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視頻幀率高光譜相機

來源：賽斯拜克 發(fā)表時間：2023-10-07 瀏覽量：531 作者：LY.Young

高光譜成像具有豐富的空間和光譜信息，其成像能力超出了人類的感知。高光譜相機已經(jīng)在機器視覺、食品和農(nóng)業(yè)分析、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療保健等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。雖然已經(jīng)有空間掃描、光譜掃描、光譜快照三種通用商業(yè)高光譜相機，但是與一般的RGB相機相比，其靈敏度、分辨率、幀率均有不足。

技術(shù)背景：


高光譜成像具有豐富的空間和光譜信息，其成像能力超出了人類的感知。高光譜相機已經(jīng)在機器視覺、食品和農(nóng)業(yè)分析、環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療保健等領(lǐng)域得到了應(yīng)用。雖然已經(jīng)有空間掃描、光譜掃描、光譜快照三種通用商業(yè)高光譜相機，但是與一般的RGB相機相比，其靈敏度、分辨率、幀率均有不足。新興的計算成像技術(shù)通過優(yōu)化硬件設(shè)計和圖像后處理是有可能增強高光譜相機的感知能力的。壓縮感知可以從欠采樣測量中有效獲取信號，能提升許多傳感器系統(tǒng)的性能。將計算成像技術(shù)與壓縮感知技術(shù)結(jié)合，有望提升高光譜相機的性能。
文章創(chuàng)新點：
基于此，日本松下控股公司的Motoki Yako(一作)和Atsushi Ishikawa(通訊)等人提出了一種視頻幀率高光譜相機，它在真實場景中采集光譜信息的靈敏度和分辨率可以與一般的RGB相機媲美。實驗表明，該相機對可見光靈敏度為45%，對比度3dB下空間分辨率3px，VGA分辨率(0.3MP)下幀率為32.3fps。
原理解析：
來自物體的光被一個測量矩陣進行空間和光譜編碼，隨后基于物體的空間稀疏性進行圖像重建。測量矩陣由空間透射率隨機編碼的掩膜(64個方形法布里-珀羅濾波器單元陣列，像素間距5.5um，與圖像傳感器像素間距匹配)實現(xiàn)，不同波長之間相關(guān)性較小(即光譜隨機性)。將編碼掩膜直接放置于黑白圖像傳感器上。


image.png

圖1

來自物體的光編碼在圖像傳感器上以壓縮感知的方式成一張黑白圖像，數(shù)學(xué)描述為：

image.png      （1）

基于稀疏假設(shè)的圖像重建描述為：

image.png    （2）

N 為波長數(shù)， g是壓縮感知成的像，A是基于編碼掩膜透射模式的測量矩陣， f是重建圖像，τ 是正則化系數(shù)，TV是全變差。方程(2)用TwIST迭代算法求解。


實驗結(jié)果：

VGA分辨率下實現(xiàn)32fps的高光譜

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參考文獻：Yako, M., Yamaoka, Y., Kiyohara, T. et al. Video-rate hyperspectral camera based on a CMOS-compatible random array of Fabry–Pérot filters. Nat. Photon. (2023).

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