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

2026-08-03
 

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)

 
 
两种系统由于成像原理不同,其性能差异主要体现在以下两个方面:
01
空间采样密度与光谱通道数量之间的权衡

马赛克滤波相机需要在同一焦平面上布置不同波段的滤光单元,因此空间采样密度会随着光谱通道数量的增加而降低;而编码孔径方案则采用不同的成像机制,在空间采样和光谱信息获取之间实现了不同的平衡。

02

材料边界处的马赛克伪影与空间采样密度的差异

马赛克滤波相机在不同材料或目标边界处容易产生由马赛克插值引起的光谱伪影(Mosaic Artifacts);相比之下,编码孔径系统虽然空间采样密度较低,但能够避免由滤波阵列排列带来的边界伪影,从而获得更加一致的光谱信息。

 

空间采样密度与光谱采样密度
 

快照式光谱成像系统的空间采样密度(Spatial Sampling Density)与其设计输出的光谱波段数量(Spectral Bands)密切相关。通常情况下,输出波段数量越多,可用于空间采样的密度就越低,二者之间存在天然的权衡关系。

对于马赛克滤波高光谱系统(Mosaic Filter-based Systems),其空间采样密度由滤波阵列(Filter Mask)中每个超像素(Super Pixel)所包含的波段数量决定。本次测试所采用的系统使用5×5滤波阵列,即每个超像素由25个像素组成,用于获取不同波长的信息。

而对于编码孔径系统(Sparse Sampling Coded Aperture Systems),空间采样密度则由编码掩膜(Mask)的设计方式决定。

从理论上讲,两种系统的空间分辨率都由物镜(Objective Lens)的光学性能决定。然而,对于本次测试所使用的两种相机,其实际可达到的有效空间分辨率均主要受各自空间采样方式的限制,而非镜头本身。

在本次测试中:

· 马赛克滤波系统共采集了400×200个超像素(Super Pixels)

· Living Optics编码孔径系统则提供了4,384个独立光谱采样点(Discrete Sampling Points)

 

光谱采样能力
 

两种系统在光谱采样方面存在明显差异:

· 马赛克滤波系统

         ⊙光谱范围:660–940nm

         ⊙光谱通道数:24个波段

· Living Optics编码孔径系统

         ⊙光谱范围:440–900nm

         ⊙光谱通道数:96个波段

可以看出,Living Optics系统不仅覆盖了更宽的光谱范围,而且提供了更多的光谱采样通道,从而能够获取更丰富的光谱信息。

 

马赛克伪影(Mosaic Artifacts)
 

马赛克滤波高光谱系统在不同材料、纹理或光照交界处容易产生马赛克伪影(Mosaic Artifacts)。虽然适当降低镜头焦点(Defocusing)能够在一定程度上减轻这一现象,但无法彻底消除。

其原因在于,马赛克滤波阵列中的不同像素对应不同波段。当一个高亮目标的一部分落在滤波阵列左侧对应的波段,而相邻较暗目标落在右侧对应的波段时,同一超像素中的不同波段实际上来自不同物体,最终重建出的光谱将不再代表真实目标,而会产生错误的光谱信息。

类似的问题同样会出现在以下情况:

· 场景存在明显的纹理变化(Strong Texture Features)

· 目标表面存在阴影或光照不均(Shadowing)

· 材料边界附近存在高亮度对比

在这些情况下,由于不同波段采样对应的是不同位置的信息,马赛克系统重建得到的光谱容易出现失真,从而影响后续的材料识别、分类及定量分析结果。

 

技术要点
 

两种快照式高光谱技术的不同设计取舍:

· 马赛克滤波系统

         ⊙空间采样密度较高。

        ⊙但每个超像素由多个不同波段像素组成,容易在物体边界、纹理变化和阴影区域产生马赛克伪影,导致光谱失真。

· Living Optics编码孔径系统

  ⊙原始空间采样点数量相对较少。

 ⊙提供更多光谱通道(96波段)和更宽的光谱覆盖范围(440–900nm)。

  ⊙采用编码孔径和计算重建方式,不依赖马赛克滤波阵列,因此避免了马赛克滤波技术固有的边界伪影问题,更有利于在复杂场景和动态应用中保持光谱一致性。

 

空间伪影(Spatial Artifacts)
 

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。

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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。

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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。

 

光谱保真度(Spectral Fidelity)
 

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。

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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

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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。

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Living Optics高光谱相机
 
相机参数
数值
补充说明
空间采样
5M pixels

指相机空间分辨率,

500万像素的面阵成像能力

波长范围
440-900nm
覆盖可见光-近红外(VIS-NIR)波段
光谱通道数
96
每个光谱采样点对应96个波段
帧率
30fps
最大数据采集速率

 

 

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