**关键词：** 再度事件相机、iniVation、DVXplorer、极光观测、事件重建

极光是太阳风、地球磁场和高层大气相互作用产生的空间天气光现象。传统极光摄影通常需要约1至2秒曝光才能收集足够光子，但长曝光也会增强城市光和月光背景，导致观测往往需要选择黑暗、晴朗的夜空。

Scientific Reports 2025年发表的论文《The first observations of auroras with dynamic vision sensors》尝试使用动态视觉传感器，也就是DVS或事件相机，记录极光的快速时空变化。该研究团队使用的是**再度事件相机**的一款科研级事件相机——DVXplorer，研究团队使用该款事件相机在挪威特罗姆瑟进行了观测，展示了事件数据在高动态范围、低照度和高时间分辨率场景中的潜力。

这项工作应理解为一次科学观测和方法验证，而不是对DVXplorer进行完整的光度计量认证。该研究团队既展示了积极结果，也详细讨论了数据丢失和亮度重建的不确定性。

![j1.png](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8628718/37052971c135ffd098a26b5e68c593af.png)
*DVXplorer在特罗姆瑟极光观测站朝西、仰角约25°的安装方向，以及同一观测方向上的绿色极光。  图中红色方框表示DVXplorer在对应时刻的大致视场范围。*

## 1. 为什么用事件相机观测极光

普通CMOS或CCD相机以固定帧率采集整幅亮度图。曝光时间越长，收集到的光子越多，但城市光、月光和其他背景光也会累积。传统高速相机可以提高帧率，却通常需要在空间分辨率、绝对亮度范围和内部缓存容量之间折中。

事件相机采用像素级异步检测。每个像素的光电响应会与此前的亮度状态比较，当相对变化超过阈值时，输出一个事件。事件包括像素位置、时间戳和亮度变化方向。

该研究团队给出的事件触发关系可用纯文本表示：

`log(当前光强 ÷ 上一次光强) ≥ ON阈值`，或 `log(当前光强 ÷ 上一次光强) ≤ OFF阈值`

当场景没有足够亮度变化时，像素不会持续输出事件，数据率随场景变化。这种“只记录变化”的机制，使事件相机能够以较高时间分辨率观察极光弧的闪烁、移动和局部波动。

## 2. 论文中的DVXplorer观测配置

研究团队在2023年3月3日于挪威特罗姆瑟极光观测站屋顶采集了一段约826秒的DVXplorer极光数据，环境温度约为−5至−8摄氏度。观测时使用DV软件，并启用了高灵敏度设置，对应约5%的亮度变化阈值。

研究团队记录的DVXplorer配置包括：

- 事件分辨率：640×480；
- 时间分辨率：65至200微秒，对应约5 kHz至15 kHz量级的采样能力；
- 最大吞吐量：165 MEPS；
- 动态范围：约110 dB，论文给出的照度范围为0.3至100,000 lux；
- 视场：约37.44°×28.52°；
- 镜头焦距：8.5 mm；
- 指向：方位角约266°，倾角约25°。

观测期间特罗姆瑟存在城市光和月光，其他附近科学相机因为月光较强而关闭或无法获得可用图像。因此，论文没有形成与传统相机的严格同步对照，而是重点展示再度事件相机的DVXplorer在困难背景中的事件观测能力。

## 3. 事件数据怎样重建成亮度图像

DVXplorer原始输出是事件流，不是普通灰度帧。研究团队采用事件累积方法估计每个像素的相对辐照度：对ON事件增加亮度，对OFF事件减少亮度，再对累计值施加指数关系。

论文使用高灵敏度设置下约5%的事件阈值，并分别累计ON和OFF事件。为了避免早期事件对后续画面无限累积，作者加入衰减项，使单个事件的影响在约15秒后降低到原来的10%左右。60 Hz和600 Hz重建分别使用不同衰减系数。

重建流程还包括：

1. 识别并屏蔽高频触发的热点像素；
2. 用5×5邻域平均值替换热点像素；
3. 对累计亮度应用双边滤波，尽量保留边缘并降低噪声；
4. 以灰度形式显示重建结果。

重建图像不包含颜色。论文关注的是绿色极光的557.7 nm发射线，但事件传感器和光度计的精确光谱响应并未完成绝对匹配，因此亮度和光子通量结果需要视为近似值。

![j3.png](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8628718/c6a9f91f6751617df22b04fa6053bb9a.png)
*以2秒时间步长显示的极光重建亮度图像，包括逐渐增强、减弱和快速横向移动的极光弧。*

## 4. 如何从事件重建等效光子通量

为了把DVXplorer当作一种“事件光度计”进行尝试，论文先将所有像素的重建辐照度积分，再减去背景辐照度，得到极光贡献。

其计算逻辑可以概括为：

`极光辐照度 = 传感器总辐照度 - 无极光时的背景辐照度`

然后，作者使用观测站TESS-W光度计的背景测量作为参考，并假设DVXplorer与光度计对背景光具有相同的光谱响应。论文还把辐照度转换为等效557.7 nm光子辐亮度，并用Rayleigh单位表示。

在约5 kHz采样的950,000个时间点上，论文得到等效557.7 nm光子通量约2至11 kR，与文献中1至2级绿色极光的数量级一致。

这个结果的关键限定是“等效”和“近似”。论文没有获得DVXplorer的完整量子效率和绝对光谱响应，也没有完成针对该相机的绝对辐射标定。因此，2至11 kR更适合作为方法展示和数量级检查，不能直接替代经过校准的极光光度计。

![j2.png](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8628718/7fc60061e60ac06ea99850df3db46427.png)
*以5 kHz采样得到的等效557.7 nm光子通量时间序列及局部放大区域。*

## 5. 5 kHz事件视频能看到什么

研究团队还使用事件数量和指数衰减制作事件视频，将ON事件显示为绿色、OFF事件显示为蓝色。作者分别提供60 Hz、600 Hz和5 kHz采样版本，并以60 FPS播放，因此600 Hz和5 kHz版本属于慢放效果。

在较低采样频率下，可以看到极光弧从左侧进入、向中心移动、再次返回，以及波状和交织的ON/OFF区域。5 kHz版本则能够显示更短时间尺度内的局部事件变化，论文将其解释为极光发光区域的快速变化。

![j4.png](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8628718/cae3260568cca3b0735b0e158c76fa1a.png)
*600 Hz与5 kHz采样下的帧事件直方图，分别显示ON、OFF和总事件数量。*

上图同时暴露了事件信号在快速亮度变化时的不稳定性。在某些时段，事件数会从很高突然降到接近零，OFF事件尤其稀少。论文认为这可能与传感器饱和、事件时间戳成批写入、临时缓存溢出、部分事件未注册或亮度变化跨越多个阈值有关。

## 6. 为什么需要热点像素和背景活动过滤

论文识别了两类主要噪声：

- 热点像素：少量像素持续产生远高于场景平均水平的同极性事件；
- 前端噪声：暗电流、漏电和高灵敏度设置造成的背景活动。

研究团队先统计整段记录中每个像素的事件总数，再根据分布识别热点像素。原文图注使用97%分位阈值2,975个事件，正文相关段落还出现2,381个事件的数字，两处存在不一致。复现论文方法时，应以原始数据和代码重新确认阈值，而不能直接把其中一个数字当成通用标准。

热点像素屏蔽后，论文报告事件量减少约71.88%。随后使用iniVation dv-processing中的BackgroundActivityNoiseFilter，要求事件在空间邻域和时间间隔内得到支持，时间间隔阈值设为50 ms，额外减少约18.41%的事件，总减少约90.29%。

过滤虽然提高了信噪比，却也改变了ON/OFF比例。论文报告过滤后ON事件比OFF事件多约67%，并指出OFF事件更容易因时空孤立而被背景活动过滤删除。

![j5.png](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8628718/f3538d107683eaae6ff426ef4a74cb57.png)
*整段记录中每个像素事件总数的直方图，用于识别具有异常高活动率的热点像素。*

![j6.png](https://developer.qcloudimg.com/http-save/yehe-8628718/f5d04226b031206101bf6ffc0a0f0027.png)
*应用热点像素剔除和背景活动过滤前后的ON、OFF及总事件数量变化。*

## 7. 事件吞吐上限为什么成为核心问题

DVXplorer规格中的最大吞吐量是容量边界，不代表任何场景都能无损记录。当极光亮度快速变化时，大量像素可能在短时间内产生事件，传感器、时间戳和临时内存需要同时处理这些数据。

研究团队观察到：在65微秒积分间隔中，实际未过滤事件数量最高约493个，约为7.6 MEPS；而文献规格给出的65微秒上限对应约10,750个事件。观测数据与规格之间存在明显差异。

因此他们提出了几种可能原因：

- 传感器达到饱和，事件被分批写入，时间粒度下降；
- 临时内存缓冲溢出，部分事件被丢弃；
- ON事件可能获得优先注册，导致OFF事件更容易缺失；
- 亮度变化过快，像素一次跨越多个阈值，无法逐级记录；
- 低温改变暗电流和前端噪声，进而影响可用事件容量。

论文没有把其中一种原因确定为唯一结论，而是认为实际问题可能是多种因素共同作用。对于DVXplorer应用，最重要的工程启示是：不能只看平均事件率，必须在真实光照和目标变化下检查时间戳连续性、事件直方图和缓存溢出。

## 8. 低温环境会怎样影响DVXplorer数据

观测在−5至−8摄氏度下进行。论文引用相关研究讨论低温对动态视觉传感器暗电流和噪声的影响：温度降低可能减少暗电流及漏电事件，但暗电流相对平均值的变化也可能增大，导致前端噪声行为改变。

这意味着实验室室温下得到的事件率、噪声和吞吐表现，不能直接套用到寒冷户外。极光观测还应记录传感器温度、镜头结露、防护窗状态和电源条件，并在不同温度下重复测试。

## 9. 论文结果的科学边界

论文证明了DVXplorer可以在城市光和月光背景下观测绿色极光的动态变化，并以5 kHz采样展示了传统长曝光摄影难以呈现的快速时空结构。

但论文也明确指出：

- 数据处理后需要删除约90%的事件，过滤参数会影响ON/OFF平衡；
- 快速亮度变化时可能发生缓存溢出、事件丢失或时间戳批量化；
- 事件重建依赖背景亮度、阈值和衰减假设；
- DVXplorer与光度计的光谱响应被假设为相同，尚未完成绝对标定；
- 低频、长寿命的红色极光发射线未能通过该方法成功观测；
- 内部时钟可能发生漂移，跨仪器比较需要GNSS或其他同步方案；
- 论文未提供与传统相机的严格同步性能对照。

因此，文章中的“高时间分辨率”应理解为事件采样和时间标记能力，而不是所有情况下都能无损记录每一个物理亮度变化。

## 10. 对DVXplorer科研使用的启示

第一，事件相机适合观察快速极光弧、闪烁和局部波动，但需要把照明背景作为实验变量，而不是简单视为噪声。

第二，事件重建必须先处理热点像素和背景活动，否则少数异常像素会通过指数累计主导整幅亮度图。

第三，事件光子通量可以作为近似科学量，但必须标注光谱响应、背景参考和绝对标定假设。

第四，数据率、临时缓存和温度会影响观测完整性。遇到事件数突然归零时，应优先检查饱和、丢包和时间戳，而不是立即把它解释成极光熄灭。

第五，DVXplorer不仅输出一段“极光视频”，还提供可分析的原始aedat4事件文件、不同采样率的重建亮度视频和事件计数视频。保存原始事件及处理参数，才能让后续研究复核过滤和重建结论。

总体来看，这篇论文展示的是DVXplorer在空间天气观测中的一次有价值尝试：事件相机能够把极光从长曝光图像中的“亮度形状”，扩展为带有高时间分辨率的时空事件流；但要进入精确光度学和长期监测，还需要更高吞吐、可靠同步、绝对辐射标定及针对低频发光过程的传感器和算法改进。

## 参考资料

1. Stokholm, A. et al. “The first observations of auroras with dynamic vision sensors.” Scientific Reports, 2025, 15:26539. DOI: 10.1038/s41598-025-09821-2. 本文依据该论文整理。

关键词： 再度事件相机、iniVation、DVXplorer、极光观测、事件重建

iniVation DVXplorer事件相机首次观测极光：高时间分辨率记录与事件重建方法

本文仅依据Scientific Reports论文《The first observations of auroras with dynamic vision sensors》整理，介绍iniVation DVXplorer事件相机在挪威特罗姆瑟观测极光的实验。论文记录了826秒极光事件数据，并尝试重建亮度图像、等效557.7 nm光子通量和高频事件视频。

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首次采用iniVation DVXplorer事件相机在月光和城市光背景下观测极光，通过5kHz事件采样重建动态变化，实现等效557.7nm光子通量2至11kR，证明事件相机在高动态范围极光观测中的潜力，同时揭示数据丢失和亮度重建的挑战。

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