近红外相机高分辨成像将迎来行业爆发（一）
近红外相机高分辨成像将迎来行业爆发（一）
关键词：近红外成像 SWIR 单像素相机 DMD
Deep learning 压缩感知
1 引言
众所周知，红外成像具有广阔应用前景，特别是短波红外波段SWIR，具体应用包括以下几方面：
1）透视能力：可穿透云雾成像
图1 不同波段的成像对比
具说还可穿透一定材料的衣物，透视人体，这个要是将来成本降下来，达到民用，隐私问题可麻烦了。
2) 伪装识别
例如，轻松穿透墨镜，还包括对可见光起衰减作用的一系列中性密度材料；能够识别米隐藏在丛林里的米彩服，如下图所示。
图2 SWIR 防伪应用
3)光谱识别：光谱分类
图 3 塑料垃圾分类
短波红外塑料分拣系统,可以识别各种各样的PE-HD，PE-LD，聚丙烯，聚酯，PET-G，聚苯乙烯，聚氯乙烯等塑料，在汽车，电子，家用产品中存在大量的类似塑料。在欧洲和北美，已经利用短波红外光谱分拣塑料，迅速标识废物中聚合物类型，触发机械装置将塑料废弃物转移到适当的接收器中。
4）夜视成像：高灵敏成像
直接上图，看细节吧，效果非常牛掰。而且夜视仪看不到的它还能看到。
图 5 近红外高灵敏成像效果图
2 红外成像存在的巨大商机
尽管近红外相机应用前景如此广阔，然而这项技术并没有走进千家万户。近红外相机价格居高不下，极大限制其在展品市场的应用。一台近红外相机一般分辨率在512×512像素，价格高达30万人民币以上，一般小企业想开发这一技术也难以上手。
所谓的巨大商机就在于，一旦SWIR相机成本降低，实现批量化国产化，必将受到市场追捧！
因此，需要解决的问题是降低成本，另外也要提升性能，最好是二者兼顾。那么有没有让红外相机成本降低，分辨率提升的方案呢？例如分辨率1024×768像素近红个相机，同时具有高灵敏的特点？
答案是肯定的，目前已经找到解决方案，且实现该方案的核心器件已被国内的中科院所掌握。
3 低成本SWIR相机高分辨成像解决方案
单像素相机技术的出现，使得高分辨近红外成像技术成为现实。单像素成像技术，最初采用的算法是压缩感知(Compressive Sensing, CS)算法。压缩感知理论由Cades、Tao等人于2006年正式提出，2008年,美国Rice大学在实验室实现了单像素成像。单像素成像的压缩感知算法，测量次数某些条件下仅为1%的奈奎斯特极限采样，就可重建包括目标绝大多数信息的图像。
图6 英国Glasgow大学单像素相机
单像素成像技术可应用于任何探测器分辨率工艺无法做到很高的成像波段，如近红外，X射线，电子/中子束等，关于此类技术文章从Nature 和Science到国内大量期刊文献均有报道。那么目前这个行业何等技术水平，为何说将要行业爆发呢？原因有以下两点：
1）单像素成像国内外何等技术水平？
国内关于单像素成像，已有文献报道，成像的像素128×128像素。国外近期在成像速度上获得具大突破：由于采用了先进的Deep learning机器学习算法，利用MatConvNet技术，通过深度学习训练的网络，可实现的30帧/秒的高速成像。
图 8 单像素红外成像结果
这个技术的特点就是成像用的探测器只有一个点像素，不需要高级的芯片工艺，其核心器件DMD是TI公司的技术，广泛用于当前的投影机，成本只有千到几万元，远低于红外相机芯片研发成本。单像素相机的技术复杂度也比较低，主要在DMD器件和算法上，探测器几乎没什么成本。
另外，也可把低分辨的单像素成像技术与SWIR相机结合，以低分辨率的SWIR相机实现高分辨的近红外成像。
2）国内是否已有产品？
国内好多单位目前都在跟进单像素成像的项目，比如中科院和高校等，目前很少有公司企业去做这件事。航天科技有相关的的报道，但具体技术情况尚未公开。
据报道国外已经形成产品，像素1024×768，是目前市场上近红外相机像素的2倍！
图 9 单像素红外相机高分辨成像效果图
3）核心器件是否成熟？
研究单像素成像的同行应都知道，单像素相机核心器件是DMD，前文也提到过，核心器件DMD是TI公司的技术。DMD本身价格并不高，普通标有DLP投影机里均有使用。但技术瓶颈在于高速控制DMD的电路版，有了高速20kHz以上调制速度的控制版，具版载内存足够大，能够长期存储大量数据，同时满足速度/内存/大存储量三个要素，就能够实现高速/高分辨/高灵敏近红外成像！目前，能够同时满足三个条件的产品很少。
但好消息是，中科院最近完成了DMD高速控制技术的突破。
图 10 国内自主研发的产品
当然，目前上述的DMD由于是全球首款科研级产品，价格在10万左右，但一旦高分辨红外相机研制成功，形成量产，那么低成本，高分辨还会远吗？
4 总结
在军民融合的大背景下，近红外相机高分辨成像将迎来行业爆发即将来临，用于制造高分辨/高灵敏/低成本的近红外机相各项关键技术趋于成熟包括：
1）单像素成像算法已成熟，例如压缩感知与深度学习算法相结合，突破了成像速度难题；
2）核心器件已成熟，例如大容量/高速度DMD控制技术；
3）高度集成的光机设计技术已成熟，虽然前文没有提到，但是3D打印技术应用于单像素相机上，显然助力造出高性能的SWIR相机产品；
4）该方面的人才在各大高校均有培养输出。
总之，这一技术的爆发可谓天时/地利/人和。
受篇幅和时间限制，具有一些技术细节和引用文献将在近红外相机高分辨成像将迎来行业爆发（二）另文介绍。
合作QQ: 360878197