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視頻幀率高光譜相機(jī)

來源：賽斯拜克 發(fā)表時(shí)間：2023-10-07 瀏覽量：530 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(jī)已經(jīng)在機(jī)器視覺、食品和農(nóng)業(yè)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jī)，但是與一般的RGB相機(jī)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(jī)已經(jīng)在機(jī)器視覺、食品和農(nóng)業(yè)分析、環(huán)境監(jiān)測(cè)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(jī)，但是與一般的RGB相機(jī)相比，其靈敏度、分辨率、幀率均有不足。新興的計(jì)算成像技術(shù)通過優(yōu)化硬件設(shè)計(jì)和圖像后處理是有可能增強(qiáng)高光譜相機(jī)的感知能力的。壓縮感知可以從欠采樣測(cè)量中有效獲取信號(hào)，能提升許多傳感器系統(tǒng)的性能。將計(jì)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(jī)的性能。
文章創(chuàng)新點(diǎn)：
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(jī)，它在真實(shí)場(chǎng)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(jī)媲美。實(shí)驗(yàn)表明，該相機(jī)對(duì)可見光靈敏度為45%，對(duì)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(gè)測(cè)量矩陣進(jìn)行空間和光譜編碼，隨后基于物體的空間稀疏性進(jìn)行圖像重建。測(cè)量矩陣由空間透射率隨機(jī)編碼的掩膜(64個(gè)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(shí)現(xiàn)，不同波長(zhǎng)之間相關(guān)性較小(即光譜隨機(jī)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(zhǎng)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(cè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果：

VGA分辨率下實(shí)現(xiàn)32fps的高光譜

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參考文獻(xiàn)：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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