高光谱成像：综合知识

高光谱成像是一种收集和处理整个电磁波谱信息以获得图像中每个像素的光谱的技术。高光谱成像的应用包括食品质量和安全、废物分类和回收以及制药生产中的控制和监测。

电磁波谱描述了所有类型的光，从非常长的无线电波、微波、红外辐射、可见光、紫外线和 X 射线，到非常短的伽马射线——其中大部分是人眼无法看到的。

光谱成像是使用整个电磁波谱的多个波段的成像。虽然 RGB 相机使用三个可见光波段(红色、绿色和蓝色)来创建图像，但高光谱图像可以检查物体如何与更多波段相互作用，范围从 250 nm 到 15,000 nm 和热红外线。光与物质相互作用的研究称为光谱学或光谱传感。

光谱成像仪

光谱成像系统是一种可以捕获和处理图像中光波长的成像技术。这些系统旨在捕获超出我们眼睛可见光范围的电磁波谱中的多个波段或信息通道。然后可以处理数据来生成光谱数据的颜色代码，它可以提供图像中物体的化学和物理特性。

高光谱成像如何工作?

高光谱成像涉及使用成像光谱仪(也称为高光谱相机)收集光谱信息。

高光谱相机捕捉场景的光，并将其分为单独的波长或光谱带。提供场景的二维图像，并记录图像中每个像素的光谱信息。

结果是一个高光谱图像，每个像素代表一个独特的光谱。这种独特的光谱可以与指纹进行比较。由于每种材料和化合物对光的反应不同，它们的光谱特性也不同。就像指纹可以用来识别一个人一样，光谱可以识别和定量场景中的材料。

高光谱成像提供什么信息?

根据其独特的光谱检测和分类图像中的特征或对象，分析高光谱成像系统的光谱响应。

高光谱成像结合数字成像和光谱仪的优点，为物体的物理和化学特性提供空间和光谱信息。光谱信息允许识别和分类材料，空间信息提供与材料分布和区域分离相关的数据。高光谱成像可以回答“什么”(基于光谱)、“在哪里”(基于位置)和“何时”的问题。

图1：为了匹配人类的视觉，一张叶子的数码照片(顶部)由三个波段创建：红色、绿色和蓝色。RGB数据相当于一本三页的小册子。相比之下，叶子的高光谱图像(底部)捕获了220个波长的光谱响应。

高光谱成像有哪些优点?

高光谱成像的主要优点之一是其高空间和光谱分辨率，可以详细表示材料。

为了创建包含位置、波长和时间相关信息的海量高光谱数据立方体，高光谱相机测量数千或数十万个光谱。

与多光谱成像相比，高光谱成像提供了更多的信息，可以更准确地分析、识别和分离材料和材料(请阅读我们的文章高光谱和多光谱相机)。

高光谱成像使我们能够区分具有相似物理或视觉特征的材料或人眼看不见的材料，如不同的矿物质。

高光谱成像有什么用?

越来越多的技术被用于工业、研究和遥感。

在检查过程中，高光谱成像系统提供的数据可用于定位、分类或量化普通相机或人眼看不见的各种材料的浓度。例如，集成到在线质量控制系统中的高光谱成像系统可以识别产品中的异物、污染物和脂肪、糖或水分含量。

地球表面的信息，如矿物或植被，是通过遥感获得的高光谱图像提供的。

高光谱成像用于各种应用，包括：

环境监测：随着时间的推移，监测土地利用、植被健康和水质的变化。这允许检测生态退化的早期迹象，并跟踪保护工作的有效性。

矿产勘察：测绘矿床，检测矿物成分和品位。

质量控制：工业产品中的污染物和缺陷，食品的无损检测和分级。

废物管理：分离范围广的高纯度材料可靠。该信息可用于自动回收过程，并增加回收材料的价值。

农业：评估作物的健康状况和产量，监测土壤水分和营养含量，优化作物管理实践，提高作物产量。农业监测通常由安装在无人机上的高光谱相机完成。

军事监测：危险材料的检测和识别。

这些只是高光谱成像如何为各种应用程序提供有价值信息的几个例子，目前高光谱成像技术应用越来越广泛，更有价值的作用需要人们去挖掘。

总之，高光谱成像不仅是研究的重要工具，也是各行各业改进工艺、提高质量、减少浪费的非常有用的机器视觉技术。