什么是高光譜相機？

高光譜相機可以掃描物體并確定該物體的組成材料。例如，它可以確定一塊牛排中的水、脂肪或蛋白質(zhì)含量。它的工作原理是測量每種材料與光的相互作用方式。通過這種方式，可以創(chuàng)建特定于該材料的特殊特征。

高光譜相機如何工作？

相機測量數(shù)千或數(shù)十萬個光譜。光譜描述不同波長的光量。測量的波長取決于相機，因此應選擇合適的相機進行正確的測量。
它顯示從目標發(fā)射、反射或透射的光量。它顯示光包含多少某種顏色。光譜特征可用于識別材料。
相機檢查光在目標中的行為方式，并根據(jù)不同的光譜特征識別材料?？梢詮牟牧系墓庾V中識別光譜特征。

高光譜相機有何用途？

高光譜相機有多種用途，可用于各行各業(yè)，以下是一些示例：

食品行業(yè)：食品行業(yè)有多種用途，可實現(xiàn)自動化和強大的質(zhì)量控制流程。例如，測量肉類的化學成分以確定脂肪和蛋白質(zhì)含量或識別骨骼、軟骨或其他材料。還可以測量水果、漿果和蔬菜的瑕疵、成熟度、顏色和大小。
回收和廢物管理：回收工廠需要能夠以最有效的方式識別材料的成分。通過使用高光譜成像，可以根據(jù)光譜指紋識別和分類材料。
制藥行業(yè)：使用光譜相機可以評估產(chǎn)品的化學成分，以確保使用正確的成分濃度。
顏色： 光譜相機可以精 確測量顯示和數(shù)字印刷。高光譜彩色掃描儀可以提供速度和準確性，以實現(xiàn)在線印刷質(zhì)量控制。
藝術(shù)分析：檢查藝術(shù)家使用的材料成分，以檢查它們是否與時期一致，從而確定藝術(shù)品的年代。
采礦和石油：光譜成像可以從樣品中快速高效地勘探礦物，并可用于采礦現(xiàn)場的加工。

幾十年來，遙感、使用無人駕駛飛行器 (UAV) 和衛(wèi)星對地球表面進行航空成像一直依賴于 HSI 和 MSI。光譜攝影可以穿透地球大氣層和不同的云層，從而清晰地看到下面的地面。這項技術(shù)可用于監(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森林砍伐、生態(tài)系統(tǒng)退化、碳循環(huán)和越來越不穩(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)預測模型，從而推動許多旨在對抗氣候變化和人類對自然影響的負面影響的環(huán)境舉措。

醫(yī)療領域也是如此。現(xiàn)在，醫(yī)生可以借助高光譜成像技術(shù)對皮膚進行非侵入性掃描，以檢測患病或惡性細胞。某些波長更適合深入皮膚，從而更詳細地了解患者的病情?，F(xiàn)在，癌癥和其他患病細胞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)出熒光并吸收光線。醫(yī)生不再需要根據(jù)他們所看到的內(nèi)容和患者的癥狀描述做出有根據(jù)的猜測。先進的系統(tǒng)可以記錄并自動解釋光譜數(shù)據(jù)，從而大大加快診斷速度并快速治療需要的確切部位。

生命科學和遙感只是這些技術(shù)發(fā)揮巨大作用的幾個主題。更具體的市場領域包括農(nóng)業(yè)、食品質(zhì)量和安全、制藥和醫(yī)療保健。3農(nóng)民發(fā)現(xiàn)這些工具特別有用，可以讓他們確定農(nóng)作物的生長情況。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掃描田地。然后，農(nóng)民分析所捕獲圖像的光譜特性。這些特性有助于確定植物的總體健康狀況、土壤狀態(tài)、用某些化學品處理過的區(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，可以捕獲、分析和使用，以確保農(nóng)產(chǎn)品的最 佳產(chǎn)量。

用于醫(yī)療和工業(yè)機器視覺系統(tǒng)的多光譜成像

正如機器視覺系統(tǒng)從傳統(tǒng)的單色相機發(fā)展到現(xiàn)在利用全彩色成像信息的眾多系統(tǒng)一樣，機器視覺系統(tǒng)也從僅捕獲可見光譜中的寬帶圖像的系統(tǒng)發(fā)展到可以利用可見和不可見光譜區(qū)域中的目標光譜帶執(zhí)行更復雜的檢查和分析的系統(tǒng)。

如今，機器視覺行業(yè)中使用的相機的彩色輸出主要基于拜耳模式或三線傳感器技術(shù)。但成像已經(jīng)遠遠超出了傳統(tǒng)色彩的范圍，標準 RGB 不足以執(zhí)行檢查任務。一些應用需要非常規(guī) RGB 波長帶，而其他應用則需要可見波長和不可見波長的組合。其他應用則僅需要不可見波長，例如 UV、NIR 或 SWIR，而沒有可見光譜中的波段。

復雜的計量和成像應用開始要求更高的光譜通道數(shù)量，或者在高檢測吞吐量下選擇特定應用的光譜過濾的可能性。隨著傳統(tǒng)機器視覺行業(yè)與復雜的測量技術(shù)的融合，一致、可靠、高保真度的彩色和多光譜成像在工業(yè)質(zhì)量控制中發(fā)揮著關鍵作用。

多光譜相機可捕獲電磁頻譜中特定頻率的圖像數(shù)據(jù)。波長可以通過濾光片或?qū)μ囟úㄩL敏感的儀器分離，包括超出我們可見光頻率的光，例如紅外線。光譜成像還可以提取人眼無法捕捉的額外信息。

什么是多光譜成像？

“多光譜”一詞經(jīng)常被誤解或曲解。這完全是因為物理教科書中沒有“多光譜”的固定定義。字面意思是使用多個光譜帶進行成像。根據(jù)此定義，即使是 RGB 相機也可以歸入多光譜成像類別。雙波段 RGB-NIR 相機也可以稱為多光譜相機，因為它同時覆蓋可見光和 NIR 光譜帶。

成像界有一種不言而喻的共識，即 2 到 15 個波段的成像可以稱為多光譜成像。話雖如此，但成像行業(yè)中有些公司將多光譜擴展到具有多達 25 個波段的系統(tǒng)。盡管情況有些模糊，但科學文獻中有一個觀點已經(jīng)得到很好的定義，那就是：多光譜成像可以由彼此離散定位的光譜帶組成。它們不必是連續(xù)的。

例如，多光譜成像系統(tǒng)可以在可見光譜內(nèi)具有兩個光譜波段，彼此分離（例如，一個波段在藍色區(qū)域，第二個波段在紅色區(qū)域），第三個波段在 NIR 區(qū)域，第四個波段在 SWIR 區(qū)域。因此，多光譜成像在定義的光譜范圍內(nèi)的選定位置使用目標波長的子集。

多光譜成像應用

多光譜成像增強了農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和其他使用機器視覺相機的工業(yè)應用等多種應用的檢測能力。隨著世界人口的增加和可預見的自然資源短缺，高效且質(zhì)量可控的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)已成為當務之急。

如今，大多數(shù)農(nóng)民都使用目視檢查作為控制作物生長和品質(zhì)的評估方法。但人眼所能感知的內(nèi)容是有限且主觀的。許多品質(zhì)評估不僅超出了人類視覺的范圍，也超出了傳統(tǒng) RGB 彩色成像的范圍。

采用精準農(nóng)業(yè)策略和智能耕作方法的農(nóng)場使用多光譜相機來幫助實現(xiàn)高效率，顯著降低勞動力成本并獲得更準確的結(jié)果。多光譜圖像是評估土壤生產(chǎn)力和分析植物健康狀況的非常有效的工具。用肉眼觀察土壤和農(nóng)作物的健康狀況非常有限，而且是被動的。多光譜傳感器技術(shù)使農(nóng)民能夠比肉眼看得更遠。

除了估算作物產(chǎn)量外，多光譜成像還可以幫助農(nóng)民查看受損作物并對作物生長管理做出必要的調(diào)整。使用多光譜成像識別雜草、疾病和害蟲越來越受歡迎，因為早期檢測有助于優(yōu)化方法和資源，促進植物良好生長。多光譜成像還可以幫助計數(shù)植物和確定農(nóng)場人口密度。它不僅有助于提供土壤肥力數(shù)據(jù)，而且在與作物生產(chǎn)相關的土地管理方面也具有巨大潛力。

除了與植物生長相關的輔助之外，多光譜成像結(jié)合深度學習和人工智能還可以幫助控制和測量作物灌溉以及監(jiān)測牲畜。

對于水果和蔬菜產(chǎn)品的檢驗，多光譜成像可以提供可見波長和不可見波長的組合，以同時測量和分析外在特征（如顏色、紋理、表面損傷、形狀和大小）和內(nèi)在特征（如干物質(zhì)含量、成熟度、水分含量、糖和脂肪含量）。

同樣，在肉類和魚類檢查中，多光譜成像有助于分析切口、脂肪和骨骼含量，檢查皮膚表面的損傷以及肉的顏色。

多光譜成像可以為醫(yī)療應用帶來巨大價值，尤其是在外科手術(shù)中。將彩色成像與 NIR 波段相結(jié)合有助于定位和區(qū)分腫瘤和周圍組織。多光譜設置可以通過多種方式實現(xiàn)，但一種非常高效且經(jīng)濟實惠且可降低系統(tǒng)復雜性的方法是使用基于棱鏡的多傳感器相機。

對于內(nèi)窺鏡手術(shù)成像應用，可以同時捕獲不同波段的兩到三幅圖像。這些圖像將被“融合”，使得不可見 NIR 通道的元素疊加在可見 RGB 圖像上，為外科醫(yī)生提供其正在手術(shù)的組織或血管的“增強”視圖。

多光譜成像還可以幫助制藥片劑的制造和包裝，從制粒到片劑條的填充和密封。將 RGB 顏色與 NIR 波長相結(jié)合，不僅可以對包裝和泡罩進行表面檢查，還可以幫助通過泡罩包裝進行成像。這有助于識別、計數(shù)和分析多個單個藥片的質(zhì)量，這些藥片可以在任何給定的包裝中同時確定。

在 PCB 檢查等工業(yè)應用中，RGB 和 NIR 波段同時成像非常有幫助，不僅可以檢查電容器、晶體管和其他元件等表面元件，還可以檢查埋藏的銅或金導線。特別是在電子產(chǎn)品回收方面，對貴金屬和元件的精 確檢查非常有幫助。

在紡織品和印刷檢測中，多光譜相機有助于重現(xiàn)和測量準確的顏色。不僅可以對樣品進行準確的顏色匹配，還可以準確識別各種服裝材料，例如皮革、乙烯基、塑料、線、金屬和聚酯。

一般來說，所有需要可見光譜內(nèi)離散波段的應用，或者需要從可見光譜擴展到 NIR 波段或 SWIR 的應用，都將受益于使用多光譜成像。

高光譜和多光譜成像的未來

用于測量物體光譜分布的傳統(tǒng)光譜儀已經(jīng)經(jīng)過了幾十年的試驗和測試。這些光譜儀非常準確，但無法提供更大的視野，而且點測量技術(shù)近年來發(fā)展不大。

基于相機的成像技術(shù)是光譜成像的未來。然而，眾所周知，高光譜成像在所有成像和圖像處理領域都具有巨大的潛力。這是因為光譜成像或光譜分析是任何材料的最終物理足跡。在尋找這種光譜足跡的過程中，高光譜成像作為一種技術(shù)將繼續(xù)發(fā)展。事實上，它已經(jīng)從太空和衛(wèi)星成像發(fā)展到現(xiàn)在可用于許多機器視覺應用。它在實驗室和研究應用中取得了巨大進展。但是，盡管這項技術(shù)具有潛力，但它在工業(yè)應用方面尚未取得許多突破。我們確實看到工業(yè)成像的一些領域使用了高光譜成像，我們也確實聽到了很多關于這項技術(shù)可能性的炒作，然而它仍然非常復雜、昂貴，而且在技術(shù)上還達不到大多數(shù)工業(yè)檢測應用的標準。

從商業(yè)角度來看，為了獲得較大的市場份額，公司希望實施利基技術(shù)，但同時也希望市場能夠承受得起。而如今，高光譜成像無法做到這一點。鑒于當今高光譜成像的局限性，多光譜成像可作為工業(yè)化批量生產(chǎn)商品檢測的橋梁技術(shù)，具有高吞吐量、高分辨率、高穩(wěn)健性、有競爭力的價格、易于使用和集成等特點，且基于有限數(shù)量的光譜波段。