CN101493884A - 多光谱图像采集装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多光谱图像采集装置和方法。该装置至少包括红外传感器(1)、设备外壳(2)、毛玻璃(4)、多光谱光源电路(5)、装置横板(6)、CCD摄像头(7)、电源电路(8)和单片机控制电路(9)。该装置和方法在多光谱条件下，用400至1060nm单波段和/或组合波段主动光照射手掌以实现图像拍摄，采用计算机软件控制的方式进行光源调节，实现高质量的图像获取、显示与存储。利用本发明可以获得高质量、多光谱条件下的手掌图像，同时获取掌纹，指纹和手掌静脉等信息，从而解决活体检测难题，提高手掌生物特征识别系统的准确率和安全性。
Description
技术领域
本发明涉及生物特征识别，光学技术，电子电路技术等领域，特别是涉及待采集物体(例如手掌、手背、手腕以及身体其他部位皮肤)检测采集技术，为生物特征识别、计算机视觉和图形学、医学美容等领域提供了一种新的信息获取设备。
背景技术
生物特征识别技术通过获取和分析人体的生理和行为特征，用于个体身份的自动鉴别。在广阔应用前景的驱动下，目前生物特征识别已成为模式识别、图像处理、计算机视觉等领域的热门研究课题，新模态、新装置、新理论、新方法层出不穷，引导和推动相关学科的快速发展。同时，生物特征识别又是一项面向国家信息安防领域战略需求的应用技术，在公安司法、边检通关、银行证券、社保福利、信息网络、门禁考勤等领域都有广阔的应用前景。2006年颁布的《国家中长期科学和技术发展规划纲要》在谈到公共安全重点领域以及前沿信息技术的部署时，都明确提出要重点研究生物特征识别和快速筛查与证实技术。
目前人们研究和使用的生物特征识别技术主要有：人脸识别、虹膜识别、手形识别、指纹识别、掌纹识别、签名识别、声音识别。在众多识别方法中，可以看出人体的重要部分——手掌，它同时包含指纹，掌纹，手掌静脉等众多特征信息。
人体手掌皮肤是由真皮、表皮和皮下组织组成的多层结构，包含了细胞、纤维、脂肪、静脉、毛细血管、毛发等复杂的多元成分。研究人员发现，不同波长的光线对于人体皮肤具有不同的穿透能力，一般波长越长穿透更深，例如波长为600至1000nm的近红外光能够穿透皮肤表面1至3mm。在手掌皮肤表面和皮下不同的深度层次，分布着各种类型的生理组织，具有特定的光谱吸收和散射特性，因此不同波段的入射光线可以探测到内容迥异的视觉信息。人体手掌皮肤微观结构和整体模式的形成受胚胎发育随机因素的影响，具有独特的个性化特征，并且稳定存在，因此不同波段下的手掌图像就为身份识别提供了辨识依据。
利用本发明的多光谱手掌图像采集方法与装置，能够得到三个模态的信息，即指纹、掌纹和静脉。其中，指纹识别技术是最早的生物特征识别技术，作为一项很成熟的技术已经广泛的应用到日常生活中的许多领域。掌纹识别指利用手掌皮肤纹理进行身份识别，是生物特征识别领域的又一新兴技术。静脉识别作为一项国际前沿的生物特征技术，正成为科研的热点，但是现在很多学者更多关注的是手背静脉的研究，而且对于静脉图像的采集方法主要是近红外热成像，这种成像方法容易受环境的干扰，如温度，湿度等，采集的图像质量很难满足生物特征识别的要求。
单一的掌纹和指纹识别技术都无法很好的解决识别过程中活体检测这个难关，很容易被盗取和伪造，安全性不高。静脉识别可以帮助解决活体检测，但是常用的热红外成像技术在拍摄手掌的时候往往无法获得高质量图像，因而难以用于识别。此外，采用单一模态容易受到类内变化的影响，从而引起识别率的迅速下降。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的一个目的在于提供一种多光谱图像采集装置，从成像原理的角度确保采集获得高质量、多模态手掌图像。
本发明的另一个目的在于提供一种多光谱图像采集方法，从控制流程的角度实现了高质量图像的获取。
(二)技术方案
为达到上述目的，本发明提供了一种多光谱图像采集装置，该装置至少包括红外传感器1、设备外壳2、毛玻璃4、多光谱光源电路5、装置横板6、CCD摄像头7、电源电路8和单片机控制电路9，其中，
红外传感器1固定于设备外壳2内部的顶端，用于检测图像采集区域内是否存在待采集物体，如果检测到图像采集区域内存在待采集物体，则通过单片机控制电路9通知外部控制计算机；否则，继续检测；
设备外壳2，用于固定红外传感器1、毛玻璃4、多光谱光源电路5、装置横板6、电源电路8和单片机控制电路9；
毛玻璃4，设置于图像采集区域与多光谱光源电路5之间，且固定于多光谱光源电路5之上，用于使得多光谱光源电路5照射至图像采集区域的光线尽可能均匀；
多光谱光源电路5，固定于设备外壳2内部的装置横板6之上，用于向图像采集区域照射单光谱或组合光谱的光线，供CCD摄像头7拍摄图像使用；
装置横板6，设置于设备外壳2内部偏下位置，用于固定多光谱光源电路5和CCD摄像头7；
CCD摄像头7，固定于装置横板6的中央，用于在外部控制计算机的控制下拍摄待采集物体的图像；
电源电路8，固定于设备外壳2内部的底部，同时连接于红外传感器1、CCD摄像头7、多光谱光源电路5以及单片机控制电路9，用于为这些设备提供电源；
单片机控制电路9，固定于设备外壳2内部的底端，用于控制多光谱光源电路5的开启和关闭。
优选地，所述设备外壳2进一步用于遮蔽外界的杂光，保证采集得到的图像不受外界光照的影响。
优选地，所述毛玻璃4、多光谱光源电路5和装置横板6的中央均具有圆形的空洞，以便CCD摄像头7镜头的安装及伸缩运动。
优选地，所述红外传感器1与单片机控制电路9相连，当有待采集物体进入成像区域时，红外传感器1通过单片机控制电路9通知外部控制计算机，使外部控制计算机从等待状态进入采集状态。
优选地，该装置进一步包括图像采集卡11，外部控制计算机通过该图像采集卡11连接于CCD摄像头7，以便将CCD摄像头7获取的图像数字化。
优选地，所述待采集物体为手掌、手背或手腕。
为达到上述另一个目的，本发明还提供了一种多光谱图像采集方法，该方法包括：
将待采集物体放置于图像采集区域内；
红外传感器1检测到待采集物体进入图像采集区域，通过单片机控制电路9通知外部控制计算机，外部控制计算机开启CCD摄像头7；
单片机控制电路9根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开多光谱光源电路5相应的光源，CCD摄像头7在所述光源的照射下进行图像的拍摄。
优选地，所述待采集物体为手掌时，所述将待采集物体放置于图像采集区域内是将手掌掌心向下伸入图像采集区域，采用非接触式方式进行手掌图像采集。
优选地，所述单片机控制电路9根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开或关闭多光谱光源电路5相应的光源包括：
由外部控制计算机控制多光谱采集流程，外部控制计算机根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，每次向单片机控制电路(9)发送一个命令，打开或关闭特定光谱，以实现对多光谱光源电路(5)的控制，各命令组合起来，达到光谱切换的目的。
优选地，所述单片机控制电路9根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开或关闭多光谱光源电路5相应的光源也包括：
由外部控制计算机根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，组成一个命令集合，一次性得发送给单片机控制电路9。由单片机控制电路9每次向多光谱光源电路5发送一个命令，打开或关闭特定光谱，各个命令组合起来，达到光谱切换的目的。
(三)有益效果
从上述方案可以看出，本发明具有以下有益效果：
1、利用本发明，使得手掌的活体检测成为可能。研究表明，活体的人的血红细胞会吸收红外光线。换而言之，只有人活着的时候才能够通过本发明采集得到静脉的信息，任何采用其他方式得到的模具、手模、打印的图像甚至非活体的手掌等都无法从中拍摄到静脉信息。利用这一点，使得活体检测成为可能。
2、利用本发明，通过引入可控的多光谱手掌成像方法，不同的光谱能够穿透手掌皮肤的不同深度层次，从而获得手掌视觉内容随光谱变化的图像序列，增加了手掌生物特征在光谱维的信息量，因此能够提高手掌生物特征识别系统的准确度。
3、利用本发明，多光谱手掌成像实验平台对手掌生物特征识别的最佳波段的选择提供了硬件支持。
4、利用本发明，多光谱手掌成像实验平台对于探索和发现手掌区域的新兴生物特征模态提供了一种可行途径，通过组合多种光谱参数的光电器件，使得在一幅图像同时获得掌纹、静脉和其他中间态生物特征成为可能。
5、利用本发明，本装置得到的手掌图像亮度均匀，可以在不同的光源下拍摄到手掌的序列图像。
附图说明
图1为本发明提供的多光谱图像采集装置的结构示意图；
图2为本发明提供的多光谱图像采集装置内部及该装置与外部控制计算机的连接示意图；
图3为本发明提供的多光谱图像采集的方法流程图；
图4为依照本发明实施例提供的多光谱图像采集的方法流程图；
图中，1为红外传感器，2为设备外壳，3为人体手掌，4为毛玻璃，5为多光谱光源电路，6为装置横板，7为CCD摄像头，8为电源电路，9为单片机控制电路，10为外部控制计算机，11为图像采集卡，为螺钉。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明通过利用人体皮肤不同深度层次具有不同特征的特性，提供了一种利用多光谱图像采集的方法和装置。该装置在多光谱条件下，用400至1060nm单波段和/或组合波段主动光照射待采集物体(例如手掌)以实现图像拍摄，采用计算机软件控制的方式进行光源调节，实现高质量的图像获取、显示与存储。利用此装置可以获得高质量的手掌图像，同时提取出掌纹，指纹，和手掌静脉等信息，从而解决活体检测难题，提高生物特征识别的准确率和安全性。
图1为本发明提供的多光谱图像采集装置的结构示意图，该装置至少包括红外传感器1、设备外壳2、毛玻璃4、多光谱光源电路5、装置横板6、CCD摄像头7、电源电路8和单片机控制电路9。
其中，红外传感器1固定于设备外壳2内部的顶端，用于检测图像采集区域内是否存在待采集物体，如果检测到图像采集区域内存在待采集物体，则通过单片机控制电路9通知外部控制计算机；否则，继续检测。
设备外壳2，用于固定红外传感器1、毛玻璃4、多光谱光源电路5、装置横板6和单片机控制电路9。
毛玻璃4，设置于图像采集区域与多光谱光源电路5之间，且固定于多光谱光源电路5之上，用于使得多光谱光源电路5照射至图像采集区域的光线尽可能均匀。
多光谱光源电路5，固定于设备外壳2内部的装置横板6之上，用于向图像采集区域照射单光谱或组合光谱的光线，供CCD摄像头7拍摄图像使用。
装置横板6，设置于设备外壳2内部偏下位置，用于固定多光谱光源电路5和CCD摄像头7。
CCD摄像头7，固定于装置横板6的中央，用于在外部控制计算机的控制下拍摄待采集物体的图像。
电源电路8，固定于设备外壳2内部的底部，同时连接于红外传感器1、CCD摄像头7、多光谱光源电路5以及单片机控制电路9，用于为这些设备提供电源。
单片机控制电路9，固定于设备外壳2内部的底端，用于控制多光谱光源电路5的开启和关闭。
上述设备外壳2进一步用于遮蔽外界的杂光，保证采集得到的图像不受外界光照的影响。
上述毛玻璃4、多光谱光源电路5和装置横板6的中央均具有圆形的空洞，以便CCD摄像头7镜头的安装与伸缩运动。
所述红外传感器1与单片机控制电路9相连，当有待采集物体进入成像区域时，红外传感器1通过单片机控制电路9通知外部控制计算机，使外部控制计算机从等待状态进入采集状态。
所述待采集物体可以为手掌，但不限于手掌，也可以为手背、手腕以及身体其他部位。
进一步地，该装置还可以包括图像采集卡11，外部控制计算机通过该图像采集卡11连接于CCD摄像头7，以便将CCD摄像头7获取的图像数字化并根据用户需要对成像过程进行调整。所述外部控制计算机10与图像采集卡11相连，外部控制计算机10通过图像采集卡11获取图像，同时也可根据用户要求控制图像采集卡11的设置。具体如图2所示，图2为本发明提供的多光谱图像采集装置内部及该装置与外部控制计算机的连接示意图。
基于图1和图2所示的多光谱图像采集装置的结构示意图，图3示出了本发明提供的多光谱图像采集的方法流程图，该方法包括以下步骤：
步骤301：将待采集物体放置于图像采集区域内；
步骤302：红外传感器检测到待采集物体进入图像采集区域，通过单片机控制电路通知外部控制计算机，外部控制计算机开启CCD摄像头7；
步骤303：单片机控制电路根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开多光谱光源电路相应的光源，CCD摄像头在所述光源的照射下进行图像的拍摄。
所述待采集物体为手掌时，所述将待采集物体放置于图像采集区域内是将手掌掌心向下伸入图像采集区域，采用非接触式方式进行手掌图像采集。
所述单片机控制电路9根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开或关闭多光谱光源电路5相应的光源包括：由外部控制计算机控制多光谱采集流程，外部控制计算机根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，每次向单片机控制电路9发送一个命令，打开或关闭特定光谱，以实现对多光谱光源电路5的控制，各命令组合起来，达到光谱切换的目的。比如从光谱1切换到光谱2包含两条命令：关闭光谱1和打开光谱2。
所述单片机控制电路9根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开或关闭多光谱光源电路5相应的光源包括：由外部控制计算机根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，组成一个命令集合，一次性得发送给单片机控制电路9。由单片机控制电路9每次向多光谱光源电路5发送一个命令，打开或关闭特定光谱，各个命令组合起来，达到光谱切换的目的。
图4示出了依照本发明实施例提供的多光谱图像采集的方法流程图，具体包括以下步骤：
步骤P0：对硬件装置进行初始化。初始化包括外部控制计算机10的串行端口、单片机控制电路9的通信端口、CCD摄像头7的控制端口、红外传感器1的通信端口的初始化。
步骤P1：根据软件界面的提示，用户设置图像采集信息。用户可以选择接受软件默认的图像采集信息，包括需要采集哪些光谱的图像，按照什么顺序采集、目标图像的大小、不同光谱所对应的摄像头增益等。如果有特殊的需要，用户也可以自己设置这些信息。假设系统默认分别针对5个波段：波段1、波段2、波段3、波段4、波段5进行手掌图像采集，但是如果在特定的应用中，用户需要采集组合波段的图像。这种情况下，用户可以自行定义，比如可以设置为：波段1+波2、波段2+波段3、波段4、波段1+波段5、波段1+波段3+波段5这样的方式进行采集。摄像头的增益缺省设置为自动增益，如果手动设置，可在软件界面上通过调用采集卡或/和摄像头配置界面完成。
采集信息设置完成之后，红外传感器1开始工作，检测是否有手掌进入采集区域，硬件其他部分处于等待状态。当红外传感器1检测到有手掌进入时，通过单片机控制电路9通知外部控制计算机10，进入步骤P2。
步骤P2：打开成像装置。外部控制计算机10打开多光谱手掌图像采集装置中涉及成像的部分：图像采集卡11、CCD摄像头7；与此同时，外部控制计算机10还需要通过单片机控制电路9打开多光谱光源电路上的一组光源(缺省设置为白光，如果需要用户也可以自行选择)。进入图像预览模式，此时软件界面上会实时显示采集区域内的情况。
此时还需要保存被拍摄人的信息，如姓名、年龄、左右手等相关的信息。
步骤P3：按照用户在步骤P1中设置的光谱采集顺序，判断是否所有的光谱组合都已经采集完成，如果没有，就进入步骤P4。如果已经完成，就将拍摄得到的图像序列按照预先设定的命名规范存入数据库。
步骤P4：根据P1预先设置的光谱采集顺序，单片机控制电路9关闭多光谱光源电路5上当前已采集完成的光源，打开下一组需要进行采集的光源。
步骤P5：利用采集卡11和CCD摄像头7进行单一光谱下手掌的拍摄，获得手掌图像。
步骤P6：当一个多光谱手掌图像序列采集完成后，软件提示用户已完成采集，可以撤回手掌。缺省状态下，一次采集完成后，软件会自动进入步骤P1的自动检测状态，检测是否有手掌进入。此时，用户也可以选择通过软件界面上的按钮退出采集。
本采集方法以手掌图像的多光谱拍摄为例，但不限于手掌。如利用本发明，也可以进行手背、手腕以及身体其他部位皮肤的拍摄。
综上所述，多光谱手掌识别对于提高身份识别系统的安全防伪、识别精度、对不同应用环境的适应性和鲁棒性，以及拓宽系统的适用人群范围有重要的现实意义。单一光谱下的手掌图像只是从一个侧面反映了人体手掌皮肤的物理属性，多光谱的手掌图像相当于多模态生物特征识别，可以得到手掌区域更全面、更准确的信息，只要融合方法得当自然可能取得更高的识别精度；本发明结构简单，轻便，容易使用，可以获得清晰的多光谱环境下的手掌图像和序列。进而获得手掌的多种特征，为生物特征识别等技术的研究做出新发现奠定了良好的基础。
以下进一步说明本发明的具体应用：
应用1：用于门禁系统的手掌生物特征识别
本发明可用于手掌的生物特征识别，使用过程是：某安全部门因保密的需要，只能允许一部分被授权的人员进入。在入口处安装本装置，对来访者进行手掌识别以验证身份，只有当来访者的样本能够与数据库中保存的被授权人员的手掌数据吻合才能通过。因此，来访者到达后首先把自己的手放在本装置的采集区域内，对采集到的多光谱手掌图像，进行预处理和特征提取后，与数据库中的内容进行匹配。由于各种原因(如天气不好的时候，掌纹的采集会受到影响；而静脉和指纹图像有可能因为使用者身体条件，如皮肤脱皮、皮下血管较深等因素而无法精确提取)，可能造成一部分光谱下的数据不甚理想，但只要三种光源下的图像与数据库内容相符就可以通过，此时语音提示：某某先生/女士欢迎进入。大门打开，允许来访者进入，同时系统记录来访者身份和进入时间等相关信息以备查。
应用2：用于医学检测与美容
本发明可用于医学检测与美容，使用过程是：在某医学研究机构，采用本装置对患者手掌的皮肤疾病进行诊断。患者的表面肌肤与深层肌肤的图像能够提供不同的信息，为疾病的诊断提供依据。如张三来到了医学研究机构，利用本采集设备医生对张三的手掌拍摄了各个光源下的图像，仔细观察后发现表皮没什么异常的情况，但是静脉图像显示张三的浅表静脉血管存在多处结节，提示张三的血液流通状况不佳，医生经过进一步的分析和检测，为张三制定相应的治疗计划。
应用3：计算机视觉和图形学
本发明可用于计算机视觉和图形学，使用过程是：在某计算机视觉研究所，人们为了构建手掌的三维特性图，需要对手掌的皮肤进行颜色建模。采用本设备，研究人员在不同的光谱下拍摄图像，可以得到手掌皮肤不同层次的信息，然后对其进行分层次建模，赋予独特的颜色，就可以完成整个建模的初步素材采集工作。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1、一种多光谱图像采集装置，其特征在于，该装置至少包括红外传感器(1)、设备外壳(2)、毛玻璃(4)、多光谱光源电路(5)、装置横板(6)、CCD摄像头(7)、电源电路(8)和单片机控制电路(9)，其中，
红外传感器(1)固定于设备外壳(2)内部的顶端，用于检测图像采集区域内是否存在待采集物体，如果检测到图像采集区域内存在待采集物体，则通过单片机控制电路(9)通知外部控制计算机；否则，继续检测；
设备外壳(2)，用于固定红外传感器(1)、毛玻璃(4)、多光谱光源电路(5)、装置横板(6)、电源电路(8)和单片机控制电路(9)；
毛玻璃(4)，设置于图像采集区域与多光谱光源电路(5)之间，且固定于多光谱光源电路(5)之上，用于使多光谱光源电路(5)照射至图像采集区域的光线尽可能均匀；
多光谱光源电路(5)，固定于设备外壳(2)内部的装置横板(6)之上，用于向图像采集区域照射单光谱或组合光谱的光线，供CCD摄像头(7)拍摄图像使用；
装置横板(6)，设置于设备外壳(2)内部偏下位置，用于固定多光谱光源电路(5)和CCD摄像头(7)；
CCD摄像头(7)，固定于装置横板(6)的中央，用于在外部控制计算机的控制下拍摄待采集物体的图像；
电源电路(8)，固定于设备外壳(2)内部的底部，同时连接于红外传感器(1)、CCD摄像头(7)、多光谱光源电路(5)以及单片机控制电路(9)，用于为这些设备提供电源；
单片机控制电路(9)，固定于设备外壳(2)内部的底端，用于控制多光谱光源电路(5)的开启和关闭。
2、根据权利要求1所述的多光谱图像采集装置，其特征在于，所述设备外壳(2)进一步用于遮蔽外界的杂光，保证采集得到的图像不受外界光照的影响。
3、根据权利要求1所述的多光谱图像采集装置，其特征在于，所述毛玻璃(4)、多光谱光源电路(5)和装置横板(6)的中央均具有圆形的空洞，以便CCD摄像头(7)镜头的安装及伸缩运动。
4、根据权利要求1所述的多光谱图像采集装置，其特征在于，所述红外传感器(1)与单片机控制电路(9)相连，当有待采集物体进入成像区域时，红外传感器(1)通过单片机控制电路(9)通知外部控制计算机，使外部控制计算机从等待状态进入采集状态。
5、根据权利要求1所述的多光谱图像采集装置，其特征在于，该装置进一步包括图像采集卡(11)，外部控制计算机通过该图像采集卡(11)连接于CCD摄像头(7)，以便将CCD摄像头(7)获取的图像数字化。
6、根据权利要求1所述的多光谱图像采集装置，其特征在于，所述待采集物体为手掌、手背或手腕。
7、一种多光谱图像采集方法，其特征在于，该方法包括：
将待采集物体放置于图像采集区域内；
红外传感器(1)检测到待采集物体进入图像采集区域，通过单片机控制电路(9)通知外部控制计算机，外部控制计算机开启CCD摄像头(7)；
单片机控制电路(9)根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开多光谱光源电路(5)相应的光源，CCD摄像头(7)在所述光源的照射下进行图像的拍摄。
8、根据权利要求7所述的多光谱图像采集方法，其特征在于，所述待采集物体为手掌时，所述将待采集物体放置于图像采集区域内是将手掌掌心向下伸入图像采集区域，采用非接触式方式进行手掌图像采集。
9、根据权利要求7所述的多光谱图像采集方法，其特征在于，所述单片机控制电路(9)根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开或关闭多光谱光源电路(5)相应的光源包括：
由外部控制计算机控制多光谱采集流程，外部控制计算机根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，每次向单片机控制电路(9)发送一个命令，打开或关闭特定光谱，以实现对多光谱光源电路(5)的控制，各命令组合起来，达到光谱切换的目的。
10、根据权利要求7所述的多光谱图像采集方法，其特征在于，所述单片机控制电路(9)根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，依次打开或关闭多光谱光源电路(5)相应的光源也包括：
由外部控制计算机根据预先设定的单光谱/组合光谱信息，组成一个命令集合，一次性得发送给单片机控制电路(9)，由单片机控制电路(9)每次向多光谱光源电路(5)发送一个命令，打开或关闭特定光谱，各个命令组合起来，达到光谱切换的目的。
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