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視頻幀率高光譜相機(jī)

來(lái)源：賽斯拜克 發(fā)表時(shí)間：2023-10-07 瀏覽量：532 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(jué)、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(jué)、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(guò)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(jiàn)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(lái)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(lái)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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