马赛克滤波高光谱相机与Living Optics编码孔径快照式高光谱相机的应用比较

次测试所采用的马赛克滤波相机和编码孔径相机均属于快照式高光谱成像系统（Snapshot Hyperspectral Imaging），因此两者都能够对场景进行实时高光谱视频采集。本次对比测试采用的是两种相机采集的单帧图像进行分析。

测试所使用的设备分别为：

· 马赛克滤波高光谱相机：Imec Ximea xiQ SSM 5×5 NIR2

· 编码孔径快照式高光谱相机：Living Optics Development Kit（配备变焦镜头，并在场景光路中增加了RGB滤光组件）

在本次演示实验中，Living Optics编码孔径快照式高光谱相机系统与马赛克滤波高光谱相机均放置在距离Macbeth ColorChecker（麦克白标准色卡）80cm的位置进行成像测试，以对两种系统的空间–光谱保真度（Spatial–Spectral Fidelity）进行比较。

图1：Living Optics编码孔径快照式高光谱相机采集的场景图像，并进行了额外的白平衡色彩校正。

图2：马赛克快照式高光谱相机重建的灰度空间图像。

从图2可以明显看出，马赛克混叠伪影（Mosaic Aliasing Artifacts）对空间图像质量产生了显著影响，其中最直观的表现就是标签文字的可读性明显下降。

此外，这种伪影不仅影响图像细节，还会改变目标的几何轮廓。例如，在本次实验中，Macbeth标准色卡原本方形的色块边缘呈现出圆角化的现象，导致目标轮廓发生一定程度的失真。

由于本次测试所采用的马赛克滤波相机主要针对近红外（Near Infrared，NIR）波段进行设计，其工作波长范围并不覆盖完整的可见光RGB波段，因此本文采用灰度图像（Greyscale）进行显示，而非RGB彩色图像。

相比之下，Living Optics编码孔径快照式高光谱相机提供了高空间分辨率的场景图像（Scene View），能够更加准确地定义目标边界，从而有效避免材料边界处因颜色混叠而引起的光谱歧义，确保分配给各目标的光谱信息更加准确、可靠。

为了评估两种相机的光谱保真度（Spectral Fidelity），本实验采用积分球（Integrating Sphere）配合经过滤波处理的光源进行测试。

实验中使用卤素光源（Halogen Light Source）作为照明，并通过掺铒（Erbium）吸收滤光片进行滤波，使光源的光谱辐射中形成若干位于固定波长位置的特征吸收谷（Absorption Notches）。这些稳定且已知位置的吸收特征可作为评价相机光谱保真度的重要参考。

测试过程中，两台相机均放置于距离积分球开口50cm的位置，并使相机光轴垂直于积分球出光口，同时将焦点准确对准积分球开口。

为了评估相机在整个视场范围内的光谱一致性，在相机视场内选取 5个不同位置，分别测量光源的光谱辐亮度（Spectral Radiance）。

积分球出光口约占整个视场面积的10%。为了降低随机噪声对测试结果的影响，对该区域内所有像素（或光谱采样点）的光谱数据进行平均，得到每个位置对应的平均光谱。

随后，对视场内5个测量位置所得平均光谱分别进行统计分析，并计算其标准差（Standard Deviation）。最终，以标准差随波长变化的曲线形式，对两种相机在测量掺铒滤波光源时的光谱一致性和光谱保真度进行评价。

图3：使用Living  Optics开发套件测量的光谱辐射率，整个视场内测量的光谱辐射率变化

图4：采用马赛克快照式高光谱相机测得的光谱辐亮度，以及视场范围内测量光谱辐亮度的变化情况。

与Living Optics编码孔径快照式高光谱相机相比，马赛克快照式高光谱相机在整个视场范围内测得的光谱辐亮度变化明显更大，表明其光谱响应随目标在视场中的位置变化更加显著。

这一结果说明，马赛克快照式高光谱成像系统在视场一致性（Field-of-View Uniformity）和光谱保真度（Spectral Fidelity）方面存在更大的位置依赖性，不同视场位置可能获得不同的光谱测量结果；而 Living Optics编码孔径快照式高光谱相机则能够在整个视场范围内保持更加稳定、一致的光谱响应。