【技術(shù)文章】什么是高光譜成像

高光譜成像是一種將光譜學(xué)與成像能力相結(jié)合的強大技術(shù)。它能夠以傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無法實現(xiàn)的方式收集有關(guān)物體和表面的成分和特征。

由于其在識別和量化材料方面的非侵入性，高光譜成像在各個行業(yè)和研究應(yīng)用中越來越受歡迎。

高光譜成像是一種收集和處理電磁頻譜信息以獲得圖像中每個像素的頻譜的技術(shù)。這樣可以通過分析物體和材料獨特的光譜特征來識別它們。高光譜成像的應(yīng)用包括食品質(zhì)量和安全、廢物分類和回收以及藥品生產(chǎn)中的控制和監(jiān)測。

電磁波譜描述了所有類型的光，從很長的無線電波、微波、紅外輻射、可見光、紫外線和 X 射線，到很短的伽馬射線——其中大部分是人眼看不見的（圖1）。

光譜成像是使用整個電磁頻譜的多個波段的成像。RGB 相機使用三個可見光波段（紅色、綠色和藍色）來創(chuàng)建圖像，而高光譜圖像可以檢查物體如何與更多波段（范圍從 250 nm 到 15,000 nm 以及熱紅外）相互作用。光與物質(zhì)相互作用的研究稱為光譜學(xué)或光譜傳感。

圖 1.高光譜成像捕獲 250 nm 至 15,000 nm 的波長和熱紅外

光譜成像系統(tǒng)是指捕獲和處理圖像中光波長信息的一類成像技術(shù)。這些系統(tǒng)旨在捕獲電磁頻譜中超出我們眼睛可見光范圍的多個波段或通道的信息。然后可以處理該數(shù)據(jù)以生成光譜數(shù)據(jù)的顏色編碼，從而提供有關(guān)圖像內(nèi)對象的化學(xué)和物理特性的信息。

高光譜成像涉及使用成像光譜儀（也稱為高光譜相機）來收集光譜信息。

高光譜相機捕獲場景的光，并將其分為各個波長或光譜帶。它提供場景的二維圖像，同時記錄圖像中每個像素的光譜信息。

成像結(jié)果是高光譜圖像，其中每個像素代表一個獨特的光譜。這種獨特的光譜可以與指紋進行類比。由于每種材料和化合物對光的反應(yīng)不同，因此它們的光譜特征也不同。就像指紋可以用來識別一個人一樣，光譜可以識別和量化場景中的材料。

高光譜成像系統(tǒng)分析光譜響應(yīng)，以根據(jù)圖像中的特征或物體的獨特光譜對其進行檢測和分類。

通過結(jié)合數(shù)字成像和光譜儀的優(yōu)點，高光譜成像提供有關(guān)物體物理和化學(xué)特性的空間和光譜信息。光譜信息允許對材料進行識別和分類，空間信息提供有關(guān)材料分布和區(qū)域分離的數(shù)據(jù)。高光譜成像提供了有關(guān)“什么”（基于光譜）、“何處”（基于位置）的問題的答案。

圖 2：為了匹配人類視覺，使用紅、綠和藍三個色帶創(chuàng)建樹葉的數(shù)碼照片（頂部）。RGB 數(shù)據(jù)相當(dāng)于三頁的小冊子。相比之下，葉子的高光譜圖像（底部）捕獲 220 個波長的光譜響應(yīng)。類似的 220 頁書包含有關(guān)該物體的更多詳細信息

高光譜成像的主要優(yōu)點之一是其高空間和光譜分辨率，可以對材料進行詳細表征。

高光譜相機測量數(shù)千或數(shù)十萬個光譜，以創(chuàng)建包含位置、波長和時間相關(guān)信息的大規(guī)模高光譜數(shù)據(jù)立方體。

與多光譜成像相比，高光譜成像提供了更多信息，可以更準(zhǔn)確地分析、識別和分離材料和物質(zhì)（要了解更多信息，請閱讀我們的文章高光譜與多光譜相機）。

高光譜成像使我們能夠區(qū)分具有相似物理或視覺特征的材料或人眼看不到的材料，例如不同的礦物。

高光譜成像是工業(yè)、研究和遙感中越來越多使用的技術(shù)。

高光譜成像系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)可在檢查過程中用于定位、分類或量化普通相機或人眼不可見的各種材料的濃度。例如，集成到在線質(zhì)量控制系統(tǒng)中的高光譜成像系統(tǒng)可以識別產(chǎn)品中的異物、污染物以及脂肪、糖或水分的含量。

通過遙感獲取的高光譜圖像提供有關(guān)地球表面的信息，例如礦物或植被。

高光譜成像可用于各種應(yīng)用，包括：

1.    環(huán)境監(jiān)測：監(jiān)測土地利用、植被健康和水質(zhì)隨時間的變化。這可以檢測生態(tài)退化的早期跡象并跟蹤保護。

2.    礦產(chǎn)勘查：繪制礦床地圖，檢測礦物成分和品位。

3.    質(zhì)量控制：食品的無損檢測和分級，無損檢測工業(yè)產(chǎn)品中的污染物和缺陷。

4.    廢物管理：可靠且高純度地分離各種材料。該信息可用于自動化回收過程并增加回收材料的價值。

5.    農(nóng)業(yè)：評估作物的健康狀況和產(chǎn)量，監(jiān)測土壤濕度和養(yǎng)分含量，以優(yōu)化作物管理實踐并提高作物產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)監(jiān)測通常使用無人機上安裝的高光譜相機來完成。

6.    軍事監(jiān)視：檢測和識別危險材料。

這些只是高光譜成像如何為各種應(yīng)用提供有價值的信息的幾個例子。

總之，高光譜成像既是重要的研究工具，也是非常有用的機器視覺技術(shù)，可用于各行業(yè)改進流程、提高質(zhì)量和減少浪費。