Nopea, teräväpiirtoinen hyperspektrinen videokamera

Perinteinen digitaalikamera jakaa kuvan kolmeen kanavaan – punaiseen, vihreään ja siniseen – peilaten sitä, miten ihmissilmä havaitsee värit. Mutta nämä ovat vain kolme erillistä pistettä jatkuvalla aallonpituuksien spektrillä. Erikoistuneet "spektrikamerat" menevät pidemmälle tallentamalla peräkkäin kymmeniä tai jopa satoja näitä jakoja spektrin poikki.

Tällöin prosessi on kuitenkin hidas, mikä tarkoittaa, että hyperspektrikamerat voivat ottaa vain still-kuvia tai videoita hyvin hitaalla kuvataajuudella. Mutta entä jos korkean fps:n videokamera voisi tallentaa kymmeniä aallonpituuksia kerralla, paljastaen paljaalla silmällä näkymättömiä yksityiskohtia?

Utahin yliopiston tutkijat ovat kehittäneet uuden tavan ottaa teräväpiirtoisia valokuvia, jotka koodaavat spektridatan kuviksi, aivan kuten perinteinen kamera koodaa värin. Kolmen värikanavan sijaan heidän erikoissuodattimensa jakaa värikanavan 25 osaan. Jokainen pikseli tallentaa pakattua spektritietoa yhdessä paikkatiedon kanssa, jonka tietokonealgoritmit voivat myöhemmin rekonstruoida 25 erillisen kuvan "kuutioksi" – joista jokainen edustaa erillistä siivua näkyvästä spektristä.

Tämä välitön koodaus mahdollistaa kamerajärjestelmän – joka on riittävän pieni mahtuakseen matkapuhelimeen – ottaa teräväpiirtovideota, ja komponenttikuvien pakattu luonne avaa uusia reaalimaailman sovelluksia.

Professori Rajesh Menonin mukaan kameran suunnittelu edustaa harppausta eteenpäin spektridatan tallentamisessa. ”Esittelemme kompaktin kameran, joka tallentaa sekä värit että hienot spektriyksityiskohdat yhdellä otoksella ja tuottaa jokaiselle pikselille ”spektrisormenjäljen”, hän sanoo.

Hyperspektrikameroita on käytetty pitkään maataloudessa, tähtitieteessä ja lääketieteessä, joissa hienovaraisilla värieroilla voi olla suuri merkitys. Mutta nämä kamerat ovat perinteisesti olleet kookkaita, kalliita ja rajoittuneet still-kuvien ottamiseen.

Tiimin läpimurto piilee siinä, miten se tallentaa ja käsittelee dataa. Keskeinen komponentti on diffraktiivinen elementti, joka sijoitetaan suoraan kameran kennon päälle. Elementin toistuvat nanomittakaavan kuviot taivuttavat tulevaa valoa ja koodaavat sekä avaruudellista että spektraalista informaatiota jokaiselle kennon pikselille. Koodaamalla kohtauksen yhdeksi, kompaktiksi kaksiulotteiseksi kuvaksi massiivisen kolmiulotteisen datakuution sijaan kamera tekee hyperspektrikuvantamisesta nopeampaa ja tehokkaampaa.

”Yksi kameramme tärkeimmistä eduista on sen kyky tallentaa tilallis-spektristä informaatiota erittäin pakattuna kaksiulotteisena kuvana kolmiulotteisen datakuution sijaan ja käyttää hienostuneita tietokonealgoritmeja koko datakuution poimimiseen myöhemmin”, Apratim Majumder selittää. ”Tämä mahdollistaa nopean ja erittäin pakatun datan tallennuksen.”

Virtaviivaistettu lähestymistapa leikkaa myös kustannuksia merkittävästi. ”Kameramme maksaa monta kertaa vähemmän, on erittäin kompakti ja tallentaa dataa paljon nopeammin kuin useimmat saatavilla olevat kaupalliset hyperspektrikamerat”, Majumder sanoo.

Datan tallennus on toinen etu. ”Satelliiteilla olisi vaikeuksia lähettää kokonaisia kuvakuutioita, mutta koska poimimme kuutiot jälkikäsittelyssä, alkuperäiset tiedostot ovat paljon pienempiä”, hän lisäsi.

Aiheesta aiemmin:

Parempia kuvia ihmisille ja tietokoneille

Optista tiedonkäsittelyä kamerassa ja yhden pikselin anturissa

Plasmoniikan avulla edullinen monispektrikamera