В Новгородском государственном университете создали гиперспектральное телевизионное устройство. Оно снимает объект в сотнях узких участков спектра и позволяет прямо во время съёмки судить о его химическом составе. Первая задача прибора — находить зерно, поражённое грибком. Конструкцию изначально задумали так, чтобы её можно было перенастроить для экологии, медицины и изучения живописи.
Зерно в потоке
Обычная камера раскладывает изображение на три цвета: красный, зелёный и синий. Гиперспектральная камера (снимающая множество узких спектральных полос) фиксирует сотни каналов. Каждое вещество отражает свет по-своему, поэтому такой набор снимков помогает различать материалы, которые глазу кажутся одинаковыми.
Для сельского хозяйства это важно из-за грибов рода Fusarium. Они поражают пшеницу и выделяют микотоксины — яды, которые накапливаются в организме людей и животных. Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН прогнозирует, что в 2026–2027 годах мировое потребление пшеницы достигнет 802,5 млн тонн, и заметная доля урожая может оказаться заражённой.
Привычные способы проверки зерна требуют дорогого оборудования и много времени. На конвейере же зёрна идут сплошным потоком, и решение о каждом нужно принимать мгновенно.
Фильтр, камера и микроконтроллер
Основа прибора — интерферометр Фабри — Перо (оптический фильтр, который пропускает лишь узкую полосу спектра). За ним стоит телевизионная камера, которая регистрирует прошедший через фильтр свет. Микроконтроллер шаг за шагом перестраивает интерферометр по диапазону длин волн и сохраняет каждый кадр в память. Из серии таких снимков складывается спектральная картина объекта.
У каждой области применения свои требования. Нужны разные спектральные диапазоны и разная устойчивость к помехам: условия съёмки в поле, в операционной и в музее сильно отличаются. Поэтому разработчики сделали не узкоспециальный прибор, а универсальную платформу.
Помеха, которую вычитают
Главная трудность была связана с самим интерферометром. Помимо нужной длины волны он пропускает и кратные ей — дополнительные интерференционные моды. Они накладываются на полезный сигнал и искажают результат.
Чтобы избавиться от этого эффекта, в конструкцию добавили блок вычитания. Это программа в микроконтроллере, которая попиксельно, для каждой точки кадра, вычитает одно изображение из другого. По словам аспиранта Дмитрия Серебрякова, работа идёт в два этапа. Сначала прибор настраивается на длину волны паразитной моды и запоминает полученный кадр как шумовой шаблон. Затем он перестраивается на рабочую длину волны и снимает кадр, где есть и полезный сигнал, и та же помеха. После вычитания шаблона остаётся только нужный сигнал. Вместе с паразитными модами из кадра уходят тепловые шумы камеры и фоновая засветка.
Компьютерное моделирование показало: без компенсации сигнал искажён лишними модами, а после вычитания на выходе остаётся один узкий пик на нужной длине волны. При этом прибор проще аналогов. Ему не нужны дорогие многоканальные матричные фотоприёмники и сложные алгоритмы обработки.
От злаков до живописи
Поиск заражённого зерна — первое, но не единственное применение. В экологии гиперспектральные системы на беспилотниках позволят оценивать состояние растительности и загрязнение водоёмов по спектру отражённого света.
В медицине такая съёмка помогает бесконтактно отличать здоровые ткани от поражённых, потому что они по-разному отражают свет. Например, так можно определять границы опухоли без биопсии.
В искусствоведении у каждого пигмента свой спектральный «отпечаток». Съёмка позволяет заглянуть под верхний слой краски, найти скрытые рисунки, отличить авторскую краску от поздних реставрационных вставок и распознать подделку. Полотно при этом не повреждается.
Чтобы перейти от одной задачи к другой, достаточно сменить спектральный диапазон.
Кто работал и что дальше
Устройство создали в лаборатории «Техническое зрение» НовГУ. Над ним работали заведующий лабораторией, кандидат технических наук Владимир Гареев, ведущий инженер Михаил Гареев, доктор технических наук, доцент Николай Корнышев и ассистент, аспирант Дмитрий Серебряков. Исследование опубликовано в журнале «Инновации в технике и технологиях».
Пока это прототип. Он выдаёт чистые спектральные кадры, когда объект неподвижен, а освещение постоянно, и хорошо справляется с плавно меняющимися сценами. Следующий шаг — научить систему работать, когда всё движется и свет меняется.
