高光譜成像 (HSI) 是一種基于光譜學(xué)的分析技術(shù)，它為同一空間區(qū)域收集數(shù)千張不同波長的圖像。雖然人眼只有藍(lán)色、綠色和紅色三種顏色感受器，但 HSI 測量場景每個像素的連續(xù)光譜，不僅在可見光，而且在近紅外 (NIR) 中都具有良好的波長分辨率). 撞擊每個像素的光被分解成許多不同的光譜帶，以提供有關(guān)成像內(nèi)容的更多信息。收集的數(shù)據(jù)形成一個 3D 高光譜立方體，其中兩個維度表示場景的空間范圍，第三個維度表示其光譜內(nèi)容。

HSI 是通常稱為光譜成像或光譜分析的一類技術(shù)的一部分，其中還包括多光譜成像 (MSI)。這兩種成像系統(tǒng)之間的主要區(qū)別在于 HSI 使用連續(xù)且連續(xù)的波長范圍(例如，400 至 1100 nm，步長為 1 nm)，而 MSI 在選定位置使用目標(biāo)波長的子集(例如，400 至 1100 nm)以 20 nm 為步長)。MSI 傳感器通常在每個像素中有 3 到 10 個不同的波段測量值，而 HSI 圖像可以包含數(shù)千個較窄但連續(xù)的光譜波段。因此，HSI 傳感器包含的數(shù)據(jù)比 MSI 傳感器多得多。例如，MSI 可用于繪制森林區(qū)域地圖，而高光譜圖像可用于繪制森林內(nèi)的樹種地圖。

盡管可以將 MSI視為HSI的縮減子集，但這兩種技術(shù)是互補(bǔ)的，在它們之間進(jìn)行選擇取決于應(yīng)用程序要求。例如，在可見通道中，MSI 可用于識別水果的輪廓并發(fā)現(xiàn)藍(lán)莓等水果上難以看到的瘀傷。但如果目標(biāo)是對鱷梨的脂肪含量進(jìn)行非常詳細(xì)的分析，則只能使用 HSI 技術(shù)來完成。

MSI和HSI 背后的算法和圖像處理方法可以追溯到 1970 年代美國陸地衛(wèi)星計劃的第一顆衛(wèi)星 Landsat 1 的發(fā)射，這也是第一顆攜帶多光譜掃描儀的衛(wèi)星。隨后是 NASA 的機(jī)載成像光譜儀 (AIS) 和 AVIRIS 在 20 世紀(jì) 80 年代中期的發(fā)展，當(dāng)時加州理工學(xué)院成像分析系統(tǒng)組主管 Jerry Solomon 創(chuàng)造了“高光譜成像”一詞。

那時還沒有微處理器，圖像處理必須在大型、集中的計算機(jī)中心進(jìn)行。從那時起，特別是在過去五年中，由于微處理和基于芯片的傳感器的發(fā)展，HSI 技術(shù)已經(jīng)從地球觀測擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)、工業(yè)分類、醫(yī)學(xué)研究、食品質(zhì)量控制和環(huán)境等許多領(lǐng)域監(jiān)控。

高光譜應(yīng)用

每種材料都具有特定的光譜特征，可用作其獨特識別的“指紋”。因此，HSI 具有廣泛的應(yīng)用，這要歸功于其在識別物質(zhì)成分方面的無創(chuàng)、無標(biāo)記和無損能力。他們包括：

醫(yī)療：用于增強(qiáng)現(xiàn)實手術(shù)和醫(yī)療診斷；

機(jī)器視覺：用于對幾乎所有材料進(jìn)行分類——從食品和礦物到紡織品和塑料；

遙感：用于對農(nóng)業(yè)土壤、礦物、塑料、污染和監(jiān)測進(jìn)行分類；

農(nóng)業(yè)：檢測疾病、水分脅迫和土壤質(zhì)量的早期癥狀，以優(yōu)化控制生長過程；

藝術(shù)和遺產(chǎn)分析：了解一件人工制品最初是如何、何時、何地制作或后來被改變的；

食品質(zhì)量控制：識別和量化食品的化學(xué)成分，提供營養(yǎng)、脂肪百分比、糖含量和新鮮度等信息；

垃圾分類：分類和分離塑料、紡織品、金屬、玻璃、紙張、紙板和石棉等有害物質(zhì)；

制藥：用于藥品化學(xué)成分的質(zhì)量保證；

采礦和石油：用于對鉆芯和其他地質(zhì)樣品進(jìn)行快速可靠的礦物分析；

取證：從犯罪現(xiàn)場收集證據(jù)，例如血跡和火藥殘留物；

高光譜系統(tǒng)的商業(yè)化

根據(jù)最近的一份市場報告，全球高光譜成像市場預(yù)計在 2020 年至 2027 年間將以 8.2% 的復(fù)合年增長率 (CAGR) 增長，到 2027 年將達(dá)到 35.2 億美元。亞太地區(qū)和歐洲預(yù)計將成為增長最快的地區(qū)，復(fù)合年增長率分別為 9.3% 和 8.5%。

主要驅(qū)動因素是對準(zhǔn)確可靠的材料分析的需求不斷增加，人工智能等新技術(shù)的發(fā)展與低成本成像系統(tǒng)的發(fā)展相結(jié)合，以及對遙感應(yīng)用的需求不斷增加。主要應(yīng)用將用于醫(yī)療診斷、工業(yè)機(jī)器視覺、環(huán)境監(jiān)測和軍事監(jiān)視。

高光譜的種類

高光譜相機(jī)可以通過五種方式捕獲信息以形成 3D 數(shù)據(jù)立方體：

Whiskbroom(點掃描)一次捕獲一個像素，圖像隨著相機(jī)掃描樣品而構(gòu)建，并包含其所有光譜信息。雖然在圖像采集過程中非常耗時，但該方法會產(chǎn)生非常高的光譜分辨率。

推掃式(線掃描)測量連續(xù)光譜，一次測量一行像素，廣泛應(yīng)用于工業(yè)質(zhì)量控制監(jiān)測過程。它的主要限制是光譜儀的入口狹縫造成的高損失。

傅里葉變換 (FT) 光譜是測量連續(xù)光譜的另一種方法，這種方法將單色成像傳感器與干涉儀相結(jié)合，具有比推掃式系統(tǒng)更高的光通量。

光譜掃描收集給定波長的全部空間信息，一次一個波長。雖然每個圖像速度很快，但由于改變波長所需的時間，光譜掃描生成立方體的速度很慢。

高光譜快照相機(jī)捕捉高光譜視頻，盡管它們通常提供有限的光譜和空間分辨率，但它們速度快且非常適合成像移動物體。