高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)之間的主要區(qū)別在于它們記錄的波段數(shù)量和波段的寬度（即光譜分辨率）。

按照標(biāo)準(zhǔn)定義，高光譜相機(jī)會(huì)記錄超過100 個(gè)波段，而多光譜相機(jī)記錄的波段則要少一些。但是這個(gè)定義沒有考慮光譜范圍的寬度或采樣率。這意味著，如果相機(jī)覆蓋 400–600 nm 的光譜范圍并會(huì)記錄50個(gè)波段，那么它不是高光譜相機(jī)，而如果它覆蓋400–800nm 且采樣率相同（意味著這次會(huì)記錄 100 個(gè)波段），那么它就是高光譜相機(jī)。

本文更傾向于談?wù)摴庾V分辨率（FWHM，半峰全寬*），強(qiáng)調(diào)相機(jī)區(qū)分兩個(gè)連續(xù)光譜譜峰的能力。

高光譜數(shù)據(jù)與多光譜

數(shù)據(jù)對(duì)比

Data comparison

高光譜成像涉及捕獲和分析來自電磁波譜中大量狹窄、連續(xù)波段的數(shù)據(jù)，從而為圖像中的每個(gè)像素生成高分辨率光譜。因此，高光譜相機(jī)可以提供平滑的光譜。多光譜相機(jī)提供的光譜呈現(xiàn)出階梯狀或鋸齒狀，無法精確地描繪光譜特征。

光譜成像提供的數(shù)據(jù)比多光譜成像更詳細(xì)，因此可以更具體地分析并更準(zhǔn)確地識(shí)別各種材料和物質(zhì)。由于光譜分辨率有限，多光譜成像可能無法區(qū)分密切相關(guān)的材料。

對(duì)于市場(chǎng)上的大多數(shù)多光譜相機(jī)，光譜范圍限制在 400 – 1000 nm 范圍內(nèi)，典型的波段數(shù)量在 4 – 5 個(gè)之間。這些限制對(duì)于許多應(yīng)用來說都具有重要影響。

為了說明高光譜相機(jī)相較于多光譜相機(jī)的優(yōu)勢(shì)，我們研究了從杏仁中分選出杏仁殼的過程。這是一個(gè)典型的應(yīng)用，需要高度準(zhǔn)確地識(shí)別外觀非常相似的不同材料。

高光譜相機(jī)與多光譜相機(jī)相比

在光譜范圍方面的優(yōu)勢(shì)

The advantage

反射、吸收和發(fā)射特征形成的光譜與待測(cè)材料的分子組成密切相關(guān)。表1非常有名，大部分物質(zhì)分子鍵都有共振頻率帶來的光譜指紋（光譜共振頻率）。

表 1.?分子光譜共振頻率

如表中所示，許多應(yīng)用都需要700– 2500nm的光譜范圍。特別是對(duì)于那些與食品質(zhì)量評(píng)估和塑料分選相關(guān)的應(yīng)用，1100 –1700nm的光譜范圍是必不可少的。限制在400–1000nm范圍內(nèi)的多光譜相機(jī)不適用于這些應(yīng)用。

關(guān)于高光譜成像與RGB相機(jī)對(duì)比的文章表明了，RGB 相機(jī)在分選堅(jiān)果和開心果時(shí)表現(xiàn)不佳。Specim FX10的表現(xiàn)較好，而Specim FX17 的分選精度最高。

高光譜相機(jī)與多光譜相機(jī)相比

在波段數(shù)量方面的優(yōu)勢(shì)

The advantage

考慮到前一點(diǎn)，使用Specim FX17相機(jī)數(shù)據(jù)對(duì)杏仁和杏仁殼進(jìn)行比較，在第一個(gè)數(shù)據(jù)集中涵蓋了900–1700nm 的光譜范圍并記錄了224 個(gè)波段。在第二個(gè)數(shù)據(jù)集中，僅使用了28個(gè)合并波段（即合并連續(xù)的光譜波段）來模擬多光譜相機(jī)。

如圖1和圖2所示，相較于僅用28個(gè)波段描繪的光譜，與224個(gè)波段數(shù)據(jù)集相關(guān)的光譜要平滑得多。在高光譜數(shù)據(jù)中，還可以捕捉到微小但至關(guān)重要的光譜差異，以便能夠?qū)⑿尤逝c杏仁殼分開。

換句話說，由于捕獲的波段數(shù)量限制為28，因此區(qū)分杏仁和杏仁殼所需的光譜信息丟失了。

圖 1.?224 個(gè)波段和 28 個(gè)波段描繪的杏仁殼和杏仁光譜

圖 2.?在224個(gè)和28個(gè)波段條件下使用Specim FX17捕獲的杏仁光譜。紫色圓圈突出顯示了由于杏仁中存在油脂而杏仁殼中不存在油脂而導(dǎo)致的光譜差異。

此外，一些預(yù)處理方法也不適用于多光譜數(shù)據(jù)。例如，Savitzky-Golay等導(dǎo)數(shù)或平滑算法需要連續(xù)光譜才能表現(xiàn)良好，而多光譜傳感器無法提供連續(xù)光譜。

如上所述，通過構(gòu)建兩個(gè)模型來說明與能否準(zhǔn)確地描繪光譜特征相關(guān)的這些要點(diǎn)，覆蓋224個(gè)波段的高光譜模型要比僅覆蓋28個(gè)波段的多光譜模型更準(zhǔn)確。在高光譜數(shù)據(jù)中，邊緣效應(yīng)消失了，甚至可以對(duì)最小的杏仁殼碎片進(jìn)行正確分類。

本研究選擇了28個(gè)光譜波段來模擬多光譜相機(jī)。不過，典型多光譜相機(jī)涵蓋的光譜波段明顯更少，這進(jìn)一步降低了它們描繪精細(xì)光譜特征的能力。

如何在高光譜成像與多光譜

成像之間做出選擇？

Make a choice

高光譜成像技術(shù)和多光譜成像技術(shù)都在各種研究、工業(yè)和遙感應(yīng)用中廣泛用于捕獲和分析電磁波譜。這兩種技術(shù)彼此互補(bǔ)，具體如何選擇取決于應(yīng)用要求和現(xiàn)有數(shù)據(jù)的級(jí)別。

如果應(yīng)用需要涵蓋的光譜波段較多，所需的光譜分辨率也較高，超出了多光譜成像技術(shù)的能力范圍，那么解決方案自然就是高光譜相機(jī)。

如果應(yīng)用不需要涵蓋整個(gè)光譜范圍，則涵蓋特定波段的定制多光譜相機(jī)可以與高光譜相機(jī)一樣表現(xiàn)出色。但是，這需要用戶知道檢查或分析時(shí)必須涵蓋的選定光譜波段數(shù)量。如果用戶不知道應(yīng)用的光譜要求或它們非常復(fù)雜，則最好使用高光譜相機(jī)來收集分析數(shù)據(jù)。

高光譜相機(jī)還提供了更大的靈活性，讓用戶可以在之后對(duì)機(jī)器進(jìn)行升級(jí)，以便分選新的雜物或材料。使用 Specim FX 相機(jī)時(shí)，用戶可以自由選擇相關(guān)波段。實(shí)際上，Specim FX 高光譜相機(jī)可以轉(zhuǎn)換為多光譜相機(jī)，而多光譜相機(jī)永遠(yuǎn)無法變成高光譜相機(jī)。

最后，在高光譜相機(jī)和多光譜相機(jī)之間進(jìn)行選擇時(shí)，還要考慮的一個(gè)方面是價(jià)格。通常，與多光譜相機(jī)相比，高光譜相機(jī)價(jià)格更高，所需的處理能力也更多。不過，情況也并非總是如此，尤其是當(dāng)需要為多光譜相機(jī)定制較多數(shù)量的波段時(shí)。

*半峰全寬定義了系統(tǒng)的光譜分辨率，更準(zhǔn)確地說，在這個(gè)上下文中，定義了系統(tǒng)區(qū)分不同光譜譜峰的能力。

轉(zhuǎn)自：Specim高光譜成像

審核編輯：湯梓紅