高光譜成像是一種收集和處理整個(gè)電磁波譜信息以獲得圖像中每個(gè)像素的光譜的技術(shù)。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制藥生產(chǎn)中的控制和監(jiān)測。

電磁波譜描述了所有類型的光，從非常長的無線電波、微波、紅外輻射、可見光、紫外線和 X 射線，到非常短的伽馬射線——其中大部分是人眼無法看到的。

光譜成像是使用整個(gè)電磁波譜的多個(gè)波段的成像。雖然 RGB 相機(jī)使用三個(gè)可見光波段(紅色、綠色和藍(lán)色)來創(chuàng)建圖像，但高光譜圖像可以檢查物體如何與更多波段相互作用，范圍從 250 nm 到 15,000 nm 和熱紅外線。光與物質(zhì)相互作用的研究稱為光譜學(xué)或光譜傳感。

光譜成像儀

光譜成像系統(tǒng)是一種可以捕獲和處理圖像中光波長的成像技術(shù)。這些系統(tǒng)旨在捕獲超出我們眼睛可見光范圍的電磁波譜中的多個(gè)波段或信息通道。然后可以處理數(shù)據(jù)來生成光譜數(shù)據(jù)的顏色代碼，它可以提供圖像中物體的化學(xué)和物理特性。

高光譜成像如何工作?

高光譜成像涉及使用成像光譜儀(也稱為高光譜相機(jī))收集光譜信息。

高光譜相機(jī)捕捉場景的光，并將其分為單獨(dú)的波長或光譜帶。提供場景的二維圖像，并記錄圖像中每個(gè)像素的光譜信息。

結(jié)果是一個(gè)高光譜圖像，每個(gè)像素代表一個(gè)獨(dú)特的光譜。這種獨(dú)特的光譜可以與指紋進(jìn)行比較。由于每種材料和化合物對光的反應(yīng)不同，它們的光譜特性也不同。就像指紋可以用來識別一個(gè)人一樣，光譜可以識別和定量場景中的材料。

高光譜成像提供什么信息?

根據(jù)其獨(dú)特的光譜檢測和分類圖像中的特征或?qū)ο?，分析高光譜成像系統(tǒng)的光譜響應(yīng)。

高光譜成像結(jié)合數(shù)字成像和光譜儀的優(yōu)點(diǎn)，為物體的物理和化學(xué)特性提供空間和光譜信息。光譜信息允許識別和分類材料，空間信息提供與材料分布和區(qū)域分離相關(guān)的數(shù)據(jù)。高光譜成像可以回答“什么”(基于光譜)、“在哪里”(基于位置)和“何時(shí)”的問題。

圖1：為了匹配人類的視覺，一張葉子的數(shù)碼照片(頂部)由三個(gè)波段創(chuàng)建：紅色、綠色和藍(lán)色。RGB數(shù)據(jù)相當(dāng)于一本三頁的小冊子。相比之下，葉子的高光譜圖像(底部)捕獲了220個(gè)波長的光譜響應(yīng)。

高光譜成像有哪些優(yōu)點(diǎn)?

高光譜成像的主要優(yōu)點(diǎn)之一是其高空間和光譜分辨率，可以詳細(xì)表示材料。

為了創(chuàng)建包含位置、波長和時(shí)間相關(guān)信息的海量高光譜數(shù)據(jù)立方體，高光譜相機(jī)測量數(shù)千或數(shù)十萬個(gè)光譜。

與多光譜成像相比，高光譜成像提供了更多的信息，可以更準(zhǔn)確地分析、識別和分離材料和材料(請閱讀我們的文章高光譜和多光譜相機(jī))。

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見的材料，如不同的礦物質(zhì)。

高光譜成像有什么用?

越來越多的技術(shù)被用于工業(yè)、研究和遙感。

在檢查過程中，高光譜成像系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)可用于定位、分類或量化普通相機(jī)或人眼看不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、污染物和脂肪、糖或水分含量。

地球表面的信息，如礦物或植被，是通過遙感獲得的高光譜圖像提供的。

高光譜成像用于各種應(yīng)用，包括：

環(huán)境監(jiān)測：隨著時(shí)間的推移，監(jiān)測土地利用、植被健康和水質(zhì)的變化。這允許檢測生態(tài)退化的早期跡象，并跟蹤保護(hù)工作的有效性。

礦產(chǎn)勘察：測繪礦床，檢測礦物成分和品位。

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

廢物管理：分離范圍廣的高純度材料可靠。該信息可用于自動(dòng)回收過程，并增加回收材料的價(jià)值。

農(nóng)業(yè)：評估作物的健康狀況和產(chǎn)量，監(jiān)測土壤水分和營養(yǎng)含量，優(yōu)化作物管理實(shí)踐，提高作物產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)監(jiān)測通常由安裝在無人機(jī)上的高光譜相機(jī)完成。

軍事監(jiān)測：危險(xiǎn)材料的檢測和識別。

這些只是高光譜成像如何為各種應(yīng)用程序提供有價(jià)值信息的幾個(gè)例子，目前高光譜成像技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，更有價(jià)值的作用需要人們?nèi)ネ诰颉?/p>

總之，高光譜成像不僅是研究的重要工具，也是各行各業(yè)改進(jìn)工藝、提高質(zhì)量、減少浪費(fèi)的非常有用的機(jī)器視覺技術(shù)。