在過去的二十年中，高光譜成像(HSI) 和 多光譜成像(MSI) 的重要性和實用性一直在增長。盡管這些術(shù)語經(jīng)常被混為一談，但它們代表了兩種截然不同的成像實踐，每一種都適合自己的應(yīng)用空間。與僅使用可見光譜的光的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺成像相比，這兩種技術(shù)都具有優(yōu)勢。然而，隨著 HSI 和 MSI 的優(yōu)勢，成像系統(tǒng)在照明、過濾和光學(xué)設(shè)計方面的復(fù)雜性也隨之增加。

高光譜和多光譜成像在農(nóng)業(yè)中用于監(jiān)測廣泛電磁頻譜范圍內(nèi)田地的健康狀況

在典型的機(jī)器視覺應(yīng)用中，傳感器使用和捕獲的照明大約在 400 nm(紫色)到 700 nm(深紅色)之間(圖 1)。通常使用在 550 nm 附近具有峰值光譜靈敏度的成像透鏡組件和傳感器收集光。大多數(shù)相機(jī)傳感器的量子效率，或?qū)⒐庾愚D(zhuǎn)換為電信號的能力，在擴(kuò)展到紫外或近紅外時會顯著降低。

圖 1.可見光譜之外的波長區(qū)域用于高光譜和多光譜成像

用最簡單的術(shù)語來說，HSI 捕獲的圖像包含來自更廣泛電磁頻譜部分的信息。該范圍可以從紫外光開始，延伸到可見光譜，并以近紅外或短波紅外結(jié)束。擴(kuò)展的波長范圍可以揭示材料成分的特性，否則這些特性是不明顯的。

機(jī)器視覺中使用的傳感器將輸出一系列灰度值，從而生成查看區(qū)域內(nèi)某些對象的二維圖像。其功能用途通常是為了分類、測量或定位對象而進(jìn)行的特征識別。除非使用光學(xué)過濾，否則視覺系統(tǒng)無法識別用于照明的波長。對于具有拜耳濾光片圖案 (RGB) 的傳感器來說顯然不是這樣，但即便如此，每個像素都僅限于接受來自窄波長帶的光，并且相機(jī)軟件會在事后分配顏色。在真正的高光譜圖像中，每個像素對應(yīng)坐標(biāo)、信號強(qiáng)度和波長信息。因此，HSI 通常被稱為成像光譜學(xué)1。

順便說一句，光譜儀收集波長信息以及檢測到的各種波長的相對強(qiáng)度信息2。這些設(shè)備通常從樣本上的單一來源或位置收集光。它們可用于檢測散射和反射特定波長的物質(zhì)的存在，或基于熒光或磷光發(fā)射的材料成分。HSI 系統(tǒng)通過將位置數(shù)據(jù)分配給收集的光譜，將這項技術(shù)提升到一個新的水平。高光譜系統(tǒng)不輸出二維圖像，而是輸出高光譜數(shù)據(jù)立方體或圖像立方體3。

圖像采集模式

目前使用四種主要的高光譜采集模式或方法，每種模式或方法各有優(yōu)缺點(圖 2)。第一個稱為掃帚，是一種點掃描過程，一次獲取一個空間坐標(biāo)的光譜信息。這種方法往往提供最高水平的光譜分辨率，但需要系統(tǒng)在 x 軸和 y 軸上掃描目標(biāo)區(qū)域，從而顯著增加總采集時間1。

圖 2.四種主要的高光譜采集模式是點掃描或掃帚(a);線掃描，或推掃式(b);平面或區(qū)域掃描(c);和單發(fā)，或快照(d)

第二種模式稱為推掃式，使用線掃描數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)。當(dāng)一行像素掃描一個區(qū)域以捕獲光譜和位置信息時，只需要一個空間運(yùn)動軸。推掃式系統(tǒng)體積小、重量輕、操作簡單且信噪比高1。使用此方法時，正確選擇曝光時間至關(guān)重要。忽視這樣做會導(dǎo)致光譜帶飽和度或曝光不足的不一致。

一些人認(rèn)為 MSI 只是 HSI 的低級形式，具有較低的光譜分辨率。事實上，這兩種技術(shù)根據(jù)任務(wù)各有優(yōu)勢。第三種方法是平面掃描。此模式一次成像整個 2D 區(qū)域，但在每個波長間隔。該過程涉及捕獲大量圖像以創(chuàng)建高光譜數(shù)據(jù)立方體的光譜深度。雖然這種捕捉方法不需要傳感器或整個系統(tǒng)的平移，但在采集過程中主體保持靜止是至關(guān)重要的;否則，位置和光譜信息的準(zhǔn)確性將受到影響。

第四種也是最近開發(fā)的方法稱為單次拍攝或快照。單次成像儀在單個積分周期內(nèi)收集整個高光譜數(shù)據(jù)立方體。盡管單發(fā)似乎是 HSI 實現(xiàn)的首選未來，但它目前受到相對較低的空間分辨率的限制，需要進(jìn)一步開發(fā)。

主要差異

MSI 系統(tǒng)在許多方面與 HSI 系統(tǒng)相似，但有一些關(guān)鍵區(qū)別。與使用 HSI 系統(tǒng)有效連續(xù)波長的數(shù)據(jù)收集相比，MSI 專注于根據(jù)應(yīng)用預(yù)先選擇的幾個波段。常見的 RGB 傳感器有助于說明 HSI 和 MSI 系統(tǒng)之間的差異。在 RGB 傳感器中，拜耳圖案(由紅色、綠色和藍(lán)色濾光片組成)層疊在像素上。濾光片允許來自特定色帶的波長被像素吸收，同時衰減其余光。這些帶通濾波器的傳輸帶在 100 至 150 nm 范圍內(nèi)，并且具有輕微的光譜重疊(圖 3)。然后用假色渲染捕獲的圖像以近似人眼所見。在大多數(shù) MSI 應(yīng)用程序中，波段明顯更窄且數(shù)量更多。波段通常在幾十納米的數(shù)量級，并不完全是可見光譜的一部分。根據(jù)應(yīng)用，紫外、近紅外和熱波長(中波紅外)也可以有隔離通道4 .

圖 3. RGB 相機(jī)的量子效率曲線顯示了紅色、綠色和藍(lán)色之間的重疊

一些人認(rèn)為 MSI 只是 HSI 的低級形式，具有較低的光譜分辨率。事實上，這兩種技術(shù)各有優(yōu)勢，具體取決于任務(wù)。HSI 最適合對連續(xù)頻譜中信號的細(xì)微差異敏感的應(yīng)用。對較大波段進(jìn)行采樣的系統(tǒng)可能會錯過這些小信號。然而，一些系統(tǒng)要求屏蔽大部分電磁頻譜，并且只選擇性地捕獲光(圖 4)。其他波長可能會產(chǎn)生明顯的噪音，可能會破壞測量和觀察。此外，如果數(shù)據(jù)立方體中包含的光譜信息越少，圖像捕獲、處理和分析就可以更快地進(jìn)行。

圖 4.多光譜和高光譜圖像堆棧。比較 MSI 和 HSI 中的圖像堆棧，在 MSI 中，多個圖像是在不同的離散波長區(qū)域拍攝的，在 HSI 中，圖像是在更大的連續(xù)波長范圍內(nèi)拍攝的

應(yīng)用

需要 HSI 和 MSI 的應(yīng)用數(shù)量持續(xù)增長。這些技術(shù)在生命科學(xué)和遙感領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。更具體的市場包括農(nóng)業(yè)、食品質(zhì)量和安全、制藥和醫(yī)療保健3. 農(nóng)民發(fā)現(xiàn)這兩種技術(shù)都特別有用。為了掃描田野，拖拉機(jī)和無人機(jī)可以配備光譜成像儀。通過分析所拍攝圖像的光譜特征，農(nóng)民可以準(zhǔn)確地確定作物的狀況，包括植物的總體健康狀況、土壤狀況、用某些化學(xué)物質(zhì)處理過的區(qū)域或有害物質(zhì)的存在，例如侵?jǐn)_。所有信息都有獨特的光譜標(biāo)記，可以捕獲、分析和使用以確保最佳的農(nóng)產(chǎn)品生產(chǎn)。

醫(yī)療保健也是如此。在高光譜成像儀的幫助下，醫(yī)生現(xiàn)在可以對皮膚進(jìn)行無創(chuàng)掃描，以檢測患病或惡性細(xì)胞。某些波長更適合深入皮膚，因此可以更詳細(xì)地了解患者的狀況。在正確的刺激下，癌癥和其他患病細(xì)胞會發(fā)出熒光或吸收光線，從而使它們很容易與健康組織區(qū)分開來。醫(yī)生不再需要根據(jù)觀察或患者對癥狀的描述做出有根據(jù)的猜測。復(fù)雜的系統(tǒng)可以記錄并自動解釋光譜數(shù)據(jù)。這可以顯著加快診斷并迅速治療受影響的確切區(qū)域。?

幾十年來，HSI 和 MSI 一直是遙感的重要組成部分，遙感涉及使用無人駕駛飛行器 (UAV) 和衛(wèi)星對地球表面進(jìn)行航空成像。光譜攝影可以穿透地球大氣層和各種類型的云層，從而清晰地看到下面的地面。遙感可用于監(jiān)測人口變化、觀察地質(zhì)變化和研究考古遺址等任務(wù)。這些成像技術(shù)在環(huán)境研究中變得越來越重要。它們能夠收集有關(guān)森林砍伐、生態(tài)系統(tǒng)退化、碳循環(huán)和不穩(wěn)定天氣模式的數(shù)據(jù)。研究人員利用收集到的信息創(chuàng)建全球生態(tài)預(yù)測模型。

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受益于 HSI 和 MSI 的應(yīng)用程序空間數(shù)量龐大且不斷增加，但當(dāng)前技術(shù)的復(fù)雜性可能會減緩某些行業(yè)的采用速度。與其他機(jī)器視覺組件相比，這些系統(tǒng)要貴得多。傳感器更復(fù)雜，具有更寬的光譜靈敏度，并且必須精確校準(zhǔn)。傳感器芯片通常需要使用硅以外的基板，硅僅對大約 200 至 1000 nm 敏感。砷化銦 (InAs)、砷化鎵 (GaAs) 和砷化銦鎵 (InGaAs) 材料用于收集高達(dá) 2600 nm 的光。如果要求從 NIR 到 MWIR 成像，則需要汞鎘碲(MCT 或 HgCdTe)傳感器。1 .

將這些高端傳感器與適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件配對存在另一個挑戰(zhàn)。需要帶通濾波器、棱鏡或光柵等衍射光學(xué)器件，甚至液晶或聲光可調(diào)諧濾波器來分離不同波長的光，以便記錄光譜數(shù)據(jù)7. 此外，用于這些相機(jī)的鏡頭必須設(shè)計為能夠在廣泛的波長范圍和溫度波動下實現(xiàn)最佳工作。在設(shè)計中需要更多光學(xué)元件會增加系統(tǒng)成本和重量。這些元件還需要具有不同的折射率和色散特性以進(jìn)行寬帶色彩校正。不同的玻璃類型也具有不同的熱性能和機(jī)械性能。選擇具有適當(dāng)內(nèi)部透射光譜的玻璃后，必須在每個鏡片上涂上寬帶多層增透膜，以確保最大的光通量。這些情況下的眾多獨特要求使得 HSI 和 MSI 的鏡頭設(shè)計過程非常繁瑣，并且這種設(shè)計需要高超的技巧。

未來發(fā)展的目標(biāo)包括使 HSI 和 MSI 系統(tǒng)更加緊湊、價格合理且用戶友好。這些領(lǐng)域的改進(jìn)將鼓勵新市場使用該技術(shù)，并將推動已有市場的發(fā)展。