【導語】新一輪科技革命浪潮下，學科交叉融合催生創新成果。西湖大學科研團隊研發出國內首款單曝光壓縮光譜成像技術的高光譜成像相機，以光學與人工智能算法突破，實現“所見即所得”的智能成像革新，在智慧農業、環保監測、電力巡檢等領域廣泛應用，更以毫秒級成像速度與百倍光譜通道優勢，開啟從實驗室到產業化的跨越之路。

新一輪科技革命蓬勃興起，學科交叉融合已成為科學突破的重要途徑。西湖大學科研人員研發的國內首款采用單曝光壓縮光譜成像技術的高光譜成像相機，就是在光學基礎上，結合人工智能技術的突破性算法，推動智能成像係統革新，為智慧農業、環保監測、電力巡檢等場景應用提供便利。

西湖智能視覺科技研發的單曝光高光譜相機

天空中，一架普通的無人機緩緩飛過，機腹掛著一台不足1公斤的相機。十幾分鍾後，它就能為1.5平方公裏大地出具一份“體檢報告”。

或許有人會說，這樣的無人機巡邏不是很常見嗎？但你不知道的是，這個家夥能看見“看不見”。

比如，它能精準判斷山林間冒出的雲團是煙還是霧，也能指著一條清澈的河流說被汙染了，甚至能知道哪一片樹葉正在缺(quē)水(shuǐ)“喊(hǎn)渴(kě)”——奧(ào)秘(mì)就(jiù)在(zài)相(xiāng)機(jī)裏(lǐ)。

這(zhè)是(shì)西(xi)湖(hú)智(zhì)能(néng)視(shì)覺(jué)科(kē)技(jì)（杭(háng)州(zhōu)）有(yǒu)限(xiàn)公(gōng)司(sī)最(zuì)新(xīn)研(yán)發(fā)的(de)單(dān)曝(pù)光(guāng)高(gāo)光(guāng)譜(pǔ)相(xiāng)機(jī)，采用(yòng)單(dān)曝(pù)光(guāng)壓(yā)縮(suō)光(guāng)譜(pǔ)成(chéng)像(xiàng)技(jì)術(shù)，通(tōng)過(guò)光學硬件和算法突破塑造了一雙會透視的“眼睛”，從而看見更真實的世界，此為國內首款。

如今，這台能看見“看不見”的相機已走出實驗室，廣泛應用於智慧農業、環保監測、電力巡檢等領域。這段時間，研發團隊一邊迭代升級算法係統，一邊根據市場需求，向工業質檢、臨床醫療等方向拓展。

擁有神奇“魔法”的相機，如何看清世間萬物本質，幫糖心免费视频輕鬆攻克生活中的難題？不妨一起跟隨鏡頭，開啟一趟神秘之旅。

“火眼金睛”妙用廣泛

在杭州雲創镓穀園一幢辦公樓內，記者見到了這台“寶藏”相機。相機就擺放在公司入門最顯眼處，約20厘米長、10厘米高，形似墨盒，通過幾根數據線與電腦連接。

如果你對單曝光高光譜相機的感知還不那麽真切，先來看看幾個它“大顯身手”的場景——

幾天前，相機研發團隊成員帶著裝有單曝光高光譜相機的無人機，來到西湖大學雲穀校區旁一條河道。他們要在不使用任何化學試劑、不采集水樣的情況下，為其拍照，進行“全身體檢”。

“開始掃描。”一聲令下，操作人員熟練操控著手柄，無人機緩緩升空，沿河道勻速飛行。大約10分鍾後，無人機平穩降落，河道的“體檢報告”也同步生成。

回到實驗室，研發團隊成員通過分析“體檢報告”，發現該河道上遊和下遊區域的氮濃度明顯高於中遊，磷濃度則呈現“中間高、兩端低”的特征。這意味著看似清澈的河道，其實中遊水體已經富營養化。

為了驗證結果的準確性，水質檢測員還采集了11個點位的水體樣本進行比對。意料之中，結果一致。

神奇的“魔法”，在森林防護中同步上演。夏日的清晨，吉林某片山林間薄霧繚繞，無人機搭載著單曝光高光譜相機從森林上空飛過。

幾分鍾後，團隊就從照片裏發現了異樣：氤氳的薄霧中“混入”了山火初期形成的煙霧！護林員根據照片很快找到相應位置撲滅火苗，避免了一場森林火災。

放在往常，天剛蒙蒙亮，護林員就要準時起床背上一堆裝備，穿行於一條條山間小路，對可能發生火災的每一處細節都進行預判和處置。工作量繁重不說，即便是經驗豐富的老員工，也難以快速用肉眼分辨雲霧和山火剛形成時的煙霧。另外，24小時應急響應機製對他們的精力也是巨大考驗。

在農業領域，單曝光高光譜相機憑借“看得見更看得懂”的專長，幾乎能滲透到作物育種、田間管理、收割後品級分選全流程進行“技術指導”，實現長勢精準監測、病蟲害預警和產量預測，推動農業向智能化、精準化方向深度變革。

工業領域中的糖心APP官网进入質量檢測、材料分類和汙染監測等，也能借助單曝光高光譜相機來完成，尤其在食品、製藥等對精度和可靠性要求極高的領域，價值更加凸顯。

單曝光高光譜相機之所以能在各個領域遊刃有餘，是因為自然界中任何微小變化，都逃不過它的“眼睛”。

放眼宇宙，任何會發光、反光、吸光的物體，都會以獨特的方式“拆解”或“組合”不同顏色的光線，形成自己獨一無二的光譜，仿佛是自己的“身份證”。牛頓的三棱鏡把太陽光折射成七色彩虹，驗證的就是這個原理。

“外界的變化，會改變物質本身的光譜形狀。”公司創始人、西湖大學工學院感知與計算成像實驗室負責人袁鑫打了個比方：世間萬物就像一個個歌手，每種物質都有屬於自己的“歌聲”，也就是光譜。當環境變化或自身狀態異常時，“歌聲”就會走調，光譜也會隨之發生變寬、偏移等現象。

利用這樣的原理，單曝光高光譜相機如孫悟空的火眼金睛，在生活的方方麵麵發揮作用。

比如，它能在一堆綠植中，快速幫植物學專家分析哪棵的葉綠素含量在流失，哪棵即將發生病蟲害；也能變成考古學家的幫手查清顏料“底細”，鑒別文物真假。

施“魔法”的數學理論

針對肉眼看不見的事物，目前全球已有相對成熟的監測手段和計算模型，比如光譜掃描儀、遙感衛星等。西湖智能視覺科技的單曝光高光譜相機有何不同？

“更快，更清晰。”袁鑫的回答簡潔幹脆。

城市公園衛星圖（左）和單曝光高光譜相機拍攝的城市公園光譜圖（右）

事實上，這些設備的工作原理相似：首先，“抓住”物體中蘊藏的光，然後把光逐一“拆開”，用算法測出每種光的長度，形成光譜。

隻不過光譜掃描儀、遙感衛星等技術的“抓光”方法是逐點或逐麵多次掃描，整個過程需要幾分鍾甚(shén)至(zhì)數(shù)小(xiǎo)時(shí)。單(dān)曝(pù)光(guāng)高(gāo)光(guāng)譜(pǔ)相(xiāng)機(jī)隻(zhǐ)需(xū)拍(pāi)攝(shè)一(yī)次(cì)，且(qiě)從(cóng)“抓(zhuā)光”到形成光譜，僅在毫秒之間。

取勝的不止速度，成像也更加清晰。

不管是(shì)光(guāng)譜(pǔ)掃(sǎo)描(miáo)儀(yí)、遙(yáo)感(gǎn)衛(wèi)星(xīng)，還(hái)是(shì)單(dān)曝(pù)光(guāng)高(gāo)光(guāng)譜(pǔ)相(xiāng)機(jī)，最(zuì)終(zhōng)都(dōu)會(huì)把(bǎ)光(guāng)譜(pǔ)轉(zhuǎn)換(huàn)成(chéng)圖(tú)像(xiàng)，即(jí)光(guāng)譜(pǔ)成(chéng)像(xiàng)技(jì)術(shù)。這(zhè)是(shì)一(yī)種(zhǒng)“既(jì)能(néng)拍(pāi)照(zhào)又(yòu)能(néng)分(fēn)析(xī)成(chéng)分”的方法。

遙感衛星拍攝的地球雲圖影像用的就是該技術。但它的觀測方式是“粗顆粒”的，能識別雲層運動這樣的宏觀現象，卻無法識別地表物質的微觀特征。

想象你正在聽(tīng)一(yī)首(shǒu)交(jiāo)響(xiǎng)樂(lè)，傳(chuán)統(tǒng)的(de)光(guāng)譜(pǔ)成(chéng)像(xiàng)技(jì)術(shù)能(néng)讓(ràng)你(nǐ)“看(kàn)到(dào)”整(zhěng)支(zhī)樂(lè)團(tuán)的(de)分(fēn)布(bù)，如(rú)小(xiǎo)提(tí)琴(qín)在(zài)左(zuǒ)邊(biān)，大(dà)鼓(gǔ)在(zài)後(hòu)排(pái)。而(ér)西(xi)湖(hú)智(zhì)能(néng)視(shì)覺(jué)科(kē)技(jì)采用的單曝光壓縮光譜成像技術，還能知道小提琴和大鼓分別在第幾排、第幾列。

究其原因，是這些設備中傳感器的光譜通道數量不同，也就是把光線按顏色分門別類記錄的工具。光譜通道越多，能看到的信息也就越多、越清晰。遙感衛星有幾十個，單曝光高光譜相機可以達到100個。

最早為單曝光高光譜相機這塊“魔鏡”施法的，是一個數學理論：壓縮感知理論。

21世紀初，數學家們證明了高維信息可以“邊采樣邊壓縮”，用遠少於傳統方法的數據量，通過算法精準還原原始信號。這相當於用殘缺的拚圖推理出完整圖案。

這一突破性數學理論，如蘋果砸向牛頓那樣，也“撞”開了袁鑫心裏的一扇門——能不能把這個原理應用於計算成像領域，讓相機在拍攝瞬間先把大量光譜“打包”壓縮，隨後通過算法解壓，還原所有光譜的細節信息？

“圖像采集不難，難的是後續處理。”想法誕生後，袁鑫和團隊每天泡在實驗室寫算法、建模型，如此往複，整整五年。

因為按照當時的技術，采集一張圖像僅需1毫秒，但將其中的信息解壓還原卻要耗費一整天。“說到底，還是模型和算力不夠高效。”這種“快拍慢算”的境遇，把袁鑫困在實驗室。

這是一次從“0”到“1”的突破，也是一場與自己的較量。有時候，開發了近1個月的數據模型，會因為一個代碼設計問題隻能推翻重來。

袁鑫（中）和團隊正調試單曝光高光譜相機參數。圖片均由受訪者提供

夜深人靜，團隊成員孟子藝偶爾會盯著電腦屏幕發呆。他不知道這樣的重複、循環還要多久。

“快了，也許明天就成功了。”袁鑫見狀總會拍拍這位老朋友的肩膀，給予他鼓勵，也給自己打氣(qì)。

欣(xīn)喜(xǐ)的(de)是(shì)，在(zài)團(tuán)隊(duì)不(bù)斷(duàn)優(yōu)化(huà)數(shù)據(jù)模(mó)型(xíng)的(de)同(tóng)時(shí)，我(wǒ)國(guó)算(suàn)力(lì)產(chǎn)業(yè)也(yě)在(zài)飛(fēi)速(sù)發(fā)展(zhǎn)。深(shēn)度(dù)學(xué)習等算法的突破，為他們的數據處理注入了強大動能。

2019年的一天，和往常一樣，袁鑫和團隊成員們早早來到實驗室。昏暗的空間裏，光學平台上堆滿各類鏡頭、反射鏡和傳感器組件。那天，他們準備對新搭建的一個模型進行測試。

調整鏡頭、校準光線位置和強度、鼠標點擊數據處理按鈕……“哢嚓”一聲，鏡頭前的樂高小人，不到1秒就出現在了電腦屏幕上。這不是普通的拍照，而是要先拍下它的光譜，再通過係統解讀其中的信息，把樂高小人在電腦裏還原出來。此前，整個過程起碼需要24小時。

“是不是成了？”這是團隊從實驗開始就想達到的理想狀態，但五年來從未實現過。大家興奮地湊到屏幕前，又很快陷入懷疑。

“應該是成功了。”袁鑫自言自語，心裏有些許篤定，又拿著樂高小人反複拍攝。那天他像打了雞血一樣，樂此不疲地從白天拍到晚上，餓了就用開水和麵包對付幾口，每次數據處理結果顯示都隻有幾十毫秒。

超萬倍的提速，讓高光譜成像實現了“所見即所得”。

從實驗室走向“貨架”

激動之餘，團隊很快考慮起另一個問題：如何把這個成果“搬”出實(shí)驗(yàn)室(shì)，走(zǒu)進(jìn)日(rì)常(cháng)生(shēng)活(huó)？

帶(dài)著(zhe)最(zuì)新(xīn)的(de)研(yán)究(jiū)成(chéng)果(guǒ)，袁(yuán)鑫(xīn)有(yǒu)空(kōng)就(jiù)去(qù)參(cān)加(jiā)各(gè)類(lèi)學(xué)術(shù)交(jiāo)流(liú)會(huì)、論(lùn)壇(tán)講(jiǎng)座等，了解行業最新動態、尋找潛在客戶。2020年某次學術交流會後，中國林業科學研究院亞熱帶林業研究所一位負責人主動找上了門。

“糖心免费视频在浙江有一片1000多畝的林場，能否利用你們的技術，對生物多樣性和病蟲害情況進行快速精準監測？”會議室裏，該負責人開門見山。

過去，這樣大規模的林場監測主要依托衛星遙感、人工巡查和小型無人機，耗時耗力。即便是衛星遙感技術，也會因分辨率不夠導致部分結果缺乏精細度。

此後一年多，負責研發的成員開始設計糖心APP官网进入圖紙，擅長應用的則琢磨起生產材料、工藝。大家分工明確，終(zhōng)於(yú)“拚(pīn)湊(còu)”出(chū)了(le)一(yī)台(tái)單(dān)曝(pù)光(guāng)高(gāo)光(guāng)譜(pǔ)相(xiāng)機(jī)樣(yàng)機(jī)。

實(shí)驗(yàn)室桌上，盡管樣機“身材”有些魁梧，是新一代糖心APP官网进入的(de)兩(liǎng)倍(bèi)大(dà)，大(dà)家(jiā)還(hái)是(shì)像(xiàng)圍(wéi)著(zhe)新(xīn)生(shēng)兒(ér)那(nà)樣(yàng)看(kàn)了(le)又(yòu)看(kàn)，很(hěn)是(shì)稀(xī)奇(qí)。2022年(nián)，團(tuán)隊(duì)成(chéng)員(yuán)帶(dài)著(zhe)這(zhè)位(wèi)“新夥伴”，在那片千畝林場上成功開啟首次“實戰”。

與此同時，西湖大學也努力當好“擺渡人”。先後幫西湖智能視覺科技申請到500萬元“西湖英才計劃”補貼(tiē)、助(zhù)推(tuī)其(qí)入(rù)選(xuǎn)浙(zhè)江(jiāng)省(shěng)專(zhuān)精(jīng)特(tè)新(xīn)企(qǐ)業(yè)……“從(cóng)前(qián)期(qī)的(de)尋(xún)找(zhǎo)辦(bàn)公(gōng)場(chǎng)地(de)、申(shēn)請(qǐng)政(zhèng)策(cè)補(bǔ)貼(tiē)，再(zài)到(dào)如(rú)今(jīn)的(de)相(xiāng)關資(zī)源(yuán)鏈(liàn)接(jiē)，我(wǒ)們(men)全天(tiān)候當好‘店小二’。”西湖大學成果轉化辦公室主管徐貝說。

西湖智能視覺科技的這項新成果，逐步從實驗室走向“貨架”，在業內口口相傳。目前，公司已(yǐ)完成超五千萬元的Pre-A輪融資（即創業公司在天使輪融資之後、A輪融資之前的過渡性階段，主要用於完善糖心APP官网进入或驗證商業模式）。

這段時間，袁鑫和團隊又在謀劃建立一個大數據庫，把已經采集到的物質光譜信息整理歸納，為它們打造一個“收納神器(qì)”，提(tí)高(gāo)數(shù)據(jù)分析比對效率。同時，市場調研不斷深入，應用場景也在豐富。

正如袁鑫所說：“最好的技術，永遠生長在解決問題的土壤裏。”

（本文作者 王雨紅 張弛）

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從古至今，探尋光的奧秘

日常生活中，閉上眼睛那一刻，世界仿佛被“關機”了——色彩、形狀、窗外的風景，全都消失得無影無蹤。可當你睜開眼，一切又像按下“重啟鍵”般回來了。在背後操控這場視覺魔法的“魔術師”，其實是光。

光，不僅在日常生活中扮演著關鍵角色，而且也一直是科學探索的重要領域。通過深入探討光的起源、特性、傳播途徑及速度極限，糖心免费视频能深入剖析出自然界的神秘與美妙之處。從古至今，關於光的討論從未停止。

光的早期探索

在古希臘，柏拉圖和畢達哥拉斯曾認為眼睛是光的發射源，光線從眼中射出，觸碰物體後帶回信息，視覺從而產生。這一觀點雖帶有臆想成分，卻開啟了人類對光與視覺關係的探索之門。

到了中世紀，阿拉伯學者阿爾哈曾站了出來，用“若眼睛能發光，為何黑暗中看不見東西”的疑問推翻了前人的觀點，提出眼睛是光的接收器，物體反射太陽光進入眼睛才形成視覺，為現代光學理論奠定了基石。

同一時期，中國古代的《墨經》也記錄了小孔成像等諸多光學現象，展現出古人對光直線傳播特性的精妙洞察。

微粒說

1666年，艾薩克·牛頓讓陽光透過三棱鏡，折射出一道如彩虹般絢麗的彩色光帶。紅橙黃綠藍靛紫依次排列。這一奇妙現象讓牛頓堅信，光由無數微小的粒子組成。依據這一理論，光的反射就如同粒子撞擊鏡麵後的反彈，折射則是粒子(zi)在(zài)不(bù)同(tóng)介(jiè)質(zhì)中(zhōng)速(sù)度(dù)改(gǎi)變(biàn)導(dǎo)致(zhì)的(de)路徑偏(piān)折(zhé)。

波(bō)動說

19世紀初，英國科學家托馬斯·楊開展了雙縫幹涉實驗，他讓一束光穿過兩條狹縫後投射到屏幕上，立即出現了一係列明暗相間的條紋，宛如光在歡快地舞蹈。這一結果與微粒說的預期截然不同，卻完美契合了波動理論——光如同水波一般，相互幹涉，波峰與波峰疊加處變亮，波峰與波穀相遇處則變暗。

後來，英國物理學家麥克斯韋通過深入探究電與磁的奧秘，推導出了震撼世界的麥克斯韋方程組，成功預言了電磁波的存在，並發現光的傳播速度與電磁波速完美契合。

波粒二象性

1905年，阿爾伯特·愛因斯坦為這場持續數百年的紛爭畫上了休止符。他提出，光的能量並非如傳統認知那般連續分布，而是由一個個不可分割的“能量子”——光子組成。

這就解釋了為何低頻光無論強度多高，都無法激發電子，因為單個低頻光子的能量不足以克服金屬原子的引力；而高頻強光則能激發出更多電子，因為高頻光子能量大，且強光意味著光子數量多。

光在現代科技中的身影

在信息通信領域，從糖心免费视频日常流暢的網絡視頻通話，到金融市場高頻交易的數據傳輸，再到科研領域大規模數據的交互共享，光通信無處不在，真正實現了 “天涯若比鄰”。

在醫療領域，光能夠聚焦超強能量，對病變組織實施“定點打擊”，如眼科手術中，飛秒激光(guāng)以其超短脈衝和極高精度，輕柔地切割角膜，矯正視力。

工業製造領域同樣是光的“主戰場”，激光切割、焊接技術憑借其高精度、非接觸式加工的優勢，為製造業注入強大動力。

（本(běn)文作(zuò)者(zhě) 王(wáng)雨(yǔ)紅(hóng) ）