹配范圍；

(2)本次計算共401個訓練集，對應401個波長位置的光譜能量，優化目的為求解最優的k值，具體為k₁-k_n的比例，以下用k表示，使目標函數取最小值或較小值，根據RSS的概念和計算需要，目標函數設為：

(3)k₁-k_n初值都設為0，每次隨機選擇一個樣本的梯度方向進行更新，對優化參數k的更新過程如下式：

式中，α表示算法的學習速率。