基于高光譜成像技術(shù)的微小攝像頭檢測技術(shù)

汪 林，張海洋，黃嘉昊，屈嘉惠，趙長明，張子龍

（1.北京理工大學(xué) 光電成像技術(shù)與系統(tǒng)教育部重點實驗室，北京 100081；2.北京理工大學(xué) 光電學(xué)院，北京 100081）

引言

微小攝像頭因成本低廉得到廣泛應(yīng)用，甚至被非法使用，嚴重威脅人們的隱私安全甚至重要場合的信息安全。檢測隱藏攝像頭的方式眾多，目前光學(xué)方面主要是貓眼效應(yīng)[1-2]，其設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，但檢測微小鏡頭多有不足：檢測高亮光斑，對形狀尺寸與鏡頭相近的干擾物容易誤判；進入微小鏡頭的激光少，反射光弱，信噪比低；離焦、傾斜等會降低光斑能量。為解決貓眼效應(yīng)檢測方式的不足之處，提出一些其他光學(xué)探測手段，例如光斑形態(tài)學(xué)特征識別[3-6]、激光脈沖檢測[7]、空間調(diào)制激光掃描[8]、偏振激光檢測[9]、光學(xué)色差檢測[10-11]及單光子計數(shù)檢測[12-13]等，利用鏡頭反射光譜特征的檢測方法未見相關(guān)技術(shù)報道。

成像光譜儀采集的圖像包含三維信息，即二維空間信息以及第三維的光譜信息，可將貓眼效應(yīng)作為輔助探測手段，檢測空間成像的高亮光斑，初步確定目標的成像位置，從而針對性地分析光譜，減少計算量，加快識別速度，提高系統(tǒng)探測效率，降低虛警率。實驗時，利用寬光譜光源照明微小攝像頭，通過成像光譜儀收集反射光的圖像和光譜信息，利用貓眼效應(yīng)初步篩查探測目標，提取高亮位置光譜，依據(jù)光譜特征識別攝像頭。

從光譜特征、推掃型成像光譜儀結(jié)構(gòu)以及探測距離等方面闡述了探測原理，通過功率傳輸和物像關(guān)系計算探測范圍，針對不同直徑的照明光束，仿真了探測面輻照度與探測距離的關(guān)系。實驗探究了部分典型可見光攝像頭的反射光譜，以非反射光的占比曲線進行特征分析，采用最小二乘直線擬合，研究了曲線的變化趨勢。

1 檢測原理

1.1 光譜特征

CCD 或CMOS 在可見光成像系統(tǒng)中應(yīng)用廣泛，但它們對可見光和近紅外光均比較敏感，為防止紅外成像對可見光成像造成干擾，許多可見光成像系統(tǒng)采用紅外截止濾光片（IR-cut filter，以下簡稱IRCF）。

IRCF 按原理可分為2 類[14-15]：吸收型和反射型。吸收型濾光片通過材料吸收濾除紅外光，其中藍玻璃濾光片廣泛應(yīng)用于攝像頭，其光譜透過率如圖1所示。藍玻璃易潮解，通常在表面鍍可見光增透膜，保護材料及增加可見光透過率；反射型IRCF 在普通白玻璃上鍍紅外截止膜，對紅外光高反射，通常在鏡頭上鍍可見光增透膜。

圖1 典型藍玻璃濾光片透過率曲線圖Fig.1 Transmittance curves of typical blue glass filters

在寬光譜光源的照射下，反射光譜存在2 種情況：吸收型濾光片，由于紅外光被吸收，可見光有較高透過率，反射光譜中各個波段的能量均較低，若在濾光片上鍍可見光增透膜，在700 nm附近可能存在能量突變；反射型濾光片，光學(xué)系統(tǒng)對紅外光高反射，對可見光高透過，反射光譜中可見光波段能量低，紅外波段能量高，交界處存在能量階躍。

1.2 推掃式高光譜相機結(jié)構(gòu)及參數(shù)

實驗采用光柵色散型推掃式高光譜相機GaiaField-F-V10，其結(jié)構(gòu)如圖2所示，包含前置系統(tǒng)、狹縫、準直系統(tǒng)、衍射光柵、成像系統(tǒng)及面陣CCD 探測器，其參數(shù)如表1所示。

表1 推掃式高光譜相機GaiaField-F-V10 參數(shù)及規(guī)格Table 1 Parameters and specifications of sweeping hyperspectral camera GaiaField-F-V10

圖2 推掃式高光譜相機GaiaField-F-V10 結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of sweeping hyper-spectral camera GaiaField-F-V10

1.3 成像光譜儀物像關(guān)系計算

目標在成像光譜儀探測器上所成像不小于1 個像元，才能被提取光譜。狹縫與面陣探測器滿足物像關(guān)系，狹縫成像在面陣探測器上；目標與狹縫滿足物像關(guān)系，狹縫位于準直系統(tǒng)的前焦面。目標經(jīng)前置系統(tǒng)成像在準直系統(tǒng)的前焦面[16-17]，忽略衍射，狹縫等效于孔徑光闌。

已知GaiaField-F-V10 前置系統(tǒng)、狹縫以及面陣CCD 探測器參數(shù)，準直系統(tǒng)、衍射光柵及成像系統(tǒng)參數(shù)未知。為簡化計算，將目標與面陣探測器的物像關(guān)系轉(zhuǎn)換為目標與狹縫的物像關(guān)系，忽略狹縫衍射。探測目標與狹縫之間的物像關(guān)系如圖3所示。

圖3 探測目標與狹縫之間的物像關(guān)系Fig.3 Object-image relationship between detection target and slit

1.4 探測功率計算

為簡化計算，假設(shè)光譜寬度為400 nm，照明光束為平面波，探測目標為朗伯體，可將探測目標視為均勻發(fā)光源。目標大小遠小于探測距離，忽略反射面彎曲，視為均勻發(fā)光平面，如圖4所示。

圖4 光路傳輸示意圖Fig.4 Schematic diagram of optical path transmission

圖5 面陣CCD 探測器輻照度與探測距離關(guān)系曲線Fig.5 Relation curves of area array CCD detector irradiance and detection distance

2 實驗與分析

2.1 實驗裝置

實驗裝置如圖6所示，包含寬光譜光源、高光譜相機、分束鏡及計算機。寬光譜光源照射微小攝像頭，光線反射后進入高光譜相機，計算機處理空間和光譜數(shù)據(jù)，識別探測目標，并控制寬光譜光源和高光譜相機。實驗驗證光譜特征能否作為微小攝像頭的判別依據(jù)，較近的探測距離便于選中成像范圍，提取光譜特征。實驗中探測距離設(shè)置為0.5 m。

圖6 實驗裝置結(jié)構(gòu)Fig.6 Structure diagram of experimental device

檢測多種微小目標，如表2所示，包含4 個手機攝像頭，1 個常規(guī)攝像頭，2 個微小攝像頭，1 個燈泡中的微小攝像頭，1 個強反射白色金屬，如表2所示，已知目標A、B、D、E、G 中包含反射型IRCF，目標C、F 中包含吸收型IRCF。

表2 探測目標說明Table 2 Description of detection targets

2.2 實驗結(jié)果及分析

通過非反射光（透射或吸收）的光譜功率Pnr(λ)在照射光譜功率Psr(λ)中的占比η(λ)反映濾光情況，η(λ)在可見光波段表示透過率，在紅外波段，若采用反射型IRCF，η(λ)表示透過率，其數(shù)值低；若采用吸收型IRCF，η(λ)表示吸收率，其數(shù)值高。非 反射光占比計算如（17）式所示：

式中：Pr(λ)為反射光譜功率。目標位置的照射光譜難以獲得，通過將光源光譜和Pr(λ)曲線在兩端進行數(shù)值匹配，得到Psr(λ)，因此透過率或吸收率曲線（下文簡稱η(λ)曲線）兩端誤差較大。

對η(λ)曲線分段直線擬合，計算斜率，并研究其變化趨勢。圖7、圖8、圖9、圖10 表明，η(λ)曲線在500 nm以下和900 nm以上的變化趨勢不穩(wěn)定，誤差大，擬合波長范圍選為500 nm～900 nm。實驗獲得的η(λ)曲線，均在500 nm～600 nm 和700 nm～900 nm 范圍內(nèi)，變化小，部分曲線在600 nm～700 nm范圍內(nèi)存在突變。為體現(xiàn)突變，將波長范圍細分為500 nm～600 nm，600 nm～625 nm，625 nm～650 nm，650 nm～675 nm，675 nm～700 nm，700 nm～900 nm 等6 段，采用最小二乘法擬合。實驗所得可見光成像系統(tǒng)η(λ)曲線的分段直線擬合斜率如表3所示。

圖10 常規(guī)攝像頭透射或吸收情況Fig.10 Transmission or absorption of conventional camera

表3 可見光成像系統(tǒng)η(λ)曲線的分段直線擬合斜率Table 3 Segmented straight line fit slope of η(λ)curve of visible light imaging system(×10-4nm-1)

B、D 分別為智能手機和老式手機的后置攝像頭，透射或吸收情況如圖7所示，可見光部分的透過率高，紅外部分反射率高。B 的η(λ)曲線在700 nm驟然下降，D 的曲線變化平緩，兩者在可見光和紅外光的η(λ)值均差異明顯。

圖7 手機后置攝像頭透射或吸收情況Fig.7 Transmission or absorption of rear camera of phone

如表3所示，B 和D 在可見光部分的透過率呈上升趨勢，但幅度小。B 的擬合直線在600 nm～700 nm 之間，最小斜率為-7.0×10-3nm-1，絕對值大，B 的η(λ)曲線發(fā)生突變，鍍膜較好；B 在700 nm～900 nm 波段，斜率接近0，吸收率曲線較穩(wěn)定，而D 的斜率為負且絕對值較大，持續(xù)波段較長，吸收率曲線持續(xù)以較快速度下降?？膳袛郆 和D包含反射型IRCF。

手機前置攝像頭透射或吸收情況如圖8所示，A、C 來自智能手機。A 在可見光和紅外的η(λ)值差異較明顯，曲線在700 nm附近緩慢下降。C 在整個波段的η(λ)值較高，700 nm附近有小突變，整體上可見光波段的η(λ)值更大。

圖8 手機前置攝像頭透射或吸收情況Fig.8 Transmission or absorption of front camera ofmobile phone

如表3所示，A、C 在可見光部分的透過率呈緩慢上升趨勢。C 的擬合直線在600 nm～700 nm存在數(shù)值為負、絕對值較大的斜率，值為-1.4×10-3nm-1，C 的η(λ)曲線在該波段有較小突變；C 在700 nm～900 nm 波段，斜率趨近0，吸收率曲線基本不變。A的斜率在紅外波段為負值，絕對值較大，吸收率曲線較快下降。判定目標A 包含反射型IRCF，目標C 采用吸收型IRCF，C 鍍有可見光增透膜。

普通微小攝像頭透射或吸收情況如圖9所示，H 隱藏在燈泡中，F(xiàn) 和H 在可見光和紅外波段的η(λ)值較高，曲線變化緩慢，G 的曲線在可見光波段較平穩(wěn)，在紅外波段則以相對較快的速度降低。

圖9 微小攝像頭透射或吸收情況Fig.9 Transmission or absorption of tiny camera

如表3所示，F(xiàn) 和H 全波段擬合直線斜率均趨近于0，η(λ)曲線變化緩慢。G 在可見光波段的斜率為正且接近0，透過率基本不變，而紅外波段的斜率為負，絕對值相對較大，透過率曲線變化幅度相對較大。判定目標G 包含反射型的IRCF，目標F 和H 采用吸收型IRCF。

一種常規(guī)攝像頭的反射光譜，如圖10所示，E 在實驗結(jié)果中效果最明顯，在可見光波段有較高透過率，在紅外波段透過率驟降，兩者數(shù)值差異在此次實驗中最大。

如表3所示，在600 nm～700 nm 范圍內(nèi)，存在一個數(shù)值為負、絕對值很大的斜率，其值為-4.8×10-3nm-1，η(λ)曲線在該波段驟降。在500 nm～600 nm 和700 nm～900 nm波段，斜率接近0，η(λ)值基本不變?？梢耘卸繕薊 采用反射型IRCF。

實際探測微小目標時會輔以貓眼效應(yīng)設(shè)備，成像光譜儀主要探測其檢測出的高亮區(qū)域，對檢測結(jié)果造成干擾的主要是強反射體。如圖11所示，I 是一種白色金屬，具有強反射特性，對各波段的光吸收率較小，即η(λ)值偏低，可以通過比較探測目標的η(λ)（吸收率）數(shù)值大小進行篩查。

圖11 白色強反光干擾物光線吸收情況Fig.11 Absorption of light of white strong-reflective interferent

如表3所示，實驗所得的η(λ)曲線均在可見光波段變化緩慢，斜率絕對值最大為3.6×10-4nm-1，在紅外波段有緩慢變化和快速下降兩種情況，斜率絕對值最大為1.7×10-3nm-1，最小為5.7×10-5nm-1。曲線若在600 nm～700 nm 范圍內(nèi)存在突變，所得實驗數(shù)據(jù)顯示該波段斜率最小值的絕對值是700 nm～900 nm 波段斜率絕對值的10 倍以上。

3 結(jié)論

在成像光譜技術(shù)的基礎(chǔ)上，提出了一種通過圖像和光譜信息識別微小攝像頭的探測技術(shù)。利用貓眼效應(yīng)確定疑似目標，利用光譜特征精準判定微小攝像頭。分析了可見光攝像頭因為包含紅外截止濾光片而可能存在的反射光譜特征。建立了計算探測距離的數(shù)學(xué)模型，光照充足的情況下，最大探測距離受目標大小影響，最小探測距離受光功率影響。計算數(shù)據(jù)顯示，5 mm 口徑目標的理想最大探測距離在11.9 m 左右，該探測技術(shù)適用于室內(nèi)檢測。實驗研究了部分攝像頭的反射光譜，通過分段最小二乘法直線擬合的方式分析了非反射光占比曲線變化趨勢。研究表明，吸收型紅外截止濾光片導(dǎo)致目標的非反射光占比曲線變化平緩且數(shù)值高，反射型紅外截止濾光片導(dǎo)致曲線可見光部分數(shù)值高，紅外部分數(shù)值低，從700 nm 附近開始下降，甚至在600 nm～700 nm 之間發(fā)生突變，實驗數(shù)據(jù)顯示突變位置的斜率絕對值是700 nm～900 nm 斜率絕對值的10倍以上。實驗結(jié)果符合原理分析所預(yù)測的兩種情況?；诠庾V特征的檢測方式為微小攝像頭的檢測提供了一種新思路。