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(zhǎng)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(cè)量場(chǎng)景每個(gè)像素的連續(xù)光譜，不僅在可見(jiàn)光，而且在近紅外 (NIR) 中都具有良好的波長(zhǎng)分辨率). 撞擊每個(gè)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(gè) 3D 高光譜立方體，其中兩個(gè)維度表示場(chǎng)景的空間范圍，第三個(gè)維度表示其光譜內(nèi)容。

HSI 是通常稱(chēng)為光譜成像或光譜分析的一類(lèi)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(zhǎng)范圍(例如，400 至 1100 nm，步長(zhǎng)為 1 nm)，而 MSI 在選定位置使用目標(biāo)波長(zhǎng)的子集(例如，400 至 1100 nm)以 20 nm 為步長(zhǎng))。MSI 傳感器通常在每個(gè)像素中有 3 到 10 個(gè)不同的波段測(cè)量值，而 HSI 圖像可以包含數(shù)千個(gè)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(shù)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(jiàn)通道中，MSI 可用于識(shí)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(duì)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(lái)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(guó)陸地衛(wèi)星計(jì)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(shí)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(shí)還沒(méi)有微處理器，圖像處理必須在大型、集中的計(jì)算機(jī)中心進(jìn)行。從那時(shí)起，特別是在過(guò)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(cè)擴(kuò)展到農(nóng)業(yè)、工業(yè)分類(lèi)、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(dú)特識(shí)別的“指紋”。因此，HSI 具有廣泛的應(yīng)用，這要?dú)w功于其在識(shí)別物質(zhì)成分方面的無(wú)創(chuàng)、無(wú)標(biāo)記和無(wú)損能力。他們包括：

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

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

遙感：用于對(duì)農(nóng)業(yè)土壤、礦物、塑料、污染和監(jiān)測(cè)進(jìn)行分類(lèi)；

農(nóng)業(yè)：檢測(cè)疾病、水分脅迫和土壤質(zhì)量的早期癥狀，以?xún)?yōu)化控制生長(zhǎng)過(guò)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(shí)、何地制作或后來(lái)被改變的；

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

垃圾分類(lèi)：分類(lèi)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(duì)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(chǎng)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(chǎng)報(bào)告，全球高光譜成像市場(chǎng)預(yù)計(jì)在 2020 年至 2027 年間將以 8.2% 的復(fù)合年增長(zhǎng)率 (CAGR) 增長(zhǎng)，到 2027 年將達(dá)到 35.2 億美元。亞太地區(qū)和歐洲預(yù)計(jì)將成為增長(zhǎng)最快的地區(qū)，復(fù)合年增長(zhǎng)率分別為 9.3% 和 8.5%。

主要驅(qū)動(dòng)因素是對(duì)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(duì)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(jué)、環(huán)境監(jiān)測(cè)和軍事監(jiān)視。

高光譜的種類(lèi)

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

Whiskbroom(點(diǎn)掃描)一次捕獲一個(gè)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(guò)程中非常耗時(shí)，但該方法會(huì)產(chǎn)生非常高的光譜分辨率。

推掃式(線掃描)測(cè)量連續(xù)光譜，一次測(cè)量一行像素，廣泛應(yīng)用于工業(yè)質(zhì)量控制監(jiān)測(cè)過(guò)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(cè)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(zhǎng)的全部空間信息，一次一個(gè)波長(zhǎng)。雖然每個(gè)圖像速度很快，但由于改變波長(zhǎng)所需的時(shí)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(dòng)物體。