基于快照式多光谱特征波长的小球藻叶黄素产量快速测定

叶黄素是天然的抗氧化剂,对人体健康有多种益处,异养小球藻具有叶黄素纯度和产量均较高的优势,而小球藻叶黄素产量主要取决于生物质产量和叶黄素含量两个因素。传统的光密度法测生物质产量和高效液相色谱法测叶黄素含量存在操作复杂、时效性低等不足。为了快速、无损测定小球藻生长过程中叶黄素含量变化,搭建可见-近红外双模式快照式多光谱成像检测系统,根据光谱响应区域,分别利用可见光相机获取叶黄素光谱信息,近红外相机获取生物质光谱信息,构建含有生物质量和叶黄素含量信息的可见-近红外双模式多光谱数据集。针对系统所使用的快照式多光谱相机光谱范围宽、波长数量少的特征波长选取问题,提出一种结合序列浮动前向选择的改进型连续投影算法(mSPA);将mSPA与常规的连续投影算法、遗传算法及随机蛙跳三种波长选择算法作对比分析后,构建了基于特征波长的多元线性回归和极限学习机模型;最后,利用生物质产量和叶黄素含量的最佳预测模型生成小球藻叶黄素产量的可视化分布图。结果表明,在利用近红外、可见光相机分别检测小球藻生物质、叶黄素量时,mSPA得到的特征波长数均较少,并具有最高的预测精度。生物质量与叶黄素含量的最佳模型均为mSPA筛选特征波长后建立的极限学习机模型,对应的预测集决定系数分别为0.947和0.907,预测集均方根误差分别为0.698 g·L^(-1)和0.077 mg·g^(-1),剩余预测偏差分别为3.535和3.338,模型的预测能力较好。可视化分布实现了直观监测小球藻叶黄素产量的变化,有助于后续实际生产中在线检测叶黄素产量。mSPA在快照式多光谱检测小球藻生物质含量及叶黄素含量中,通过对排序波长逐个评估以选择出最佳特征波长组合,有效地避免了特征波长的错选、漏选,提高了模型的预测精度,为快照式多光谱成像技术应用提供新的波长选择思路。

基于集成法布里-珀罗微腔阵列的16通道快照式多光谱成像

通过将窄带法布里-珀罗微腔阵列与可见光探测器焦平面阵列粘贴集成,展示了一种微小紧凑型多光谱成像探测器.通过四次分形组合蚀刻工艺,先在石英基底上获得了以4×4为基本重复单元、共计2048像素×2048像素的微腔滤光阵列;再与探测器芯片贴合后形成了微小型多光谱成像探测器.微区光谱检测表明,微腔阵列样品的响应光谱峰值在520—680 nm之间变化,半峰处的全宽小于10 nm,透过率约70%.可调谐波长单色光合作光源检测表明,该多光谱成像探测器具有16个不同的窄带响应谱;利用光谱通道能清晰分辨目标特征光谱;通过光谱通道图像相减,能有效消除视野中背景,提高目标对比度.它有望应用于皮肤表面观测等辅助诊断,以及逆光条件下目标观测的高动态范围成像等.

可见/近红外快照式多光谱成像快速测定雨生红球藻虾青素含量

为了实现快速、无损检测雨生红球藻虾青素含量,本文提出一种快照式多光谱成像检测方法。利用可见光光谱范围480~635 nm和近红光谱范围665~950 nm的2台快照式多光谱相机搭建成像系统,采集了不同生长周期下的雨生红球藻样品光谱数据。为了优化预测模型,对比了不同处理方法的组合,包括不同光谱范围、3种预处理方法、2种特征波长选择算法和2种建模方法。结果表明,可见与近红外联用光谱经一阶导数(first derivation,FD)预处理、竞争自适应重加权采样(competitive adaptive reweighted sampling,CARS)选择特征波长和反向传播(back propagation,BP)神经网络建模所构建的模型预测效果最佳,预测集相关系数(Rp)为0.9622,预测集均方根误差(root mean square error of prediction,RMSEP)为0.5126,剩余预测偏差(residual predictive devia tion,RPD)为3.6726,优于仅用可见光光谱(Rp为0.9467,RMSEP为0.6065,RPD为3.1042)。说明快照式多光谱成像技术检测雨生红球藻虾青素含量是可行的,并且可见与近红外光谱联用效果更好。

基于微透镜阵列的快照式高光谱成像仪研制

推扫式光谱成像技术虽然具备较高的空间、光谱分辨率,但其推扫成像的技术特点使其牺牲了时间分辨率,无法满足对动态目标、短时过程的光谱成像,限制了高光谱成像技术的应用范围。针对该缺陷,研制了基于微透镜阵列的快照式高光谱成像仪。快照式光谱成像仪波段范围为500~700 nm,平均光谱分辨率优于10 nm。按照上述指标首先进行了快照式光谱成像仪的光学设计,然后根据光学设计结果对关键元器件进行了加工采购,并搭建了系统样机。通过对搭建的系统样机进行定标及目标物探测测试,仪器光谱成像效果良好。较传统推扫式光谱成像系统,该系统实现了快照式光谱成像,能够有效地提升高光谱成像探测效率,有助于拓展高光谱成像探测技术的应用范围。

快照式光谱成像技术发展趋势分析与展望(特邀)

快照式光谱成像技术可以单次曝光成像获得目标辐射的二维空间分布和一维光谱信息,在动态目标探测与识别中具有显著优势。本文总结了快照式光谱成像技术的空谱调制投影原理,并从丰富探测信息量的角度出发,在技术原理和数据处理两个层面分析了其主要发展趋势。在技术原理层面,扩展目标辐射探测维度,实现多维信息实时探测是光学探测技术发展的重要趋势,重点介绍了快照式光谱立体成像技术;在数据处理层面,提高光谱图像空间分辨率,对于提升快照式光谱成像技术的应用效果具有重要的实际意义。在此基础上,对快照式光谱成像技术的未来发展方向进行了展望。

基于三基色相机的快照式光谱成像研究

现实场景瞬时多变,快照式光谱成像仪可以获得瞬变目标场景的光谱信息和空间信息.虽然三基色相机只有RGB三个通道,但是曝光时间短,分辨率高.为此,提出一种基于光谱数据库色度匹配的三基色彩色图像多光谱重建模型.通过对比现实场景采集的实际光谱图和重建光谱图,表明该模型能较好的将三基色彩图重建为窄带多光谱图像.

快照式光谱成像技术综述

系统地分析了各种快照式光谱成像技术并进行了对比。依据光谱数据立方体分割到2D空间进行成像的方法,将不同的快照式光谱成像技术分成图像分割、孔径分割、光路分割和频率分割4类,按类别探讨了17种技术方案的原理、优点、缺点与现状,从空间像素数与光谱通道数权衡、图谱匹配、空间采样连续性、光能利用率及动态范围5个方面进行了对比和展望。研究结果有助于相关领域学者快速全面地了解快照式光谱成像仪的研究现状,为进一步提升其综合性能奠定基础。

快照式光谱光场成像技术

针对快照式多维成像系统难以实现高维成像的问题,本文提出了一种快照式光谱光场成像方法,使用单个探测器实现了对目标场景光谱光场信息的快速获取。该方法将聚焦光场成像结构引入到快照式超光谱成像傅里叶变换光谱仪中,首先获取混叠了目标场景光场信息和干涉信息的原始图像,然后使用基于卷积神经网络的信息重建算法,将光场信息和干涉信息从原始图像中分别提取出来,并分别利用光场和干涉信息来重建目标场景的深度和光谱。本文搭建了快照式光谱光场成像系统,并对该系统在空间、光谱以及时间维度上的表现进行了实验验证。实验结果表明,该系统在将获取信息的维度扩展到七维的同时,其深度重建的均方根误差为7.7 mm,光谱重建的归一化均方根误差为6.87%。

实时快照式图形动画导航构件设计与实现

根据通常导航设计的缺陷,提出了实时快照式图形动画导航的思路。利用HTML5和CSS3新增的3D动画技术,结合ASP.NET动态技术,并用构件开发思路快速动态开发与实现实时快照式图形动画导航,不仅美观漂亮,而且效果好,在一些网站的开发中具有重要的意义。

窄带快照式多光谱成像色彩还原方法

由于兼具光谱分辨和空间分辨能力,快照式窄带多光谱成像在资源遥感、精准农业、医疗检测等领域将有广泛应用。由于该方法使用窄带成像来提高光谱分辨率及图像对比度,所获得的图像是灰度信息,失去了场景的色彩信息,不便专家对图像鉴别、评价与赏析。已有的色彩还原算法主要针对光谱波段带宽较宽或者多个波段叠加基本覆盖整个可见光谱范围等两种光谱成像仪,不适合窄带多光谱成像方法的色彩还原。该研究适合于快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法,提出建立窄带多光谱彩色相机的概念。首先,提出两种窄带多光谱色彩还原方法:(1)基于CIE色度系统三刺激值色的,(2)基于贝尔阵列插值算法的;其次,分别应用两种算法还原快照式窄带多光谱相机所获得的植物、手臂及宫颈组织等三种代表性场景窄带多光谱灰度图像;之后,计算并比较表征两种算法所得的代表性场景彩色图像的均值、方差、熵及梯度等表征图像质量的参数数值,确定出适合快照式窄带多光谱成像的色彩还原方法;最后,对所确定的色彩还原算法进行色偏校正。实验结果表明,基于CIE三刺激值色彩还原方法比贝尔阵列插值法更适用于窄带多光谱成像颜色复原。配合使用CIE三刺激值色彩还原方法及灰度图象校正算法,从窄带光谱成像所获得的植物、手臂皮肤及宫颈组织的灰度图像所还原出的近彩色图像逼近物体真实色彩,满足人眼观察习惯。介绍了仅覆盖可见光光谱范围30%的窄带多光谱图像进行色彩还原的方法,该方法证明快照式窄带多光谱成像可以兼具光谱分辨能力,同时保持可供人主观辨识的色彩信息。所提出实现快照式窄带多光谱彩色成像的方法,有望设计不同于传统RGB相机的彩色相机实施方案。

微型快照式窄带多光谱成像宫颈癌筛查方法

白光阴道镜图像对比度较低,不利于医生鉴别不同病变程度组织,也不利于自动化宫颈癌筛查。利用癌变组织富含血红蛋白成分及血红蛋白具有特征波段这一特性,与传统高光谱空间扫描成像及分时获取不同波段多光谱成像方法相反,利用快照式多光谱窄带成像来加速光谱图像获取过程,提升不同病变程度组织之间灰度对比度同时,降低后续图像分析处理算法难度,实现对宫颈组织病变类型高帧率自动化分类。首先,使用微型快照式窄带多光谱摄像方法,在血红蛋白的两个强吸收峰(415±10)和(525±10) nm、一个反射带(620±10) nm和一个背景波段(450±10) nm共四个波段对宫颈组织进行快照式零时差获取四幅窄带光谱图像。而后,对所获取的光谱图像进行简单代数加减,以生成突显病变组织的融合图像,提高不同病变程度组织之间的对比度。最后,使用欧式距离分类算法,对光谱融合图像中不同病变级别进行分类,建立计算机辅助宫颈癌筛查方法。创新点在于实现了高帧率计算机辅助光学病理诊断方法。分别采用临床常规白光阴道镜及微型快照式窄带多光谱摄像对宫颈癌手术切下的新鲜组织进行彩色图像及光谱融合图像的高帧率采集,并使用同一个欧式距离分类算法对两种图像进行自动分类,分类结果都以组织病理诊断作为标准来计算正确率。通过对比两种分类结果正确率来检验光谱融合图像相对于彩色图像是否提升对比度,及其是否可以实现与组织病理诊断(金标准)结果一致的诊断。欧式距离分类算法对光谱融合图像分类准确率接近100%,远高于对白光阴道镜图像约50%的准确率。多位临床医生对基于微型快照式多光谱摄像头光谱融合图像的计算机自动分类结果表示接受。微型快照式窄带多光谱成像方法能有效提升光谱融合图像获取帧率及不同病变程度组织之间灰度对比度,能有效快速地将宫颈组织划分为与组织病理诊断结果一致的病变类型。由于诊断客观、无创伤、结果立等可得,该方法将有助于实现落后地区宫颈癌筛查的普及以及图像导航下的宫颈癌精准治疗手术。

基于编码重建的快照式光谱成像技术进展

光谱成像技术能同时获得物体的空间信息和光谱信息,在科学研究及工业生产等领域发挥着重要作用。然而,传统的高光谱成像系统存在光学系统复杂、含有精密运动器件、曝光时间长等问题,极大地限制了其在许多场景的应用。近年来,高光谱成像系统向着轻小型化、快照式测量方向发展。简单介绍了光谱成像技术原理与分类,从基本原理、方法与实现等方面对基于衍射元件编码、编码孔径、宽带滤光片编码的快照式光谱成像系统进行了综述,并对现存的一些问题以及未来的应用与发展进行了讨论。

快照式显微光谱成像系统及水藻分类识别研究

目前的显微光谱成像系统的探测模块主要以推扫型光谱成像仪为主,无法进行动态微观样本的观测。基于超材料宽谱调制型光谱成像技术体制,使用该原理研制的快照式光谱相机作为探测模块,其与显微镜模块形成新型的快照式显微光谱成像系统。该系统可实时获取样本的光谱曲线与光谱图像信息。同时利用该系统获取不同藻类的吸收光谱曲线,进一步使用基于支持向量机的图像分割识别算法,对水中的动态藻类样本进行识别。共测试样本80个,预测结果准确率为100%,召回率为65.52%,为快照式光谱成像技术在显微领域的应用奠定基础。

基于智能手机的快照式荧光多光谱成像

多光谱重建技术在生物医学领域有着巨大的应用潜力。在传统的皮肤和口腔细菌评估中,目视检查仍然是最广泛使用的方法。这种方法依靠肉眼观察,主观性很强。即使是有经验的临床医生,对细菌感染的确定和评估也经常存在不确定性。为了提供客观和更准确的细菌评估,提出一种基于Wiener估计的荧光多光谱重建方法。该方法基于智能手机平台,用紫色光源激发,采集了皮肤和牙齿的自发荧光图像,使用Wiener估计算法将获取的自发荧光图像重建为具有31个波段(范围为400~700 nm)的多光谱数据立方体,提取并比较细菌产生的卟啉和内源性背景组织发射的光谱强度。基于提取的自发荧光光谱,应用加权减法来实现对皮肤表面细菌的高对比度和高信噪比识别。实验结果表明,所提方法不仅能够准确重建荧光多光谱图像,而且能够实现细菌的定位,应用加权减法后,对比度增强了12~46倍,信噪比提高了1.63~2倍。

双通道快照式计算光谱偏振成像方法研究

针对传统光谱偏振成像需要动态调制、光通量低和光谱分辨率有限等问题,提出了基于计算光谱成像和像素级偏振探测的成像新方法,以双通道形式单次成像获取目标高分辨率的空间、光谱和偏振信息。搭建了编码孔径光谱偏振成像通道和偏振成像通道的双路实验装置,得到了450~650 nm范围内25个波段在4种偏振态下的光谱数据立方体,以及每个波段的偏振度和偏振角。所提方法的光谱分辨率优于10 nm,光谱重构精度约为86.3%,相对单路成像方法,光谱重构精度提升了10.5个百分点。

新型快照式光谱偏振成像技术

空间信息、光谱信息和偏振信息的同步获取将获得更多易于区分目标的特征信息。针对传统光谱偏振成像技术需要动态调制、光通量低、光谱分辨率有限和解算复杂等问题,提出了一种基于光纤传像束和像元级偏振探测器的成像新模式,将光纤成像光谱技术和像元级偏振信息快速提取技术结合,以快照式方式同步获取目标的二维空间信息、一维光谱信息和四个角度的偏振信息。结合系统模型,搭建了实验装置,获取了430~630 nm(光谱分辨率约1 nm)的200个谱段4个角度的光谱偏振图像,以及每个谱段的偏振度和偏振角。验证了该系统的光谱偏振成像数据同步获取能力,技术原理正确可行,未来将在天文观测、大气探测和目标识别等领域具有较高的应用价值。

基于小波分析的快照式高光谱海面溢油厚度分析

针对海面溢油厚度的探测需求,通过模拟海面环境,采用快照式高光谱相机对不同厚度油膜的反射光谱进行探测;首先根据快照式高光谱相机获得的高光谱图像,计算得到了不同厚度油膜的反射光谱;然后采用小波变换对反射光谱进行分析,再利用Coif5小波基进行离散小波变换得到第9层重构信号的细节系数,用其反映油膜厚度的差异。油膜厚度和细节系数具有良好的线性关系,据此可准确识别大范围溢油事故中不同位置油膜的厚度。快照式高光谱探测方式极大地提高了溢油分析的效率,对溢油灾害的快速发现和实时监测具有参考价值。

基于Dyson结构的新型快照式分光成像系统光学设计

快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。

一种高效的虚拟机快照管理系统

链式虚拟磁盘快照技术是广泛实现的一种支持虚拟机失效恢复的技术手段,针对链式结构磁盘快照技术引入多余I/O请求导致虚拟机性能低效问题,分析和研究了支持高效虚拟机快照实现的无链式关联磁盘快照技术,通过集成ZFS及OCFS2文件系统给出了无链式关联磁盘快照技术实现,并设计和实现了虚拟机快照存储组织模型和快速检索算法,提高了虚拟机快照检索效率.设计试验验证了系统的有效性.

光谱成像用红外焦平面读出电路研究

红外焦平面是光谱成像系统的核心器件。讨论了多光谱用红外焦平面读出电路的特点,设计了用于多光谱成像的64×16元红外焦平面读出电路。读出电路采用CTIA输入级,快照式曝光方式,边积分边读出工作。电路芯片与InGaAs光敏芯片阵列通过铟柱倒焊的方法,组成混成互连焦平面器件,像元间距50μm,响应波段0.9～1.7μm,盲元率0.2%,半阱时的响应不均匀性4.7%。