基于高光谱成像技术的微小摄像头检测技术

汪 林，张海洋，黄嘉昊，屈嘉惠，赵长明，张子龙

（1.北京理工大学 光电成像技术与系统教育部重点实验室，北京 100081；2.北京理工大学 光电学院，北京 100081）

引言

微小摄像头因成本低廉得到广泛应用，甚至被非法使用，严重威胁人们的隐私安全甚至重要场合的信息安全。检测隐藏摄像头的方式众多，目前光学方面主要是猫眼效应[1-2]，其设备结构简单，但检测微小镜头多有不足：检测高亮光斑，对形状尺寸与镜头相近的干扰物容易误判；进入微小镜头的激光少，反射光弱，信噪比低；离焦、倾斜等会降低光斑能量。为解决猫眼效应检测方式的不足之处，提出一些其他光学探测手段，例如光斑形态学特征识别[3-6]、激光脉冲检测[7]、空间调制激光扫描[8]、偏振激光检测[9]、光学色差检测[10-11]及单光子计数检测[12-13]等，利用镜头反射光谱特征的检测方法未见相关技术报道。

成像光谱仪采集的图像包含三维信息，即二维空间信息以及第三维的光谱信息，可将猫眼效应作为辅助探测手段，检测空间成像的高亮光斑，初步确定目标的成像位置，从而针对性地分析光谱，减少计算量，加快识别速度，提高系统探测效率，降低虚警率。实验时，利用宽光谱光源照明微小摄像头，通过成像光谱仪收集反射光的图像和光谱信息，利用猫眼效应初步筛查探测目标，提取高亮位置光谱，依据光谱特征识别摄像头。

从光谱特征、推扫型成像光谱仪结构以及探测距离等方面阐述了探测原理，通过功率传输和物像关系计算探测范围，针对不同直径的照明光束，仿真了探测面辐照度与探测距离的关系。实验探究了部分典型可见光摄像头的反射光谱，以非反射光的占比曲线进行特征分析，采用最小二乘直线拟合，研究了曲线的变化趋势。

1 检测原理

1.1 光谱特征

CCD 或CMOS 在可见光成像系统中应用广泛，但它们对可见光和近红外光均比较敏感，为防止红外成像对可见光成像造成干扰，许多可见光成像系统采用红外截止滤光片（IR-cut filter，以下简称IRCF）。

IRCF 按原理可分为2 类[14-15]：吸收型和反射型。吸收型滤光片通过材料吸收滤除红外光，其中蓝玻璃滤光片广泛应用于摄像头，其光谱透过率如图1所示。蓝玻璃易潮解，通常在表面镀可见光增透膜，保护材料及增加可见光透过率；反射型IRCF 在普通白玻璃上镀红外截止膜，对红外光高反射，通常在镜头上镀可见光增透膜。

图1 典型蓝玻璃滤光片透过率曲线图Fig.1 Transmittance curves of typical blue glass filters

在宽光谱光源的照射下，反射光谱存在2 种情况：吸收型滤光片，由于红外光被吸收，可见光有较高透过率，反射光谱中各个波段的能量均较低，若在滤光片上镀可见光增透膜，在700 nm附近可能存在能量突变；反射型滤光片，光学系统对红外光高反射，对可见光高透过，反射光谱中可见光波段能量低，红外波段能量高，交界处存在能量阶跃。

1.2 推扫式高光谱相机结构及参数

实验采用光栅色散型推扫式高光谱相机GaiaField-F-V10，其结构如图2所示，包含前置系统、狭缝、准直系统、衍射光栅、成像系统及面阵CCD 探测器，其参数如表1所示。

表1 推扫式高光谱相机GaiaField-F-V10 参数及规格Table 1 Parameters and specifications of sweeping hyperspectral camera GaiaField-F-V10

图2 推扫式高光谱相机GaiaField-F-V10 结构图Fig.2 Structure diagram of sweeping hyper-spectral camera GaiaField-F-V10

1.3 成像光谱仪物像关系计算

目标在成像光谱仪探测器上所成像不小于1 个像元，才能被提取光谱。狭缝与面阵探测器满足物像关系，狭缝成像在面阵探测器上；目标与狭缝满足物像关系，狭缝位于准直系统的前焦面。目标经前置系统成像在准直系统的前焦面[16-17]，忽略衍射，狭缝等效于孔径光阑。

已知GaiaField-F-V10 前置系统、狭缝以及面阵CCD 探测器参数，准直系统、衍射光栅及成像系统参数未知。为简化计算，将目标与面阵探测器的物像关系转换为目标与狭缝的物像关系，忽略狭缝衍射。探测目标与狭缝之间的物像关系如图3所示。

图3 探测目标与狭缝之间的物像关系Fig.3 Object-image relationship between detection target and slit

1.4 探测功率计算

为简化计算，假设光谱宽度为400 nm，照明光束为平面波，探测目标为朗伯体，可将探测目标视为均匀发光源。目标大小远小于探测距离，忽略反射面弯曲，视为均匀发光平面，如图4所示。

图4 光路传输示意图Fig.4 Schematic diagram of optical path transmission

图5 面阵CCD 探测器辐照度与探测距离关系曲线Fig.5 Relation curves of area array CCD detector irradiance and detection distance

2 实验与分析

2.1 实验装置

实验装置如图6所示，包含宽光谱光源、高光谱相机、分束镜及计算机。宽光谱光源照射微小摄像头，光线反射后进入高光谱相机，计算机处理空间和光谱数据，识别探测目标，并控制宽光谱光源和高光谱相机。实验验证光谱特征能否作为微小摄像头的判别依据，较近的探测距离便于选中成像范围，提取光谱特征。实验中探测距离设置为0.5 m。

图6 实验装置结构Fig.6 Structure diagram of experimental device

检测多种微小目标，如表2所示，包含4 个手机摄像头，1 个常规摄像头，2 个微小摄像头，1 个灯泡中的微小摄像头，1 个强反射白色金属，如表2所示，已知目标A、B、D、E、G 中包含反射型IRCF，目标C、F 中包含吸收型IRCF。

表2 探测目标说明Table 2 Description of detection targets

2.2 实验结果及分析

通过非反射光（透射或吸收）的光谱功率Pnr(λ)在照射光谱功率Psr(λ)中的占比η(λ)反映滤光情况，η(λ)在可见光波段表示透过率，在红外波段，若采用反射型IRCF，η(λ)表示透过率，其数值低；若采用吸收型IRCF，η(λ)表示吸收率，其数值高。非 反射光占比计算如（17）式所示：

式中：Pr(λ)为反射光谱功率。目标位置的照射光谱难以获得，通过将光源光谱和Pr(λ)曲线在两端进行数值匹配，得到Psr(λ)，因此透过率或吸收率曲线（下文简称η(λ)曲线）两端误差较大。

对η(λ)曲线分段直线拟合，计算斜率，并研究其变化趋势。图7、图8、图9、图10 表明，η(λ)曲线在500 nm以下和900 nm以上的变化趋势不稳定，误差大，拟合波长范围选为500 nm～900 nm。实验获得的η(λ)曲线，均在500 nm～600 nm 和700 nm～900 nm 范围内，变化小，部分曲线在600 nm～700 nm范围内存在突变。为体现突变，将波长范围细分为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，采用最小二乘法拟合。实验所得可见光成像系统η(λ)曲线的分段直线拟合斜率如表3所示。

图10 常规摄像头透射或吸收情况Fig.10 Transmission or absorption of conventional camera

表3 可见光成像系统η(λ)曲线的分段直线拟合斜率Table 3 Segmented straight line fit slope of η(λ)curve of visible light imaging system(×10-4nm-1)

B、D 分别为智能手机和老式手机的后置摄像头，透射或吸收情况如图7所示，可见光部分的透过率高，红外部分反射率高。B 的η(λ)曲线在700 nm骤然下降，D 的曲线变化平缓，两者在可见光和红外光的η(λ)值均差异明显。

图7 手机后置摄像头透射或吸收情况Fig.7 Transmission or absorption of rear camera of phone

如表3所示，B 和D 在可见光部分的透过率呈上升趋势，但幅度小。B 的拟合直线在600 nm～700 nm 之间，最小斜率为-7.0×10-3nm-1，绝对值大，B 的η(λ)曲线发生突变，镀膜较好；B 在700 nm～900 nm 波段，斜率接近0，吸收率曲线较稳定，而D 的斜率为负且绝对值较大，持续波段较长，吸收率曲线持续以较快速度下降。可判断B 和D包含反射型IRCF。

手机前置摄像头透射或吸收情况如图8所示，A、C 来自智能手机。A 在可见光和红外的η(λ)值差异较明显，曲线在700 nm附近缓慢下降。C 在整个波段的η(λ)值较高，700 nm附近有小突变，整体上可见光波段的η(λ)值更大。

图8 手机前置摄像头透射或吸收情况Fig.8 Transmission or absorption of front camera ofmobile phone

如表3所示，A、C 在可见光部分的透过率呈缓慢上升趋势。C 的拟合直线在600 nm～700 nm存在数值为负、绝对值较大的斜率，值为-1.4×10-3nm-1，C 的η(λ)曲线在该波段有较小突变；C 在700 nm～900 nm 波段，斜率趋近0，吸收率曲线基本不变。A的斜率在红外波段为负值，绝对值较大，吸收率曲线较快下降。判定目标A 包含反射型IRCF，目标C 采用吸收型IRCF，C 镀有可见光增透膜。

普通微小摄像头透射或吸收情况如图9所示，H 隐藏在灯泡中，F 和H 在可见光和红外波段的η(λ)值较高，曲线变化缓慢，G 的曲线在可见光波段较平稳，在红外波段则以相对较快的速度降低。

图9 微小摄像头透射或吸收情况Fig.9 Transmission or absorption of tiny camera

如表3所示，F 和H 全波段拟合直线斜率均趋近于0，η(λ)曲线变化缓慢。G 在可见光波段的斜率为正且接近0，透过率基本不变，而红外波段的斜率为负，绝对值相对较大，透过率曲线变化幅度相对较大。判定目标G 包含反射型的IRCF，目标F 和H 采用吸收型IRCF。

一种常规摄像头的反射光谱，如图10所示，E 在实验结果中效果最明显，在可见光波段有较高透过率，在红外波段透过率骤降，两者数值差异在此次实验中最大。

如表3所示，在600 nm～700 nm 范围内，存在一个数值为负、绝对值很大的斜率，其值为-4.8×10-3nm-1，η(λ)曲线在该波段骤降。在500 nm～600 nm 和700 nm～900 nm波段，斜率接近0，η(λ)值基本不变。可以判定目标E 采用反射型IRCF。

实际探测微小目标时会辅以猫眼效应设备，成像光谱仪主要探测其检测出的高亮区域，对检测结果造成干扰的主要是强反射体。如图11所示，I 是一种白色金属，具有强反射特性，对各波段的光吸收率较小，即η(λ)值偏低，可以通过比较探测目标的η(λ)（吸收率）数值大小进行筛查。

图11 白色强反光干扰物光线吸收情况Fig.11 Absorption of light of white strong-reflective interferent

如表3所示，实验所得的η(λ)曲线均在可见光波段变化缓慢，斜率绝对值最大为3.6×10-4nm-1，在红外波段有缓慢变化和快速下降两种情况，斜率绝对值最大为1.7×10-3nm-1，最小为5.7×10-5nm-1。曲线若在600 nm～700 nm 范围内存在突变，所得实验数据显示该波段斜率最小值的绝对值是700 nm～900 nm 波段斜率绝对值的10 倍以上。

3 结论

在成像光谱技术的基础上，提出了一种通过图像和光谱信息识别微小摄像头的探测技术。利用猫眼效应确定疑似目标，利用光谱特征精准判定微小摄像头。分析了可见光摄像头因为包含红外截止滤光片而可能存在的反射光谱特征。建立了计算探测距离的数学模型，光照充足的情况下，最大探测距离受目标大小影响，最小探测距离受光功率影响。计算数据显示，5 mm 口径目标的理想最大探测距离在11.9 m 左右，该探测技术适用于室内检测。实验研究了部分摄像头的反射光谱，通过分段最小二乘法直线拟合的方式分析了非反射光占比曲线变化趋势。研究表明，吸收型红外截止滤光片导致目标的非反射光占比曲线变化平缓且数值高，反射型红外截止滤光片导致曲线可见光部分数值高，红外部分数值低，从700 nm 附近开始下降，甚至在600 nm～700 nm 之间发生突变，实验数据显示突变位置的斜率绝对值是700 nm～900 nm 斜率绝对值的10倍以上。实验结果符合原理分析所预测的两种情况。基于光谱特征的检测方式为微小摄像头的检测提供了一种新思路。