高光谱成像技术简介，怎么选择成像方案？

码农世界 2024-05-30 前端 88 次浏览 0个评论

一、什么是光谱？
二、光谱和光谱分析方法的类型
三、多光谱和高光谱的区别
四、高光谱在水果品质检测中的应用
- 1. 高光谱成像系统
- 2. 高光谱图像的获取方式
- 3. 高光谱图像处理与分析
- 4. 在水果品质检测中的应用总结
- 五、针对自己的应用场景怎么使用高光谱技术
- 六、参考
  一、什么是光谱？
  
  牛顿的色散实验表明，太阳光是各种颜色混和的复色光，通过三棱镜后被分成了红橙黄绿青蓝紫七种单色光，这些单色光按不同波长或者频率大小依次进行排列的图案就是光谱、覆盖了大约在380~740纳米的可见光区，因此形成的光谱也叫可见光谱。在可见光谱之外还存在着波长更长的红外线和波长更短的紫外线，红外线和紫外线都不能被肉眼所察觉，但可通过仪器进行记录。因此，除了可见光谱以外，光谱还包括红外光谱和紫外光谱。
  
  二、光谱和光谱分析方法的类型
  
  不同物体是由不同的元素及其化合物组成的，物质的结构不同，这就导致物体表面反射或者散射光的波长呈现特异性。同时，不同物体在不同状态下对不同波长的光的反射或者散射能力也不同，使得物体具有不同的颜色或者光谱特征，就像“指纹”信息一样。对谱线的波长和强度，进行定性或定量分析，这类方法就是光谱分析法。
  
  三、多光谱和高光谱的区别
  
  传统光谱分析大多是针对一个单点位置，图像光谱测量则是结合了光谱技术和成像技术，属于空间维度上的面光谱分析，也就是现在的多光谱成像和高光谱成像技术。两者最大的差异在于光谱的通道数和光谱分辨率，传统的多光谱主要的应用是以定性化分析为主，高光谱则能做到定量化分析。简单来说就是高光谱精度更高了，比如在遥感领域传统多光谱成像能区分出水体和陆地，但高光谱则能更精细地区分出近陆水体和远陆水体。
  
  四、高光谱在水果品质检测中的应用
  
  高光谱现在有所应用的场景有工业流水线水果品质的检测，以该案例说明高光谱的应用方式。
  
  1. 高光谱成像系统
  
  高光谱成像系统中有三个必不可少的设备是光源、波长色散元件和面阵相机。
  - 光源：光源可以是宽波段石英钨卤素弧光灯、发光二极管或激光器，为整个成像系统提供照明；
  - 波长色散元件（分光设备）：通常由基于衍射光栅的成像光谱仪或电可调滤光器组成（成像光谱仪用于线扫描测量，电可调滤光器用于区域扫描），通过光学元件把宽波长的复色光分散为不同频率的单色光，并将单色光投射到面阵相机上；
  - 面阵相机：主流使用CCD，也有使用CMOS的。
    2. 高光谱图像的获取方式
    
    根据高光谱图像采集和形成方式的不同，分为点扫描、线扫描和面扫描三种方式。
    
    3. 高光谱图像处理与分析
    
    高光谱图像是一个具有“图谱合一”特点的三维数据立方体，因此高光谱图像的处理与分析既可以在指定波长情况下在空间域进行图像处理和分析，又可以在指定像素坐标位置情况下在光谱域进行光谱处理和分析，也可以同时在空间域和光谱域进行处理和分析。
    - 高光谱图像校正：高光谱成像系统获取的是未经过校正的原始高光谱图像，不同的采集系统感光度不同，为了使高光谱数据更具稳定性和可比性，需要利用参考图像把原始高光谱图像校正为高光谱反射率图像；
    - 光谱处理与分析：数据的预处理，比如平滑、归一化、傅里叶变换等，为了消除各种噪声；光谱的分析一般都包括数据降维，因为并不是每一个波长都适合于检测，需要从高维度的原始光谱数据中提取出有效的部分波长数据；
    - 图像处理与分析：并不是对所有区域都感兴趣，可先进行图像分割等操作提取ROI，以及一些特征提取操作；
      4. 在水果品质检测中的应用总结
      
      五、针对自己的应用场景怎么使用高光谱技术
      
      从上方资料进行总结，针对自己的应用场景想要挑选到合适的高光谱相机应该需要进行以下步骤：
      1. 应该选用一款波长覆盖率高的高光谱相机，并确定其使用需要的光源条件；
      2. 需要确定扫描方案，根据扫描方案确定分光设备；
      3. 在稳定环境条件下获得高维度光谱图像数据；
      4. 尝试使用各种数据处理分析算法获得对检测有用的有效波长范围；
      5. 选用覆盖了有效波长范围的高光谱相机；
      6. 对获得的光谱数据进行数据分析，最终用于检测；
      六、参考
      - 【秒懂】高光谱是什么？为什么我们能永远相信光！-哔哩哔哩
      - 3W字光谱分析方法综述
      - 高光谱成像技术在果蔬品质与安全无损检测中的原理及应用 -光谱学与光谱分析