多光谱视频成像技术

多光谱视频成像技术

光谱是由原子内部运动的电子能级跃迁产生的。各种物质的原子内部电子的运动情况不同，所Ｗ它们发射的光波也不同。目前观测到的原子发射的光谱线己达百万条，每种原子都有其独恃的光谱，犹如人的指纹一样各不相同。研究不同物质的发光和吸收光的情况，有重要的理论和实际意义，己成为一门专业的学科——光谱学。由于每种原子都有自己的特征谱线，因此可Ｗ根据光谱来鉴别物质和确定其化学组成。故而，高光谱成像技术被广泛应用于多个领域。

光谱图像的传统应用领域包括遥感、矿产勘探、危险废物监控等。近些年来，光谱图像被逐渐用来解决机器视觉领域的难题，例如材质辨别、眼科学、燃烧动力学、细胞科学、监控、精细农业和军事安防等。

3.1传统光谱成像技术

谱仪采用光学分光元件（棱镜、光栅等），能够记录下单个像素点的高分辨率光谱信息。为了获取二维光谱图像，传统的光谱成像仪器普遍采用扫描策略，通过牺牲时间分辨率来换取高分辨率光谱信息。按照不同的扫描策略，传统光谱

成像方法主要分为两类：空间域扫描型和光谱域滤波型。空间域扫描式光谱采集方法分为两类：掸扫式和推扫式。掸扫式光谱仪每次记录空间上1个像素点的光谱信息，扫描装畳逐点移动直到所有像素点的光谱信息均记录完毕。为了提升扫描效率，推扫式光谱仪通过移动狭缝的位置，每次记录空间上1条线的光谱信息，狭缝逐线移动直至记录下整个场景的光谱信息。光谱域滤波式光谱仪普遍采用窄带滤波片或者电子控制的液晶变波长带通器件，通过时序切换滤波片来记录不同波段的光谱信息。

整体来说，传统的光谱仪普遍通过连续采样的方式获取3维光谱矩阵信息。为了实现高精度的光谱采集，需要对同一场景进行多次采样。因此，此类方法无法获取动态场景的光谱信息。

3.2计算光谱成像技术

传统光谱成像无法采集动态光谱的弊端，严重阻碍了目标跟踪、环境污染监测、流水线材质识别等领域的光谱应用拓展，能够在一次曝光时间内获取整个高维光谱数据矩阵的技术成为了行业的迫切需求。

光谱数据矩阵具有3个维度，每秒钟的数据达到10Gb量级。1次测量获取如此大数据量的数据超过了奈奎斯特采用极限，但是基于近年来提出的压缩感知理论，这成为了可能。下面介绍几种典型的基于此技术的计算成像式光谱获取方法。

（1）断层式扫描式

断层扫描式光谱仪通过在一个二维平面上投影出整个高维光谱矩阵，实现了单次曝光时间内的光谱获取。断层扫描式光谱仪具备单次曝光光谱获取能力，不使用任何滤波片能够直接记录下不同波段的光谱信息，从而保证了整个系统具备很高的光效率。

（2）编码光圈式

压缩感知理论表明，从有限的低维平面投影中重建高维数据矩阵是理论上可行的。美国杜克大学David.J.Brady教授首次将此思想引入到光谱采集中，其基本假设是自然场景光谱具备多尺度内在稀疏属性。为了实现编码压缩感知，相机中惯常被用来调节光通量的光圈被替换成二维随机编码器件。场景的入射光线透过成像物镜第一次成像在编码光圈表面，接着经过中继镜和棱镜色散后，最后在探测器上第二次成像。

（3）棱镜掩膜式

该系统使用掩模或微透镜阵列的空间采样方法，结合传统色散方式，通过高分辨率相机对散开的光谱进行采集，能够在短曝光时间内实现光谱的视频采集。棱镜掩膜式系统的光谱采集过程：场景光线经掩模采样后被三棱镜色散，根据“光路可逆原理”推导掩模空间分布模型，

设计掩模板使采样点的光线散开在空间中且恰好相邻采样点光谱不发生混叠。将场景采样点的光谱在空间维度散开并在传感器像平面记录。进一步，通过“斯涅耳”定律推导光谱信息在像平面的分布数学模型，对光谱位置标定、几何畸变（梯形畸变、笑脸畸变）进行校正，并对光谱辐射度进行标定，最终提取场景采样点的精确光谱信息。

（4）光场光谱式

光场相机能够同时采集场景光线的空间和角度信息。光场光谱式光谱相机能够在单次曝光下获取整个高维光谱数据矩阵，同时硬件系统易于集成化。但是，这种系统的光谱分辨率和空间分辨率成反比。

（5）基于数据训练的光谱仪

既然RGB相机能够采集到三个颜色通道，利用三个颜色通道重建多个通道

的光谱数据可以看成是光谱维度的“超分辨率重建”。这种方法的核心技术点是建立三个颜色通道到光谱高维数据的映射关系，例如Chakrabarti等人提出的空间－光谱基、条件等色集、线性插值和非线性插值。与其它光谱图像获取方法相比，基于大数据训练的方法具备非常简单的硬件系统（只需要单个RGB相机）。然而，送种方法不可避免的基于很强的前提假设，对场景和训练数据具备很强的敏感性。

通过前面的相关调研可以明确多光谱视频成像技术是一种较为新颖独特的成像技术。它在社会生产以及科研工作等方方面面的应用是非常广泛的。材质识别、精细农业、环境监测、生命科学、安防刑侦等诸多领域都可以应用到这门技术。联系到磨损颗粒的在线监测这一方向上，我们可以发现利用多光谱成像技术可以完美的实现对磨损颗粒的实时动态在线监测。利用这一技术在材质识别领域的应用技术可以实现对油液磨损颗粒的材质进行分析辨别，通过多光谱成像技术对磨损颗粒进行视频成像特征提取在进行相关的分析可以得到有关磨粒的参数，进而实现对机械系统的故障诊断与评估。