隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，高光譜成像（HSI）和多光譜成像（MSI）在農(nóng)業(yè)、醫(yī)療和環(huán)境研究等領(lǐng)域的重要性不斷增加。本文介紹了HSI與MSI的區(qū)別、應(yīng)用領(lǐng)域以及技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和挑戰(zhàn)。同時(shí)，探討了光譜成像技術(shù)的未來發(fā)展趨勢(shì)，以及如何推動(dòng)這些技術(shù)在不同行業(yè)中的廣泛應(yīng)用。

在過去的20年里，高光譜成像（HSI）和多光譜成像（MSI）的重要性和實(shí)用性一直在增加。盡管經(jīng)常將這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)混為一談，但它們實(shí)際上代表了兩種完全不同的成像實(shí)踐，每種都適用于特定的應(yīng)用領(lǐng)域。與僅使用可見光譜的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器視覺成像相比，這兩種技術(shù)都有自己的優(yōu)勢(shì)。然而，隨著HSI和MSI的優(yōu)點(diǎn)，成像系統(tǒng)在照明、過濾和光學(xué)設(shè)計(jì)方面的復(fù)雜性也隨之增加。

典型的機(jī)器視覺應(yīng)用中，傳感器使用和捕獲的光照范圍大約在400nm(紫色)到700nm(深紅色)之間(圖1)。常常采用在550nm左右具有峰值光譜靈敏度的成像透鏡組件和傳感器來收集光線。大多數(shù)相機(jī)傳感器的量子效率，也就是將光子轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的能力，在擴(kuò)展到紫外或近紅外時(shí)會(huì)明顯降低。

圖1展示了高光譜和多光譜成像中使用的波長(zhǎng)區(qū)域，超過可見光譜范圍。這些信息由愛特蒙特光學(xué)公司提供。

圖1展示了使用可見光譜之外的波長(zhǎng)區(qū)域進(jìn)行高光譜和多光譜成像。

簡(jiǎn)單來說，HSI捕獲的圖像包括來自更廣泛的電磁頻譜范圍的信息。這個(gè)范圍從紫外光到可見光譜，最后到近紅外或短波紅外。通過擴(kuò)展波長(zhǎng)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(jī)器視覺中使用的傳感器會(huì)輸出一系列灰度值，以生成查看區(qū)域內(nèi)某些對(duì)象的二維圖像。這些圖像通常用于進(jìn)行特征識(shí)別，如分類、測(cè)量或定位對(duì)象。除非使用光學(xué)過濾器，否則視覺系統(tǒng)無法識(shí)別用于照明的波長(zhǎng)。擁有拜耳濾光片圖案（RGB）的傳感器可以克服這個(gè)問題，但每個(gè)像素仍然只能接收窄波長(zhǎng)帶的光，并且相機(jī)軟件會(huì)根據(jù)需要分配顏色。而在真正的高光譜圖像中，每個(gè)像素都含有坐標(biāo)、信號(hào)強(qiáng)度和波長(zhǎng)信息。因此，HSI（色度、飽和度、亮度）常被稱為成像光譜學(xué)之一。

另外，光譜儀可以收集波長(zhǎng)信息和檢測(cè)各種波長(zhǎng)的相對(duì)強(qiáng)度信息。這些裝置通常從樣本的單個(gè)來源或位置收集光。它們可以用于檢測(cè)散射和反射特定波長(zhǎng)物質(zhì)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(shù)據(jù)與收集到的光譜相配對(duì)，將這項(xiàng)技術(shù)提升到一個(gè)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(shù)據(jù)立方體或圖像立方體。

采集圖像的模式

目前有四種主要的高光譜采集模式或方法，每一種都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)(見圖2)。第一種稱為“掃帚”，是一種點(diǎn)掃描過程，可以一次獲取一個(gè)空間坐標(biāo)的光譜信息。這種方法通?？梢蕴峁┳罡呒?jí)別的光譜分辨率，但需要系統(tǒng)在x軸和y軸上掃描目標(biāo)區(qū)域，從而顯著增加了總的采集時(shí)間。

圖2展示了四種主要的高光譜采集模式：點(diǎn)掃描或掃帚方式（a）；線掃描，即推掃式（b）；平面或區(qū)域掃描方式（c）；以及單次拍攝，也就是快照方式（d）。這些模式由愛特蒙特光學(xué)公司提供。

在圖2中，有四種主要的高光譜采集模式。它們是點(diǎn)掃描或掃帚(a)、線掃描或推掃式(b)、平面或區(qū)域掃描(c)以及單發(fā)或快照(d)。

第二種模式是推掃式，這種模式使用線掃描數(shù)據(jù)捕獲技術(shù)。當(dāng)每行像素掃描一個(gè)區(qū)域以捕獲光譜和位置信息時(shí)，只需要一個(gè)空間運(yùn)動(dòng)軸。推掃式系統(tǒng)具有體積小、重量輕、操作簡(jiǎn)單和高信噪比的優(yōu)點(diǎn)1。在使用這種方法時(shí)，正確選擇曝光時(shí)間非常重要。忽視這一點(diǎn)可能導(dǎo)致光譜帶飽和或曝光不足的不一致。

有些人認(rèn)為，MSI只是HSI的低級(jí)形式，其光譜分辨率較低。實(shí)際上，這兩種技術(shù)各有優(yōu)勢(shì)，取決于不同的任務(wù)。第三種方法是平面掃描，它能夠一次成像整個(gè)二維區(qū)域，但是在每個(gè)波長(zhǎng)間隔進(jìn)行。這個(gè)過程涉及捕獲大量的圖像，以創(chuàng)建高光譜數(shù)據(jù)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(gè)系統(tǒng)的移動(dòng)，但是在捕捉的過程中保持被拍攝物體靜止非常重要；否則，位置和光譜信息的準(zhǔn)確性將會(huì)受到影響。

最近開發(fā)的第四種方法是單次拍攝或快照。這種方法使用單次成像儀在一個(gè)積分周期內(nèi)收集整個(gè)高光譜數(shù)據(jù)立方體。盡管目前單次拍攝似乎是實(shí)現(xiàn)高光譜成像的首選方法，但它還面臨著相對(duì)較低的空間分辨率的限制，需要進(jìn)一步開發(fā)。

主要差異

MSI系統(tǒng)和HSI系統(tǒng)在許多方面相似，但也有一些關(guān)鍵的區(qū)別。與HSI系統(tǒng)使用連續(xù)波長(zhǎng)數(shù)據(jù)收集相比，MSI系統(tǒng)更專注于預(yù)先選擇的幾個(gè)波段。常見的RGB傳感器可以很好地解釋HSI系統(tǒng)和MSI系統(tǒng)之間的差異。在RGB傳感器中，像素上有紅色、綠色和藍(lán)色濾光片的拜耳圖案疊加。濾光片允許特定色帶的波長(zhǎng)被像素吸收，并減弱其他波長(zhǎng)的光線。這些濾波器的傳輸帶在100至150納米之間，并且存在輕微的光譜重疊。然后，通過偽色渲染，將捕獲的圖像呈現(xiàn)為人眼所能看到的形式。在大多數(shù)MSI應(yīng)用中，波段明顯更窄且更多。波段通常在幾十納米的范圍內(nèi)，并不完全屬于可見光譜的一部分。根據(jù)具體應(yīng)用，也可以使用紫外、近紅外和熱紅外等波長(zhǎng)進(jìn)行隔離。

以上是由愛特蒙特光學(xué)公司提供的圖3，其中顯示了RGB相機(jī)的量子效率曲線，呈現(xiàn)出紅、綠、藍(lán)三種顏色之間的相互重疊。

RGB相機(jī)的量子效率曲線顯示出紅、綠、藍(lán)三種顏色間的重疊部分。

有些人認(rèn)為MSI只是HSI的次級(jí)版本，具備較低的光譜分辨率。實(shí)際上，這兩種技術(shù)各自有其優(yōu)勢(shì)，具體取決于任務(wù)的不同。HSI非常適用于對(duì)連續(xù)頻譜中信號(hào)微小差異敏感的應(yīng)用。對(duì)于采樣較大波段的系統(tǒng)來說，可能會(huì)錯(cuò)過這些微小信號(hào)。然而，有些系統(tǒng)需要屏蔽大部分電磁頻譜，并有選擇性地捕捉光線（見圖4）。其他波長(zhǎng)可能會(huì)引入明顯的噪音，可能會(huì)破壞測(cè)量和觀察結(jié)果。此外，數(shù)據(jù)立方體中包含的光譜信息越少，圖像的捕獲、處理和分析就能更加迅速地進(jìn)行。

圖4.多光譜和高光譜圖像堆疊。對(duì)比多光譜成像（MSI）和高光譜成像（HSI）的圖像堆疊。在MSI中，多個(gè)圖像是在不同的離散波長(zhǎng)范圍內(nèi)拍攝的；而在HSI中，圖像是在更廣泛的連續(xù)波長(zhǎng)范圍內(nèi)拍攝的。圖片由愛特蒙特光學(xué)公司提供。

圖4.多光譜和高光譜圖像堆棧的對(duì)比。在多光譜圖像堆棧(MSI)中，采用了多個(gè)不同離散波長(zhǎng)范圍內(nèi)的圖像進(jìn)行拍攝。而在高光譜圖像堆棧(HSI)中，圖像則是在更廣泛的連續(xù)波長(zhǎng)范圍內(nèi)進(jìn)行拍攝的。

應(yīng)用

HSI和MSI的應(yīng)用需求不斷上升，這些新技術(shù)在生命科學(xué)和遙感領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，包括農(nóng)業(yè)、食品質(zhì)量與安全、以及制藥和醫(yī)療保健等市場(chǎng)。特別是在農(nóng)業(yè)領(lǐng)域，這兩種技術(shù)具有極高的實(shí)用價(jià)值。農(nóng)民利用拖拉機(jī)和無人機(jī)進(jìn)行光譜成像掃描田野，通過分析所拍攝圖像的光譜特征，可以非常準(zhǔn)確地確定作物的狀況，包括植物的總體健康狀況、土壤狀況、使用某些化學(xué)物質(zhì)處理過的區(qū)域或有害物質(zhì)的存在等，例如侵?jǐn)_。所有信息都有獨(dú)特的光譜標(biāo)記，可以捕獲、分析和使用以確保最優(yōu)的農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)出。

同樣適用于醫(yī)療保健領(lǐng)域。在高光譜成像儀的幫助下，醫(yī)生現(xiàn)在能夠通過無創(chuàng)掃描皮膚來檢測(cè)疾病或惡性細(xì)胞。某些波長(zhǎng)能夠更深入地滲透皮膚，從而更詳細(xì)地了解患者的狀況。通過正確的刺激，癌癥和其他疾病細(xì)胞會(huì)發(fā)出熒光或吸收光線，使其與健康組織更容易區(qū)分開來。醫(yī)生不再需要僅依靠觀察或患者對(duì)癥狀的描述來做出有根據(jù)的猜測(cè)。復(fù)雜的系統(tǒng)可以記錄并自動(dòng)解釋光譜數(shù)據(jù)，從而加快了診斷速度，并使受影響的確切區(qū)域能夠得到迅速治療。

在過去的幾十年里，HSI和MSI一直是遙感的關(guān)鍵組成部分。遙感是利用無人駕駛飛行器（UAV）和衛(wèi)星對(duì)地球表面進(jìn)行航空成像的一種技術(shù)。光譜攝影能夠通過地球大氣層和各種云層，清晰地觀察地面下的情況。遙感技術(shù)廣泛應(yīng)用于監(jiān)測(cè)人口變化、地質(zhì)變化以及考古遺址的研究等任務(wù)。在環(huán)境研究領(lǐng)域，這些成像技術(shù)變得越來越重要。它們能夠收集有關(guān)森林砍伐、生態(tài)系統(tǒng)退化、碳循環(huán)以及不穩(wěn)定天氣模式等方面的數(shù)據(jù)。研究人員利用所收集到的信息來創(chuàng)建全球生態(tài)預(yù)測(cè)模型。

HSI和MSI的應(yīng)用領(lǐng)域日益擴(kuò)大，但技術(shù)復(fù)雜性和成本高昂可能限制了某些行業(yè)的采用。與其他機(jī)器視覺組件相比，這些系統(tǒng)更昂貴且需要復(fù)雜的傳感器和精確的校準(zhǔn)。為收集更廣的光譜范圍，傳感器需要使用砷化銦、砷化鎵和砷化銦鎵等材料，硅基傳感器僅對(duì)約200至1000nm的光敏感。要實(shí)現(xiàn)從NIR到MWIR的成像，則需要使用汞鎘碲(MCT或HgCdTe)傳感器。

將這些高端傳感器與適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)元件配對(duì)面臨另一個(gè)挑戰(zhàn)。需要使用帶通濾波器、棱鏡或光柵等衍射光學(xué)器件，甚至可以使用液晶或聲光可調(diào)諧濾波器來分離不同波長(zhǎng)的光，以便記錄光譜數(shù)據(jù)。另外，為了適應(yīng)廣泛的波長(zhǎng)范圍和溫度波動(dòng)，相機(jī)的鏡頭必須經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)以實(shí)現(xiàn)最佳性能。在設(shè)計(jì)中增加更多光學(xué)元件會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)成本和重量的增加。這些元件還需要具備不同的折射率和色散特性，以進(jìn)行寬帶色彩校正。不同類型的玻璃還具有不同的熱性能和機(jī)械性能。在選擇具備適當(dāng)內(nèi)部透射光譜的玻璃后，必須在每個(gè)鏡片上涂上寬帶多層增透膜，以確保最大的光通量。這些獨(dú)特要求使得HSI和MSI的鏡頭設(shè)計(jì)過程非常繁瑣，需要高超的技巧。

我們的未來發(fā)展目標(biāo)是讓HSI和MSI系統(tǒng)更加緊湊、價(jià)格合理和易于使用。這些方面的改進(jìn)將促進(jìn)新市場(chǎng)對(duì)技術(shù)的采用，并推動(dòng)當(dāng)前市場(chǎng)的增長(zhǎng)。