智能手機相機邁向高光譜時代：現(xiàn)成的智能手機相機可成為先進傳感器

人眼主要只對電磁波譜中可見光范圍的三個波段 —— 紅、綠、藍（RGB）—— 敏感。相比之下，現(xiàn)成的智能手機相機傳感器本質上具有高光譜潛力，這意味著每個像素對更多光譜波段都敏感。現(xiàn)在，科學家發(fā)現(xiàn)了一種簡單方法，可以讓任何常規(guī)智能手機相機充當高光譜傳感器 —— 只需在其視野內放置一張帶有圖表的卡片。研究人員補充說，這項正在申請專利的新技術可能在國防、安全、醫(yī)學、法醫(yī)、農業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、工業(yè)質量控制以及食品飲料質量分析等領域找到應用。

Semin Kwon/Purdue University

"這項工作的核心是一個簡單但強大的理念 —— 照片從來不僅僅是圖像，" 印第安納州西拉法葉市普渡大學生物醫(yī)學工程博士后研究員Semin Kwon說，"每張照片都攜帶等待被發(fā)現(xiàn)的隱藏光譜信息。通過提取這些信息，我們可以將日常攝影轉變?yōu)榭茖W。"

普渡大學生物醫(yī)學工程教授Young Kim表示，每個分子都有獨特的光譜特征 —— 即它對每個波長光線的吸收或反射程度。科學級高光譜傳感器在區(qū)分顏色方面的極高靈敏度，使它們能夠根據光譜特征識別化學物質，廣泛應用于多個行業(yè)，例如醫(yī)學診斷、辨別威士忌真?zhèn)巍⒈O(jiān)測空氣質量，以及對藝術品顏料進行無損分析等。

先前的研究嘗試了多種方法從常規(guī)智能手機 RGB 相機數據中恢復光譜細節(jié)。然而，為此開發(fā)的機器學習模型通常嚴重依賴于訓練它們的特定任務數據。這限制了它們的泛化能力，并使它們容易因光照變化、圖像文件格式等因素而產生誤差。另一種可能的途徑是使用特殊的硬件附件，但這些附件往往價格昂貴且體積較大。

在這項新研究中，科學家設計了一種可以打印在卡片上的特殊顏色參考圖。他們還開發(fā)了一種算法，可以分析使用該卡片拍攝的智能手機照片，并考慮光照條件等因素。這種方法能夠從原始圖像中提取高光譜數據，對可見光波長差異的敏感度可達1.6納米，與科學級光譜儀相當。

"簡而言之，這項技術可以將普通智能手機變成口袋里的光譜儀，"Kim說。

科學家們目前正在國內外以及資源有限的環(huán)境中，將這項新技術應用于數字醫(yī)療和移動醫(yī)療領域。"我們非常興奮，這為光譜學變得既經濟又普及打開了大門，"Kwon說。

科學家們最近在IEEE Transactions on Image Processing期刊上詳細發(fā)表了他們的研究成果：https://ieeexplore.ieee.org/document/11125864。