高光譜和多光譜成像

高光譜和多光譜成像是兩種類似的技術(shù)，在過去二十年中，這兩種技術(shù)的重要性和實用性不斷提高。這些術(shù)語通常被合并為具有相同的含義，但代表兩種不同的成像方法，每種方法都有自己的應用空間。與傳統(tǒng)的機器視覺成像方法相比，這兩種技術(shù)都具有優(yōu)勢，后者利用來自可見光譜（400-700nm）的光。然而，在照明、濾波和光學設(shè)計方面，這些好處伴隨著系統(tǒng)復雜性的增加。在典型的機器視覺應用中，傳感器使用和捕獲的照明在可見光譜中。這部分光譜由人眼唯一能檢測到的光組成，范圍從大約400nm（紫色）到700nm（暗紅色）（圖1）。成像透鏡組件和傳感器通常具有大約550nm的峰值光譜靈敏度。相機傳感器的量子效率是將光子轉(zhuǎn)換為電信號的能力；這種效率在紫外線或近紅外線中顯著降低。最簡單地說，高光譜成像（HSI）是一種捕獲圖像的方法，該圖像包含來自電磁光譜更廣泛部分的信息。這部分可以從紫外線開始，延伸到可見光譜，最后到達近紅外或短波紅外。該擴展的波長范圍可以揭示在其他方面不明顯的材料組成的性質(zhì)。圖1：只有一小部分波長光譜對人眼可見，可見光譜之外的波長區(qū)域用于高光譜和多光譜成像。機器視覺傳感器輸出灰度值陣列，從而在觀看區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生物體的2D圖像。它的功能用途通常是用于分類、測量或定位對象的特征識別。視覺系統(tǒng)不知道用于照明的波長，除非使用濾光器。對于具有拜耳模式（RGB）濾波器的傳感器來說，情況并非如此，但即使如此，每個像素也被限制接受來自窄帶波長的光，而相機軟件是最終分配顏色的原因。在真正的高光譜圖像中，每個像素對應于坐標、信號強度和波長信息。因此，HSI通常被稱為成像光譜學。順便說一句，光譜儀收集波長信息以及檢測到的不同波長的相對強度信息。這些設(shè)備通常從樣本上的單一光源或位置收集光。光譜儀可用于檢測散射和反射特定波長的物質(zhì)，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)提升到了一個新的水平。高光譜系統(tǒng)不輸出2D圖像，而是輸出高光譜數(shù)據(jù)立方體或圖像立方體。使用了四種主要的高光譜采集模式，每種模式都有一系列優(yōu)點和缺點（圖2）。掃頻法是一種點掃描過程，每次獲取一個空間坐標的光譜信息。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軸上掃描目標區(qū)域，這大大增加了總采集時間。推送室方法是一種線掃描數(shù)據(jù)捕獲，其中當一行像素在一個區(qū)域上掃描以捕獲光譜和位置信息時，需要單個空間移動軸。這些推送室系統(tǒng)可以具有“緊湊的尺寸、低重量、更簡單的操作和更高的信噪比”。當使用這種HSI方法時，準確地確定曝光時間是至關(guān)重要的。不正確的曝光時間將導致光譜帶的飽和度不一致或曝光不足。這種稱為平面掃描的方法一次對整個2D區(qū)域進行成像，但在每個波長間隔進行，并涉及多次圖像捕獲，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，但在采集過程中受試者不移動是至關(guān)重要的；否則位置和光譜信息的準確性將受到損害。第四種也是最近開發(fā)的高光譜圖像采集模式被稱為單次拍攝或快照。單次成像儀在一個積分周期內(nèi)收集整個高光譜數(shù)據(jù)立方體。盡管單次拍攝似乎是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，需要進一步開發(fā)。圖2：四種主要的高光譜采集模式，包括（A）點掃描或掃帚模式、（B）線掃描或推室模式、（C）平面掃描或區(qū)域掃描模式和（D）單次拍攝模式。多光譜成像（MSI）系統(tǒng)與高光譜成像系統(tǒng)相似，但有關(guān)鍵區(qū)別。與HSI的有效連續(xù)波長數(shù)據(jù)收集相比，MSI專注于基于手頭應用的幾個預選波段。雖然不是一個直接的例子或比較，但常見的RGB傳感器有助于說明這一概念。RGB傳感器覆蓋有拜耳圖案，由紅色、綠色和藍色濾光片組成。這些濾光器允許來自特定色帶的波長被像素吸收，而其余的光被衰減。帶通濾波器具有在400-700nm范圍內(nèi)的透射帶，并且具有輕微的光譜重疊。這方面的一個例子可以在圖3中看到。然后，捕捉到的圖像被渲染為假彩色，以接近人眼所看到的。在大多數(shù)多光譜成像應用中，波段明顯更窄，數(shù)量更多。波段通常在幾十納米的數(shù)量級上，并且不僅僅是可見光譜的一部分。根據(jù)應用，UV、NIR和熱波長（中波IR）也可以具有隔離通道。圖3：RGB相機曲線的量子效率曲線，顯示紅色、綠色和藍色之間的重疊。一些人認為MSI是HSI的一種更糟糕的形式，具有較低的光譜分辨率。事實上，這兩種技術(shù)都有各自的優(yōu)勢，使它們成為不同任務的首選工具。HSI最適合對連續(xù)頻譜上信號的細微差異敏感的應用。這些小信號可能會被采樣較大波段的系統(tǒng)錯過。然而，一些系統(tǒng)需要屏蔽電磁頻譜的重要部分，以選擇性地捕獲光（圖4）。其他波長可能會產(chǎn)生顯著的噪聲，這可能會破壞測量和觀測。此外，如果數(shù)據(jù)立方體中包含的光譜信息較少，則可以更快地進行圖像捕獲、處理和分析。圖4：多光譜成像和高光譜成像中圖像堆棧的比較，前者有在幾個不同光譜中拍攝的圖像，后者有在許多不同光譜中獲取的圖像。需要使用HSI和MSI的應用程序空間的數(shù)量繼續(xù)增長。遙感，即使用無人機和衛(wèi)星對地球表面進行空中成像，幾十年來一直依賴HSI和MSI。光譜攝影可以穿透地球的大氣層和不同的云層，以獲得下面地面的清晰景象。這項技術(shù)可以用于監(jiān)測人口變化、觀察地質(zhì)變化和研究考古遺址。此外，HSI和MSI技術(shù)在環(huán)境研究中變得越來越重要?？梢允占嘘P(guān)森林砍伐、生態(tài)系統(tǒng)退化、碳回收和日益不穩(wěn)定的天氣模式的數(shù)據(jù)。研究人員利用收集到的信息創(chuàng)建全球生態(tài)的預測模型，這推動了許多旨在應對氣候變化和人類對自然影響的環(huán)境倡議。在醫(yī)學領(lǐng)域也是如此?，F(xiàn)在，醫(yī)生可以在高光譜成像的幫助下對皮膚進行無創(chuàng)掃描，以檢測病變或惡性細胞。某些波長更適合深入皮膚，從而更詳細地了解患者的病情。癌癥和其他患病細胞現(xiàn)在很容易與健康組織區(qū)分開來，因為它們會在正確的刺激下發(fā)出熒光并吸收光。醫(yī)生不再需要根據(jù)他們所能看到的情況和患者對癥狀的描述做出有根據(jù)的猜測。復雜的系統(tǒng)可以記錄和自動解釋光譜數(shù)據(jù)，從而大大加快診斷和快速處理準確的需求區(qū)域。生命科學和遙感只是這些技術(shù)產(chǎn)生巨大影響的少數(shù)幾個主題。更具體的市場領(lǐng)域包括農(nóng)業(yè)、食品質(zhì)量和安全、藥品和醫(yī)療保健。3農(nóng)民發(fā)現(xiàn)這些工具特別有用，可以決定作物的生長。拖拉機和無人機可以配備光譜成像儀，在進行低空遙感的同時對田地進行掃描。然后，農(nóng)民們分析捕捉到的圖像的光譜特征。這些特征有助于確定植物的總體健康狀況、土壤狀態(tài)、用某些化學物質(zhì)處理過的區(qū)域，或者是否存在感染等有害物質(zhì)。所有信息都有獨特的光譜標記，可以捕捉、分析并用于確保農(nóng)產(chǎn)品的最佳生產(chǎn)。盡管受益于HSI和MSI的應用空間很大，而且還在增加，但當前技術(shù)的局限性導致行業(yè)采用緩慢。目前，與其他機器視覺組件相比，這些系統(tǒng)明顯更昂貴。傳感器需要更復雜，具有更寬的光譜靈敏度，并且必須精確校準。傳感器芯片通常需要使用硅以外的襯底，硅僅對大約200-1000nm敏感。砷化銦（InAs）、砷化鎵（GaAs）或砷化銦鎵（InGaAs）可用于收集高達2600nm的光。如果要求通過MWIR從NIR成像，則需要汞鎘碲（MCT或HgCdTe）傳感器、銻化銦（InSb）焦平面陣列、砷化銦鎵（InGaAs）焦平面數(shù)組、微測輻射熱計或其他更長波長的傳感器。這些系統(tǒng)中使用的傳感器和像素也需要比許多機器視覺傳感器更大，才能達到所需的靈敏度和空間分辨率。當將這些高端傳感器與合適的光學組件配對時，會出現(xiàn)另一個挑戰(zhàn)。光譜數(shù)據(jù)記錄在很大程度上依賴于帶通濾波器、衍射光學器件（如棱鏡或光柵），甚至液晶或聲光可調(diào)諧濾波器來分離不同波長的光。此外，用于這些相機的鏡頭必須經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計，并在巨大的波長范圍和溫度波動中兼容。這些設(shè)計必須具有更多的光學元件，這增加了成本和系統(tǒng)重量。元件將需要具有不同的折射率和色散特性以進行寬帶顏色校正。不同的玻璃類型也會導致不同的熱性能和機械性能。在選擇具有適當內(nèi)部透射光譜的眼鏡后，必須在每個鏡片上涂上寬帶多層防反射涂層，