[文献速递Vol.211]-用于表面形状、偏振和高光谱测量的5D融合成像

偏振模块使用偏振相机获得偏振图像，而三维高光谱模块使用条纹投影技术将目标重建为三维点云。在该模块的相机前放置液晶可调滤波器，获取可直接分配给相应点云的光谱数据。这两个模块通过双路配置耦合，允许偏振信息合并成具有光谱信息的综合点云，从而生成新的5D模型。

5D成像仪性能优异，光谱分辨率为10 nm，深度精度为30.7µm，成像时间为8 s。在带有微划痕缺陷的玩具车上和发黄的植物上进行了样品实验，展示了5D成像仪的功能及其在工业制造检查、植物健康监测和生物分析等广泛应用中的潜力。

结合了高光谱成像(HSI)和三维重建的四维成像(4D)具有广泛的应用前景。HSI可以通过非接触、非破坏性的方式同时高效地获得数十到数千个窄波段的二维图像f(x, y)。由于获得的光谱可以提供丰富的分子键振动模式和光吸收等信息，因此被广泛应用于材料分析，在现场环境遥感、食品安全评价和检验、生物医学等领域有着广泛的应用。

偏振是反映物体除强度、相位和频率以外的内在光学特性的另一个信息维度。目标物体由于其固有的物理性质(如粗糙度、形状、材质等)，在反射或辐射电磁波的过程中会呈现出特定的极化状态。偏振成像已广泛应用于工业部件的缺陷检测、应力分析、生物医学癌症检测以及恶劣环境下的目标识别。在传统的四维成像中加入偏振信息对数字记录和物体分析非常有益。

然而，考虑到系统性能在光谱和空间分辨率、物理复杂性和计算成本方面的平衡，多维信息数据融合仍然存在巨大挑战。

LCTF的透过率谱在特定波长λ处有一个中心峰，其他波长的透过率接近于零。这样，只有特定波长的光才能通过LCTF，而其他波长的光的不必要传输被抑制。通过在LC电池上施加不同强度的偏置电压，可以调谐中心传输波长。图1(b)显示了作者实验中使用的LCTF的透射光谱，中心峰在420 – 740 nm范围内调制到不同的波长。

在普通CMOS相机前使用LCTF，可以获得不同波长的单色图像，从而实现HSI。

下为Stokes矢量表达式及DOLP、AOLP计算公式：

基于条纹投影的典型结构光系统示意图如图2所示。投影仪将标准的垂直正弦光栅条纹图案照射到物体上，由物体表面调制的相应变形条纹由另一个视角的摄像机捕获，深度信息编码到条纹图像的相位中。

在三维成像过程中，基于条纹照明的结构光立体视觉计算被测物体的三维坐标(x, y, z)并生成三维点云模型，而在极化HSI过程中，光谱数据λ；偏振信息s由相应的相机采集。根据上面讨论的三维重建原理，相机平面上的每个像素对应一个唯一的三维点云P (x, y, z)，由于三维重建和光谱采集共享相同的光路和相机成像平面，因此可以直接将两个数据集匹配融合在一起，而无需进行后处理。

图5(c)和图5(d)显示了该系统捕获的偏振图像，其中偏振器的颜色由DOLP和AOLP的值决定。从图6(c)可以看出，线性偏振器的DOLP值趋近于1，背景的DOLP值趋近于0，这与偏振理论一致。测量的线性偏振器的AOLP值为38◦，- 7.5◦，7.5◦，- 38◦，与图5(a)所示的实际角度相对应，表明了该系统偏振测量的准确性。