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從“拍照片"到“拍光譜視頻"
主動(dòng)光源 + 像素級(jí)編碼曝光如何實(shí)現(xiàn)真正的高光譜視頻？
高光譜成像大家并不陌生。
它可以獲取 400–700nm 甚至更寬波段范圍內(nèi)的連續(xù)光譜信息，讓我們看到“肉眼不可見(jiàn)"的物質(zhì)差異。在農(nóng)業(yè)表型、礦物識(shí)別、生物醫(yī)學(xué)、材料分選等領(lǐng)域，高光譜早已成為核心技術(shù)。
但一個(gè)問(wèn)題長(zhǎng)期存在：
為什么高光譜大多只能“拍靜態(tài)"，卻很難“拍視頻"？
今天，我們從成像原理層面，深入講解一種“主動(dòng)光源 + 像素級(jí)編碼曝光"的高光譜視頻思路，并解析它背后的核心物理機(jī)制。
推掃式（線掃）
一次采集一條空間線
通過(guò)運(yùn)動(dòng)完成整幅圖像
光譜精度高
無(wú)法拍攝快速動(dòng)態(tài)場(chǎng)景
面陣濾光片馬賽克（MSFA）
每個(gè)像素覆蓋不同波段濾光片
單次曝光獲得多波段信息
每個(gè)像素只接收部分光譜 → 光子利用率低
噪聲高、動(dòng)態(tài)范圍受限
CASSI / DOE 光學(xué)壓縮系統(tǒng)
通過(guò)衍射或編碼孔徑壓縮光譜信息
單幀完成采集
光學(xué)系統(tǒng)復(fù)雜
運(yùn)動(dòng)時(shí)出現(xiàn)空間-光譜混疊
核心矛盾在于
光譜分辨率 ↑ → 光能被分得更細(xì) → 單波段光子數(shù) ↓ → 曝光時(shí)間必須變長(zhǎng) → 無(wú)法拍視頻
把“光譜調(diào)制"從被動(dòng)濾光片轉(zhuǎn)移到主動(dòng)光源
傳統(tǒng)系統(tǒng)是：
用濾光片“丟掉"不需要的光
新思路是：
主動(dòng)發(fā)出“需要的光"
像素級(jí)編碼曝光（CEP）
普通 CMOS 的限制
普通相機(jī)：
整個(gè)傳感器統(tǒng)一曝光
不能在同一幀內(nèi)部做時(shí)間編碼
而 CEP（Coded Exposure Pixel）傳感器具有兩個(gè)特點(diǎn)：
① 每個(gè)像素有兩個(gè)電荷桶（Bucket 0 / Bucket 1）
② 每個(gè)像素可以在微秒級(jí)別控制：
當(dāng)前子幀 → 把光子存進(jìn)哪個(gè)桶
子幀機(jī)制
假設(shè)一幀時(shí)間 27ms
被分成 158 個(gè)子幀
每個(gè)子幀 170µs
在每個(gè)子幀內(nèi)：
LED 按計(jì)劃點(diǎn)亮
每個(gè)像素根據(jù)編碼決定是否積分
免責(zé)聲明
本文技術(shù)內(nèi)容基于公開論文《Lumosaic: Hyperspectral Video via Active Illumination and Coded-Exposure Pixels》
作者團(tuán)隊(duì)來(lái)自 University of Toronto。
本文僅為技術(shù)原理解讀與行業(yè)趨勢(shì)分析，旨在促進(jìn)高光譜成像領(lǐng)域的學(xué)術(shù)交流與工程探討。文中所述系統(tǒng)架構(gòu)、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及性能指標(biāo)均來(lái)源于論文作者公開發(fā)表的研究成果，并不代表奧譜天成現(xiàn)有產(chǎn)品技術(shù)方案或商業(yè)化能力承諾。
部分技術(shù)推演與產(chǎn)業(yè)化分析為作者基于行業(yè)經(jīng)驗(yàn)的理解與延伸，不構(gòu)成對(duì)任何第三方技術(shù)的評(píng)價(jià)或替代說(shuō)明。
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