快照式视频高光谱相机对各行业的影响及其颠覆性应用

高光谱成像（HSI）捕捉光线的细节远超人眼或标准RGB相机，能带来全新的认知。无论是识别物质与化学成分，还是追踪植物健康指标及细微的生物变化，以高光谱分辨率对世界进行成像，有望改变众多不同行业的发展格局。

遗憾的是，同时获取空间和光谱信息非常困难。事实上，传统方法并不能真正实现这一点。它们要么扫描场景，一次采集一行像素，涵盖多个波长（推扫式高光谱成像），要么一次对整个场景的单个波长进行成像（可调滤波器高光谱成像）。这两种方法均需通过合并多帧数据来构建最终的高光谱数据立方体。

相比之下，快照式视频高光谱相机可在单帧内记录所有空间和光谱数据。它能生成一个捕捉瞬时快照的高光谱数据立方体，无需通过扫描或调谐滤镜来缓慢生成最终输出。这不仅实现了实时、视频帧率的高光谱成像，还采用更紧凑、稳定性更强的光学设计，打造出体积更小、便于携带的设备。

Living Optics相机处于下一代快照式设备的前沿。通过将新型压缩技术与先进光学设计整合到一款小巧易用的设备中，Living Optics正将高光谱技术从受控的实验室环境中解放出来。这款具有颠覆性的快照式相机让工程师和集成商能在现场进行实时高光谱分析，从而释放该技术的潜力，催生一系列全新应用。

快照式视频高光谱相机只需一次曝光即可捕获完整的高光谱数据立方体。虽然它们依赖于复杂的光学设计和图像处理，但所需的硬件比传统高光谱成像（HSI）方法更紧凑、更易于实现。

快照式视频高光谱成像仪通过物镜采集并汇聚入射光线。随后相机对光线进行处理，同步编码光谱信息与空间信息。实现该功能的技术方案有多种。Living Optics相机采用编码孔径与双传感器设计，可输出：

  · 一张完整的2048×2432像素图像

  · 从图像中均匀采样的4000多个点所对应的96个波段高光谱数据

结合色散元件，编码孔径将编码后的光谱信息分散到其中一个传感器上。传感器捕捉到的图像与原始场景毫无相似之处。从整幅图像中采样的光线经过编码孔径和色散元件的调制，生成了一堆光谱数据，看起来更像是一幅马赛克图案或干涉图案。

          RGB视图                                              最近邻法光谱视图

相机配套软件会对该编码光谱数据进行重建，还原出各个采样点对应的波长波段。该重建算法以压缩感知理论为基础，并针对相机的光学结构做了定制优化。设备最终输出两类数据：一张高空间分辨率RGB彩色图像，以及一套包含96个波长波段、空间分辨率更低的高光谱数据集。

在单次采集过程中捕获所有数据可显著提高帧率。Living Optics快照式视频高光谱相机无需逐行扫描图像或依次采集不同波段的光谱数据，就能以高达每秒30帧的视频速率输出高光谱数据。

30帧视频速率实时计算MCARI指数

这一技术改变了高光谱相机的使用方式，催生了全新的应用场景，包括捕捉随时间变化的事件、开发高通量系统，以及实现基于光谱数据的实时决策。提供即时反馈也极大地提升了光谱成像技术部署的实用性。用户可根据获取的数据快速校准或调整实验装置，无需在输出结果之间长时间等待。

高帧率快照式视频高光谱设备的优势包括：

  · 视频速率光谱帧，可为实时监控或高吞吐量系统提供即时数据采集功能。

  · 提升了数据收集效率，节省了时间，无需等待累积多帧的高光谱数据立方体

  · 能够跟上现实生活中动态场景和随时间变化的事件的步伐，实时跟踪光谱变化。

  · 无需考虑场景稳定性，该相机可以轻松集成到遥感平台和载具中，而无需考虑平台运动或定位对影响图像采集的影响。

  · 消除运动模糊或伪影，这些模糊和伪影可能导致推扫式高光谱相机在扫描时出现图像失真，或使不同波段、不同像素之间的图像出现错位

  · 将高光谱数据应用于可基于实时反馈做出实时决策的系统中。

  · 通过向用户提供即时信息以进行镜头对焦、更快地进行白点校准、调整相机参数以及放大特定感兴趣区域，从而提高数据采集的实用性，以获得最佳数据。

如果更高的帧速率改变了高光谱相机的使用方式，那么快照技术增强的便携性和易用性则改变了它们的适用范围和使用人群。这项通常仅限于机载和卫星成像的技术，如今也适用于地面监测、现场作业和手持设备等应用场景。

要在地面上操作推扫式高光谱系统，需要基于复杂机械结构（包含运动部件）进行精确扫描以构建图像。这使得它们通常体积庞大、笨重且易损坏，不适用于大多数实际应用场景。此外，它们还需要稳定可控的环境，因此更适合在实验室中使用。

相比之下，快照式视频高光谱技术可打造出体积小巧、坚固耐用的相机，这些相机更轻便，更易于携带和使用。用户无需接受深度培训或掌握光谱成像方面的专业知识，即可快速学会拍摄高光谱图像。

快照相机设计可以是用于近距离高光谱图像采集的简易手持设备，这能使该技术应用到更多领域。

便携式且易用的快照式视频高光谱设备的优势包括：

  · 结构紧凑、坚固耐用，便于运输和安装。

  · 现场部署，将高光谱技术应用于实际场景，而不是将样品带到实验室进行受控实验。

  · 体积和重量的减小提升了无人机及其他移动平台的集成度。

  · 提供手持设备，无需冗长且受控的实验装置即可轻松采集图像。

  · 零部件精密度降低，机械结构复杂度降低，潜在故障点减少，因此可靠性提高。

  · 简化的图像采集过程，使非专业人员也能生成高质量的高光谱数据集。

能够实时拍摄视频并将相机应用于更多场景、触达更多用户的快照式高光谱系统，终于兑现了这项技术的承诺。快照式视频高光谱成像技术（HSI）可以对现有系统进行优化，实现更出色的性能和易用性，同时还能催生扫描式图像采集技术无法实现的全新应用场景。

快照式视频高光谱相机可产生重大影响的行业示例包括：