高光譜成像是一種將光譜學(xué)與成像能力相結(jié)合的強(qiáng)大技術(shù)。它能夠以傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的方式收集有關(guān)物體和表面的成分和特征。

由于其在識(shí)別和量化材料方面的非侵入性，高光譜成像在各個(gè)行業(yè)和研究應(yīng)用中越來(lái)越受歡迎。

高光譜成像是一種收集和處理電磁頻譜信息以獲得圖像中每個(gè)像素的頻譜的技術(shù)。這樣可以通過(guò)分析物體和材料獨(dú)特的光譜特征來(lái)識(shí)別它們。高光譜成像的應(yīng)用包括食品質(zhì)量和安全、廢物分類(lèi)和回收以及藥品生產(chǎn)中的控制和監(jiān)測(cè)。

電磁波譜描述了所有類(lèi)型的光，從很長(zhǎng)的無(wú)線電波、微波、紅外輻射、可見(jiàn)光、紫外線和 X 射線，到很短的伽馬射線——其中大部分是人眼看不見(jiàn)的（圖1）。

光譜成像是使用整個(gè)電磁頻譜的多個(gè)波段的成像。RGB 相機(jī)使用三個(gè)可見(jiàn)光波段（紅色、綠色和藍(lán)色）來(lái)創(chuàng)建圖像，而高光譜圖像可以檢查物體如何與更多波段（范圍從 250 nm 到 15,000 nm 以及熱紅外）相互作用。光與物質(zhì)相互作用的研究稱(chēng)為光譜學(xué)或光譜傳感。

圖 1.高光譜成像捕獲 250 nm 至 15,000 nm 的波長(zhǎng)和熱紅外

光譜成像系統(tǒng)是指捕獲和處理圖像中光波長(zhǎng)信息的一類(lèi)成像技術(shù)。這些系統(tǒng)旨在捕獲電磁頻譜中超出我們眼睛可見(jiàn)光范圍的多個(gè)波段或通道的信息。然后可以處理該數(shù)據(jù)以生成光譜數(shù)據(jù)的顏色編碼，從而提供有關(guān)圖像內(nèi)對(duì)象的化學(xué)和物理特性的信息。

高光譜成像涉及使用成像光譜儀（也稱(chēng)為高光譜相機(jī)）來(lái)收集光譜信息。

高光譜相機(jī)捕獲場(chǎng)景的光，并將其分為各個(gè)波長(zhǎng)或光譜帶。它提供場(chǎng)景的二維圖像，同時(shí)記錄圖像中每個(gè)像素的光譜信息。

成像結(jié)果是高光譜圖像，其中每個(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)行類(lèi)比。由于每種材料和化合物對(duì)光的反應(yīng)不同，因此它們的光譜特征也不同。就像指紋可以用來(lái)識(shí)別一個(gè)人一樣，光譜可以識(shí)別和量化場(chǎng)景中的材料。

高光譜成像系統(tǒng)分析光譜響應(yīng)，以根據(jù)圖像中的特征或物體的獨(dú)特光譜對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)和分類(lèi)。

通過(guò)結(jié)合數(shù)字成像和光譜儀的優(yōu)點(diǎn)，高光譜成像提供有關(guān)物體物理和化學(xué)特性的空間和光譜信息。光譜信息允許對(duì)材料進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)，空間信息提供有關(guān)材料分布和區(qū)域分離的數(shù)據(jù)。高光譜成像提供了有關(guān)“什么”（基于光譜）、“何處”（基于位置）的問(wèn)題的答案。

圖 2：為了匹配人類(lèi)視覺(jué)，使用紅、綠和藍(lán)三個(gè)色帶創(chuàng)建樹(shù)葉的數(shù)碼照片（頂部）。RGB 數(shù)據(jù)相當(dāng)于三頁(yè)的小冊(cè)子。相比之下，葉子的高光譜圖像（底部）捕獲 220 個(gè)波長(zhǎng)的光譜響應(yīng)。類(lèi)似的 220 頁(yè)書(shū)包含有關(guān)該物體的更多詳細(xì)信息

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，可以對(duì)材料進(jìn)行詳細(xì)表征。

高光譜相機(jī)測(cè)量數(shù)千或數(shù)十萬(wàn)個(gè)光譜，以創(chuàng)建包含位置、波長(zhǎng)和時(shí)間相關(guān)信息的大規(guī)模高光譜數(shù)據(jù)立方體。

與多光譜成像相比，高光譜成像提供了更多信息，可以更準(zhǔn)確地分析、識(shí)別和分離材料和物質(zhì)（要了解更多信息，請(qǐng)閱讀我們的文章高光譜與多光譜相機(jī)）。

高光譜成像使我們能夠區(qū)分具有相似物理或視覺(jué)特征的材料或人眼看不到的材料，例如不同的礦物。

高光譜成像是工業(yè)、研究和遙感中越來(lái)越多使用的技術(shù)。

高光譜成像系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)可在檢查過(guò)程中用于定位、分類(lèi)或量化普通相機(jī)或人眼不可見(jiàn)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(shí)別產(chǎn)品中的異物、污染物以及脂肪、糖或水分的含量。

通過(guò)遙感獲取的高光譜圖像提供有關(guān)地球表面的信息，例如礦物或植被。

高光譜成像可用于各種應(yīng)用，包括：

1.    環(huán)境監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)土地利用、植被健康和水質(zhì)隨時(shí)間的變化。這可以檢測(cè)生態(tài)退化的早期跡象并跟蹤保護(hù)。

2.    礦產(chǎn)勘查：繪制礦床地圖，檢測(cè)礦物成分和品位。

3.    質(zhì)量控制：食品的無(wú)損檢測(cè)和分級(jí)，無(wú)損檢測(cè)工業(yè)產(chǎn)品中的污染物和缺陷。

4.    廢物管理：可靠且高純度地分離各種材料。該信息可用于自動(dòng)化回收過(guò)程并增加回收材料的價(jià)值。

5.    農(nóng)業(yè)：評(píng)估作物的健康狀況和產(chǎn)量，監(jiān)測(cè)土壤濕度和養(yǎng)分含量，以優(yōu)化作物管理實(shí)踐并提高作物產(chǎn)量。農(nóng)業(yè)監(jiān)測(cè)通常使用無(wú)人機(jī)上安裝的高光譜相機(jī)來(lái)完成。

6.    軍事監(jiān)視：檢測(cè)和識(shí)別危險(xiǎn)材料。

這些只是高光譜成像如何為各種應(yīng)用提供有價(jià)值的信息的幾個(gè)例子。

總之，高光譜成像既是重要的研究工具，也是非常有用的機(jī)器視覺(jué)技術(shù)，可用于各行業(yè)改進(jìn)流程、提高質(zhì)量和減少浪費(fèi)。