Max Home IndustryПолосы в моде в этом сезоне в лаборатории Университета Райса, где исследователи используют их для создания изображений, которые обычные камеры никогда не смогут сделать.
Их компактный проектор с гиперспектральными полосами (HSP) — это шаг к новому методу сбора пространственной и спектральной информации, необходимой для беспилотных автомобилей, машинного зрения, мониторинга урожая, обнаружения поверхностного износа и коррозии и других приложений.
«Я могу представить эту технологию в руках фермера или на беспилотном летательном аппарате, чтобы посмотреть на поле и увидеть не только содержание питательных веществ и воды в растениях, но также, благодаря трехмерному аспекту, высоту сельскохозяйственных культур », — сказал Кевин Келли, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники инженерной школы Райс Браун. «Или, возможно, он может смотреть на картину и детально видеть цвета и текстуру поверхности, но в ближнем инфракрасном диапазоне также можно увидеть под холстом».
Лаборатория Келли могла оперативно выполнять 3D-спектроскопию с помощью системы, объединяющей HSP, монохромный массив датчиков и сложное программирование, чтобы дать пользователям более полное представление о форме и составе объекта.
«Мы получаем четырехмерную информацию из изображения, трех пространственного и одного спектрального, в реальном времени», — сказал Келли. «Другие люди используют несколько модуляторов и, следовательно, требуют ярких источников света для достижения этой цели, но мы обнаружили, что можем сделать это с помощью источника света нормальной яркости и некоторой умной оптики».
Работа Келли, ведущего автора и выпускницы Райс Ибо Сюй и аспиранта Энтони Гилджума подробно описана в статье в открытом доступе в Optics Express.
HSP опирается на портативные технологии трехмерной визуализации, которые уже находятся в руках потребителей — подумайте о системах идентификации лиц в смартфонах и трекерах тела в игровых системах — и добавляет способ извлечения широких спектральных данных из каждого захваченного пикселя. Эти сжатые данные преобразуются в трехмерную карту со спектральной информацией, которая может включать сотни цветов и использоваться для выявления не только формы объекта, но и его материального состава.
«Обычные камеры RGB (красный, зеленый, синий) в основном предоставляют только три спектральных канала», — сказал Сюй. «Но гиперспектральная камера дает нам спектры во многих, многих каналах. Мы можем захватывать красный цвет на уровне около 700 нанометров и синий на расстоянии около 400 нанометров, но мы также можем иметь ширину полосы через каждые несколько нанометров или меньше между ними. Это дает нам прекрасное спектральное разрешение и более полное понимание сцены.
«HSP одновременно кодирует глубину и гиперспектральные измерения очень простым и эффективным способом, позволяя использовать монохромную камеру вместо дорогой гиперспектральной камеры, которая обычно используется в аналогичных системах», — сказала Сюй, получившая докторскую степень в Райс. в 2019 году. Сейчас она работает инженером по машинному обучению и компьютерному зрению в Samsung Research America Inc. В рамках своей диссертации в лаборатории Келли она разработала как аппаратное обеспечение, так и программное обеспечение для реконструкции.
Компания HSP использует стандартное цифровое микрозеркальное устройство (DMD) для проецирования на поверхность узорных полос, напоминающих цветные штрих-коды. При передаче проекции белого света через дифракционную решетку перекрывающиеся узоры разделяются на цвета.
Каждый цвет отражается обратно в монохромную камеру, которая присваивает этому пикселю числовой уровень серого.
Каждый пиксель может иметь несколько уровней, по одному на каждую цветовую полосу, которую он отражает. Они объединяются в общее спектральное значение для этой части объекта.
«Мы используем один DMD и одну решетку в HSP», — сказал Сюй. «Новая оптическая конструкция, в которой световой путь сворачивается обратно к той же дифракционной решетке и линзе, — вот что делает его по-настоящему компактным. Одиночный DMD позволяет нам сохранять желаемый свет и отбрасывать остальное».
Эти точно настроенные спектры выходят за пределы видимого света. То, что они отражают обратно на датчик в виде мультиплексированных тонкополосных спектров, можно использовать для определения химического состава материала.
В то же время искажения в узоре реконструируются в трехмерные облака точек, по сути, это изображение цели, но с гораздо большим объемом данных, чем может предоставить простой снимок.
Келли представляет, как HSP встроен в автомобильные фары, которые могут видеть разницу между объектом и человеком. «Невозможно спутать зеленое платье и зеленое растение, потому что все имеет свою спектральную характеристику», — сказал он.
Келли считает, что в лаборатории со временем будут реализованы идеи новаторской однопиксельной камеры Райс, чтобы еще больше уменьшить размер устройства и адаптировать его для захвата сжатого видео.
Национальный научный фонд финансировал исследование.