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【科普】多光譜、高光譜成像技術(shù)的區(qū)別

發(fā)布時間:2022-11-04


光譜分析作為自然科學(xué)分析的重要手段,常常用來檢測物體的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等指標(biāo)。

傳統(tǒng)光譜分析,都是通過待測物自發(fā)光或者與光源的相互作用而進(jìn)行分析物體的,從空間維度上看,傳統(tǒng)光譜分析大多是針對一個單點(diǎn)位置。而圖像光譜測量則是結(jié)合了光譜技術(shù)和成像技術(shù),將光譜分辨能力和圖形分辨能力相結(jié)合,造就了空間維度上的面光譜分析,也就是現(xiàn)在的多光譜成像和高光譜成像技術(shù)。

 

今天就來討論光譜、多光譜和高光譜之間的區(qū)別?

光譜(Spectrum)是復(fù)色光經(jīng)過色散系統(tǒng)(如棱鏡、光柵)分光后,被色散分離成的單色光,通過成像系統(tǒng),投射在探測器上成為按波長(或頻率)大小依次排列的圖案,既稱為光學(xué)頻譜。

光波根據(jù)波長不同,又有不同的稱謂:波長處于380和780nm之間的光波稱為可見光,短于380nm的稱之為紫外光;而長于780nm的則為紅外光(紅外光又分為近紅外、中紅外、遠(yuǎn)紅外等等)。

 

多光譜技術(shù)(Multispectral)是指能同時獲取多個光學(xué)頻譜波段(通常大于等于3個),并在可見光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個方向擴(kuò)展的光譜探測技術(shù)。常見實現(xiàn)方法是通過各種濾光片或分光器與數(shù)字圖像傳感器的組合的組合,使其在同一時刻分別接收同一目標(biāo)在不同窄光譜波段范圍內(nèi)輻射或反射的光信號,得到目標(biāo)在幾張不同光譜帶的照片。

身邊最常見的多光譜照片是彩色相機(jī)拍攝的照片,如下圖,從頻譜上看,其包含了紅色(1),綠色(2)和藍(lán)色(3)三個光學(xué)頻譜波段的信息。如果在相機(jī)或者探測器上,增加更多的頻帶如頻帶(4)和(5),就可以獲得一個含多個頻帶的多光譜照片了。

 

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多光譜技術(shù)結(jié)合成像硬件,即可圖像形式呈現(xiàn)多光譜信息。當(dāng)然也可以僅使用探測器進(jìn)行單個空間點(diǎn)位的光譜信息獲取。

 

高光譜成像(Hypespectral):是一種可以捕獲和分析一片空間區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)上光譜的精細(xì)技術(shù),由于可以檢測到單個對象不同空間位置上的獨(dú)特光譜“特征”因此可以檢測到在視覺上無法區(qū)分的物質(zhì)。

 

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高光譜示例:圖像由更窄的波段(10-20 nm)組成。高光譜成像可能有數(shù)百或數(shù)千個波段。例如:人眼只能接收三個光譜頻段中物體的光能量信號:紅色,綠色和藍(lán)色。也就是我們常稱的發(fā)光三原色,但我們并不不能區(qū)分純黃色和紅綠二色混合色的差異,這也稱之為“同色異譜”。高光譜成像卻可以輕松分辨其中的區(qū)別。

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上圖,兩種黃色,一種是“純色”,另一種是紅色和綠色的混合物,在視覺上可能無法區(qū)分,但由于它們的光譜差異,使用光譜設(shè)備卻可以將其區(qū)分。

 

高光譜成像技術(shù)由于其高精度、多波段、信息豐富等特點(diǎn)被廣泛應(yīng)用于科學(xué)研究、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、生態(tài)環(huán)境、工業(yè)檢測、智能探測、食品安全、便攜鑒偽、消費(fèi)電子等領(lǐng)域,給各領(lǐng)域的研究和應(yīng)用開辟了新的途徑。


        那么多光譜和高光譜成像的區(qū)別究竟在哪里?總結(jié)如下:


第一、波段數(shù)不同

多光譜圖像通常指3到20個波段;高光譜圖像可能有數(shù)百或數(shù)千個波段。

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第二、光譜分辨率不同

多光譜的光譜分辨率較低,由于波段較寬,能捕獲信息量相對較少;而高光譜由更窄的波段(10-20 nm)組成,具有較高的光譜分辨率,可以檢測物體的光譜特效,可提供豐富的信息量,具有較大的應(yīng)用開發(fā)空間。


第三、采集速度不同

多光譜成像采集速度相對較快,高光譜成像因其采集的波段較多,采集速度稍微較慢。


第四、復(fù)雜程度不同

由于波段數(shù)量的限制,多光譜復(fù)雜性較低,更容易理解和應(yīng)用,而高光譜則需要較多工作來處理。


多光譜和高光譜成像是捕獲光譜分辨率高于人眼感知圖像的兩種主要方法。高光譜成像涉及狹窄的、通常是連續(xù)的光譜帶,包括數(shù)百或數(shù)千個光譜,而多光譜成像涉及不同帶寬的光譜帶——不一定是連續(xù)的。多光譜成像可以被認(rèn)為是高光譜成像的簡化子集。這兩種互補(bǔ)的技術(shù)不存在競爭關(guān)系,因此可根據(jù)實際應(yīng)用需求在兩者之間進(jìn)行選擇。