高光譜成像是一種收集和處理整個電磁波譜信息以獲得圖像中每個像素的光譜的技術。高光譜成像的應用包括食品質量和安全、廢物分類和回收以及制藥生產中的控制和監測。

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電磁波譜的多個波段的成像。雖然 RGB 相機使用三個可見光波段(紅色、綠色和藍色)來創建圖像，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。光與物質相互作用的研究稱為光譜學或光譜傳感。

光譜成像儀

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

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)收集光譜信息。

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

結果是一個高光譜圖像，每個像素代表一個獨特的光譜。這種獨特的光譜可以與指紋進行比較。由于每種材料和化合物對光的反應不同，它們的光譜特性也不同。就像指紋可以用來識別一個人一樣，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?

根據其獨特的光譜檢測和分類圖像中的特征或對象，分析高光譜成像系統的光譜響應。

高光譜成像結合數字成像和光譜儀的優點，為物體的物理和化學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域分離相關的數據。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”的問題。

圖1：為了匹配人類的視覺，一張葉子的數碼照片(頂部)由三個波段創建：紅色、綠色和藍色。RGB數據相當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個波長的光譜響應。

高光譜成像有哪些優點?

高光譜成像的主要優點之一是其高空間和光譜分辨率，可以詳細表示材料。

為了創建包含位置、波長和時間相關信息的海量高光譜數據立方體，高光譜相機測量數千或數十萬個光譜。

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)。

高光譜成像使我們能夠區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。

高光譜成像有什么用?

越來越多的技術被用于工業、研究和遙感。

在檢查過程中，高光譜成像系統提供的數據可用于定位、分類或量化普通相機或人眼看不見的各種材料的濃度。例如，集成到在線質量控制系統中的高光譜成像系統可以識別產品中的異物、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用，包括：

環境監測：隨著時間的推移，監測土地利用、植被健康和水質的變化。這允許檢測生態退化的早期跡象，并跟蹤保護工作的有效性。

礦產勘察：測繪礦床，檢測礦物成分和品位。

質量控制：工業產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。該信息可用于自動回收過程，并增加回收材料的價值。

農業：評估作物的健康狀況和產量，監測土壤水分和營養含量，優化作物管理實踐，提高作物產量。農業監測通常由安裝在無人機上的高光譜相機完成。

軍事監測：危險材料的檢測和識別。

這些只是高光譜成像如何為各種應用程序提供有價值信息的幾個例子，目前高光譜成像技術應用越來越廣泛，更有價值的作用需要人們去挖掘。

總之，高光譜成像不僅是研究的重要工具，也是各行各業改進工藝、提高質量、減少浪費的非常有用的機器視覺技術。