视频帧率高光谱相机

来源：赛斯拜克发表时间：2023-10-07 浏览量：528 作者：LY.Young

高光谱成像具有丰富的空间和光谱信息，其成像能力超出了人类的感知。高光谱相机已经在机器视觉、食品和农业分析、环境监测和医疗保健等领域得到了应用。虽然已经有空间扫描、光谱扫描、光谱快照三种通用商业高光谱相机，但是与一般的RGB相机相比，其灵敏度、分辨率、帧率均有不足。

技术背景：

高光谱成像具有丰富的空间和光谱信息，其成像能力超出了人类的感知。高光谱相机已经在机器视觉、食品和农业分析、环境监测和医疗保健等领域得到了应用。虽然已经有空间扫描、光谱扫描、光谱快照三种通用商业高光谱相机，但是与一般的RGB相机相比，其灵敏度、分辨率、帧率均有不足。新兴的计算成像技术通过优化硬件设计和图像后处理是有可能增强高光谱相机的感知能力的。压缩感知可以从欠采样测量中有效获取信号，能提升许多传感器系统的性能。将计算成像技术与压缩感知技术结合，有望提升高光谱相机的性能。

文章创新点：

基于此，日本松下控股公司的Motoki Yako(一作)和Atsushi Ishikawa(通讯)等人提出了一种视频帧率高光谱相机，它在真实场景中采集光谱信息的灵敏度和分辨率可以与一般的RGB相机媲美。实验表明，该相机对可见光灵敏度为45%，对比度3dB下空间分辨率3px，VGA分辨率(0.3MP)下帧率为32.3fps。

原理解析：

来自物体的光被一个测量矩阵进行空间和光谱编码，随后基于物体的空间稀疏性进行图像重建。测量矩阵由空间透射率随机编码的掩膜(64个方形法布里-珀罗滤波器单元阵列，像素间距5.5um，与图像传感器像素间距匹配)实现，不同波长之间相关性较小(即光谱随机性)。将编码掩膜直接放置于黑白图像传感器上。

图1

来自物体的光编码在图像传感器上以压缩感知的方式成一张黑白图像，数学描述为：

（1）

基于稀疏假设的图像重建描述为：

（2）

N 为波长数， g是压缩感知成的像，A是基于编码掩膜透射模式的测量矩阵， f是重建图像，τ 是正则化系数，TV是全变差。方程(2)用TwIST迭代算法求解。

实验结果：

VGA分辨率下实现32fps的高光谱

参考文献：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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