在過去的二十年中，高光譜成像(HSI) 和 多光譜成像(MSI) 的重要性和實用性一直在增長。盡管這些術語經常被混為一談，但它們代表了兩種截然不同的成像實踐，每一種都適合自己的應用空間。與僅使用可見光譜的光的標準機器視覺成像相比，這兩種技術都具有優(yōu)勢。然而，隨著 HSI 和 MSI 的優(yōu)勢，成像系統(tǒng)在照明、過濾和光學設計方面的復雜性也隨之增加。

高光譜和多光譜成像在農業(yè)中用于監(jiān)測廣泛電磁頻譜范圍內田地的健康狀況

在典型的機器視覺應用中，傳感器使用和捕獲的照明大約在 400 nm(紫色)到 700 nm(深紅色)之間(圖 1)。通常使用在 550 nm 附近具有峰值光譜靈敏度的成像透鏡組件和傳感器收集光。大多數相機傳感器的量子效率，或將光子轉換為電信號的能力，在擴展到紫外或近紅外時會顯著降低。

圖 1.可見光譜之外的波長區(qū)域用于高光譜和多光譜成像

用最簡單的術語來說，HSI 捕獲的圖像包含來自更廣泛電磁頻譜部分的信息。該范圍可以從紫外光開始，延伸到可見光譜，并以近紅外或短波紅外結束。擴展的波長范圍可以揭示材料成分的特性，否則這些特性是不明顯的。

機器視覺中使用的傳感器將輸出一系列灰度值，從而生成查看區(qū)域內某些對象的二維圖像。其功能用途通常是為了分類、測量或定位對象而進行的特征識別。除非使用光學過濾，否則視覺系統(tǒng)無法識別用于照明的波長。對于具有拜耳濾光片圖案 (RGB) 的傳感器來說顯然不是這樣，但即便如此，每個像素都僅限于接受來自窄波長帶的光，并且相機軟件會在事后分配顏色。在真正的高光譜圖像中，每個像素對應坐標、信號強度和波長信息。因此，HSI 通常被稱為成像光譜學1。

順便說一句，光譜儀收集波長信息以及檢測到的各種波長的相對強度信息2。這些設備通常從樣本上的單一來源或位置收集光。它們可用于檢測散射和反射特定波長的物質的存在，或基于熒光或磷光發(fā)射的材料成分。HSI 系統(tǒng)通過將位置數據分配給收集的光譜，將這項技術提升到一個新的水平。高光譜系統(tǒng)不輸出二維圖像，而是輸出高光譜數據立方體或圖像立方體3。

圖像采集模式

目前使用四種主要的高光譜采集模式或方法，每種模式或方法各有優(yōu)缺點(圖 2)。第一個稱為掃帚，是一種點掃描過程，一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，從而顯著增加總采集時間1。

圖 2.四種主要的高光譜采集模式是點掃描或掃帚(a);線掃描，或推掃式(b);平面或區(qū)域掃描(c);和單發(fā)，或快照(d)

第二種模式稱為推掃式，使用線掃描數據捕獲技術。當一行像素掃描一個區(qū)域以捕獲光譜和位置信息時，只需要一個空間運動軸。推掃式系統(tǒng)體積小、重量輕、操作簡單且信噪比高1。使用此方法時，正確選擇曝光時間至關重要。忽視這樣做會導致光譜帶飽和度或曝光不足的不一致。

一些人認為 MSI 只是 HSI 的低級形式，具有較低的光譜分辨率。事實上，這兩種技術根據任務各有優(yōu)勢。第三種方法是平面掃描。此模式一次成像整個 2D 區(qū)域，但在每個波長間隔。該過程涉及捕獲大量圖像以創(chuàng)建高光譜數據立方體的光譜深度。雖然這種捕捉方法不需要傳感器或整個系統(tǒng)的平移，但在采集過程中主體保持靜止是至關重要的;否則，位置和光譜信息的準確性將受到影響。

第四種也是最近開發(fā)的方法稱為單次拍攝或快照。單次成像儀在單個積分周期內收集整個高光譜數據立方體。盡管單發(fā)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)。

主要差異

MSI 系統(tǒng)在許多方面與 HSI 系統(tǒng)相似，但有一些關鍵區(qū)別。與使用 HSI 系統(tǒng)有效連續(xù)波長的數據收集相比，MSI 專注于根據應用預先選擇的幾個波段。常見的 RGB 傳感器有助于說明 HSI 和 MSI 系統(tǒng)之間的差異。在 RGB 傳感器中，拜耳圖案(由紅色、綠色和藍色濾光片組成)層疊在像素上。濾光片允許來自特定色帶的波長被像素吸收，同時衰減其余光。這些帶通濾波器的傳輸帶在 100 至 150 nm 范圍內，并且具有輕微的光譜重疊(圖 3)。然后用假色渲染捕獲的圖像以近似人眼所見。在大多數 MSI 應用程序中，波段明顯更窄且數量更多。波段通常在幾十納米的數量級，并不完全是可見光譜的一部分。根據應用，紫外、近紅外和熱波長(中波紅外)也可以有隔離通道4 .

圖 3. RGB 相機的量子效率曲線顯示了紅色、綠色和藍色之間的重疊

一些人認為 MSI 只是 HSI 的低級形式，具有較低的光譜分辨率。事實上，這兩種技術各有優(yōu)勢，具體取決于任務。HSI 最適合對連續(xù)頻譜中信號的細微差異敏感的應用。對較大波段進行采樣的系統(tǒng)可能會錯過這些小信號。然而，一些系統(tǒng)要求屏蔽大部分電磁頻譜，并且只選擇性地捕獲光(圖 4)。其他波長可能會產生明顯的噪音，可能會破壞測量和觀察。此外，如果數據立方體中包含的光譜信息越少，圖像捕獲、處理和分析就可以更快地進行。

圖 4.多光譜和高光譜圖像堆棧。比較 MSI 和 HSI 中的圖像堆棧，在 MSI 中，多個圖像是在不同的離散波長區(qū)域拍攝的，在 HSI 中，圖像是在更大的連續(xù)波長范圍內拍攝的

應用

需要 HSI 和 MSI 的應用數量持續(xù)增長。這些技術在生命科學和遙感領域有著廣泛的應用。更具體的市場包括農業(yè)、食品質量和安全、制藥和醫(yī)療保健3. 農民發(fā)現(xiàn)這兩種技術都特別有用。為了掃描田野，拖拉機和無人機可以配備光譜成像儀。通過分析所拍攝圖像的光譜特征，農民可以準確地確定作物的狀況，包括植物的總體健康狀況、土壤狀況、用某些化學物質處理過的區(qū)域或有害物質的存在，例如侵擾。所有信息都有獨特的光譜標記，可以捕獲、分析和使用以確保最佳的農產品生產。

醫(yī)療保健也是如此。在高光譜成像儀的幫助下，醫(yī)生現(xiàn)在可以對皮膚進行無創(chuàng)掃描，以檢測患病或惡性細胞。某些波長更適合深入皮膚，因此可以更詳細地了解患者的狀況。在正確的刺激下，癌癥和其他患病細胞會發(fā)出熒光或吸收光線，從而使它們很容易與健康組織區(qū)分開來。醫(yī)生不再需要根據觀察或患者對癥狀的描述做出有根據的猜測。復雜的系統(tǒng)可以記錄并自動解釋光譜數據。這可以顯著加快診斷并迅速治療受影響的確切區(qū)域。?

幾十年來，HSI 和 MSI 一直是遙感的重要組成部分，遙感涉及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。光譜攝影可以穿透地球大氣層和各種類型的云層，從而清晰地看到下面的地面。遙感可用于監(jiān)測人口變化、觀察地質變化和研究考古遺址等任務。這些成像技術在環(huán)境研究中變得越來越重要。它們能夠收集有關森林砍伐、生態(tài)系統(tǒng)退化、碳循環(huán)和不穩(wěn)定天氣模式的數據。研究人員利用收集到的信息創(chuàng)建全球生態(tài)預測模型。

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受益于 HSI 和 MSI 的應用程序空間數量龐大且不斷增加，但當前技術的復雜性可能會減緩某些行業(yè)的采用速度。與其他機器視覺組件相比，這些系統(tǒng)要貴得多。傳感器更復雜，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基板，硅僅對大約 200 至 1000 nm 敏感。砷化銦 (InAs)、砷化鎵 (GaAs) 和砷化銦鎵 (InGaAs) 材料用于收集高達 2600 nm 的光。如果要求從 NIR 到 MWIR 成像，則需要汞鎘碲(MCT 或 HgCdTe)傳感器。1 .

將這些高端傳感器與適當的光學元件配對存在另一個挑戰(zhàn)。需要帶通濾波器、棱鏡或光柵等衍射光學器件，甚至液晶或聲光可調諧濾波器來分離不同波長的光，以便記錄光譜數據7. 此外，用于這些相機的鏡頭必須設計為能夠在廣泛的波長范圍和溫度波動下實現(xiàn)最佳工作。在設計中需要更多光學元件會增加系統(tǒng)成本和重量。這些元件還需要具有不同的折射率和色散特性以進行寬帶色彩校正。不同的玻璃類型也具有不同的熱性能和機械性能。選擇具有適當內部透射光譜的玻璃后，必須在每個鏡片上涂上寬帶多層增透膜，以確保最大的光通量。這些情況下的眾多獨特要求使得 HSI 和 MSI 的鏡頭設計過程非常繁瑣，并且這種設計需要高超的技巧。

未來發(fā)展的目標包括使 HSI 和 MSI 系統(tǒng)更加緊湊、價格合理且用戶友好。這些領域的改進將鼓勵新市場使用該技術，并將推動已有市場的發(fā)展。