光譜技術(shù)以及光譜相機的種類介紹

高光譜相機種類如下：

棱鏡光譜相機：利用棱鏡將光線分解為不同的光譜波長。

光柵光譜相機：通過光柵分光元件將光線分解為不同的光譜波長。

傅里葉變換光譜相機：利用傅里葉變換技術(shù)將光信號轉(zhuǎn)換為頻域信息，從而獲取光譜數(shù)據(jù)。

線推掃式高光譜相機：通過一個或多個鏡頭，對固定方向上的目標進行連續(xù)拍攝，一次獲取一條線上的所有光譜數(shù)據(jù)。

面陣高光譜相機：采用面陣探測器，在同一平面內(nèi)捕捉所有波長的光信號，實現(xiàn)對整個探測區(qū)域的高光譜掃描。

多鏡頭型高光譜相機：通過多個鏡頭同時對目標進行拍攝，獲取多條光譜信息。

多相機型高光譜相機：采用多個相機同步拍攝，實現(xiàn)對目標的高光譜掃描。

靜態(tài)高光譜相機：在固定位置長時間連續(xù)拍攝，適用于靜態(tài)場景。

動態(tài)高光譜相機：可實時捕獲目標的運動信息與光譜數(shù)據(jù)，適用于動態(tài)場景。

圖1 分光概念

AVAL DATA的高光譜相機（AHS-003VIR）可以將450~1700nm的波長分成512個波段進行拍攝，并獲得人眼無法感知的NIR、SWIR范圍的光譜圖像。 光譜成像是在空間信息中添加了光譜技術(shù)，將物體的光學特性以光譜（分光）形式存儲，廣泛用于物質(zhì)識別、分析和變化預測等領(lǐng)域。 在本文會介紹使用于高光譜圖像分析的高光譜相機以及多光譜相機。

光譜相機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

光譜相機內(nèi)部結(jié)構(gòu)如下所示。從光源進入的光線，通過鏡頭和光柵集中后，通過分光裝置(光柵Grating)進行分光，最后傳輸?shù)絺鞲衅鳌?/span>

圖2 光譜相機內(nèi)部結(jié)構(gòu)

主要根據(jù)拍攝方式、波段數(shù)量和分光方式等分為多種光譜相機。因此，首先了解拍攝目的和使用環(huán)境后選擇光譜相機非常重要。

光譜相機種類

拍攝方式：根據(jù)拍攝方式，可以分為 Push broom和 Snapshot 兩種方式。

圖3 Push broom 和 Snapshot 方式

Push broom方式類似于線掃描方式，相機或被攝體在移動時進行拍攝。每獲取一行Y軸數(shù)據(jù)，就保存了每行的分光波長數(shù)據(jù)，用戶可以根據(jù)需要移動Y軸合并生成高光譜數(shù)據(jù)立方體(Cube)。Snapshot方式可以同時獲取空間信息和光譜信息，可在瞬間獲取物體的光譜特性。各拍攝方式的長處和短處以及應用信息如下所示。

表1 Push broom 和 Snapshot

光譜波段數(shù)量。

圖4 高光譜相機和多光譜相機

根據(jù)光譜波段數(shù)量的不同，可分為高光譜相機和多光譜相機。多光譜相機通常具有3-10個波段，可以進行光譜分析，而高光譜相機通常具有100個以上的波段，可以進行光譜分析。在選擇相機時，需要考慮各相機的優(yōu)點和缺點以及使用環(huán)境選擇合適的相機。（*高光譜相機的波段數(shù)可能因型號而異）

表2 高光譜和多光譜相機的特點

根據(jù)分光方法，可分為有單色儀（Monochromator）、濾光片（Filter）、傅里葉變換（Fourier Transform）相機。下面我們將詳細介紹每個分光技術(shù)。

圖5 單色儀、濾光片、 傅里葉變換方式

單色儀（Monochromator）方法可以分為兩種主要類型：棱鏡（Prism）和光柵（Grating）。棱鏡采用折射方式將光分散，而光柵則利用衍射方式將光分散。 

濾光片（Filter）方法是通過濾光片，將所需波長的光分散。濾光片可分為固定濾光片和可變?yōu)V光片，固定濾光片具有特定的波長，而可變?yōu)V光片可以由用戶自行選擇濾光片波長。

傅里葉變換（Fourier transform）方法最初是由約瑟夫·傅里葉（Joseph Fourier）在研究熱傳導時用于求解熱方程的方法。它使用具有不同振幅的單一正弦波進行傅里葉逆變換，將連續(xù)的光譜分解為不同頻率的光譜成分，通過光電探測器獲取光譜信息，實現(xiàn)光譜分析。

了400-1000nm的高光譜相機，可采用廣東賽斯拜克科技有限公司產(chǎn)品SP130M進行相關(guān)研究。光譜范圍在400-1000nm，波長分辨率優(yōu)于2.5nm，可達1200個光譜通道。采集速度全譜段可達128FPS，波段選擇后最高3300Hz（支持多區(qū)域波段選擇）。

光譜成像系統(tǒng)的構(gòu)成部分

除了分光相機外，分光成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)還需要其他配件，比如， 光源、鏡頭、圖像處理軟件。

圖7 分光圖像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

光源：光源通常在戶外環(huán)境（如地質(zhì)狀況、環(huán)境監(jiān)測、目標檢測等）以及衛(wèi)星、航空、無人機（UAV）和地面等應用領(lǐng)域中使用自然光（太陽光），而在室內(nèi)環(huán)境中則使用燈泡、發(fā)光二極管（LED）或激光等單獨的照明裝置。AVAL DATA的AHS-003VIR超光譜相機在450-1700nm的廣譜范圍內(nèi)進行分光，使用高通量和寬波長的鹵素燈照明。

圖8 鹵素燈（高光譜相機專用）

圖9 AHS-003VIR 傳感器量子效率

鏡頭：我們建議在使用光譜相機時，選擇具有色差校正功能的APO（Apochromat）鏡頭。由于玻璃的折射率會隨光的波長而變化，因此會產(chǎn)生色差。因此，如果使用沒有色差功能的鏡頭，不同波長的光焦點會不同，導致圖像在不同波長上變得模糊。因此，在使用光譜相機時，建議選擇具有色差校正功能的APO鏡頭。

圖10 色差校正與否的圖像

軟件：AVAL DATA高光譜相機（AHS-003VIR）和多光譜相機（ABA-013VIRLF）覆蓋了寬廣的波長范圍，并且拍攝的數(shù)據(jù)以每個波長的BMP文件或包含圖像尺寸和波長信息的立方體數(shù)據(jù)（比如ENVI格式）。以BMP格式數(shù)據(jù)應用時，需要具備光譜數(shù)據(jù)和機器學習等分析方面的知識，并且需要配備適用于適當處理大量數(shù)據(jù)的解決方案，因此通常使用BMP文件來直接分析和處理并不容易。相反，以ENVI格式提取的數(shù)據(jù)除了圖像數(shù)據(jù)外還包含各種波長信息，因此可以專門使用于高光譜成像的軟件（如perClass Mira）或其他各種成像軟件（如Matlab和其他軟件）來分析和處理數(shù)據(jù)。我們的光譜相機與perClass Mira等專用高光譜成像軟件以API兼容，操作方面很容易，并且也以ENVI文件格式與其他軟件可以兼容。

在圖11(左側(cè))表示，使用perClass Mira進行塑料分類的示例。它對5種塑料樹脂進行了圖像處理后，在圖（右側(cè)）也可見每個塑料的波長信息。

圖11 使用 perClass Mira 的塑料分類圖像 (左)，塑料波長信息 (右)

圖12展示了使用高光譜相機進行圖像獲取和分類的過程，分為3個階段。簡單來說，產(chǎn)品在Y軸方向移動時，獲取圖像和光譜數(shù)據(jù)，提取特定數(shù)據(jù)進行學習，然后獲得分類結(jié)果。

結(jié)論

光譜成像技術(shù)從多光譜的遙感應用開始逐漸增加并且波段數(shù)量并不斷增加，應用領(lǐng)域也不僅限于地質(zhì)研究、國防、醫(yī)療保健、食品、農(nóng)業(yè)、礦產(chǎn)等領(lǐng)域，最近在機器視覺領(lǐng)域，特別是在半導體、垃圾分類、食品分析、混合材料分析等應用中，對超光譜成像相機的研究和評估越來越多，如果您正在進行相關(guān)議題，建議考慮利用光譜成像技術(shù)。