高光譜成像技術的原理和圖像采集系統

2023-09-21

?高光譜成像是相對多光譜成像而言，通過高光譜成像方法獲得的高光譜圖像與通過多光譜成像獲取的多光譜圖像相比，具有更豐富的圖像和光譜信息。本文簡單介紹了高光譜成像技術的原理和圖像采

高光譜成像技術的成像原理

高光譜圖像是一系列光波波長處的光學圖像（光源有特定的波長），它比多光譜圖像有更高的波長分辨率，通常分辨率可達到1~3nm，本論文所采用的高光譜成像系統的分辨率為1.25nm。高光譜圖像數據是三維的，有時稱為圖像塊。其中二維是圖像像素的橫縱坐標信息（以坐標x和y表示），第三維是波長信息（以λ表示）。例如，一個為512×512像素的圖像檢測器陣列在100個波長處獲得樣品圖像信息，圖像塊就是512 × 512 × 100的三維陣列。本研究所采用的高光譜成像系統的像素為1344×1024，在477個波長處獲得樣品圖像信息，圖像塊就是1344 × 1024 × 477三維陣列。

高光譜圖像技術的硬件組成主要包括光源、CCD攝像頭、裝備有圖像采集卡的計算機和單色儀。光源的波譜范圍可以在紫外（200nm~400nm）、可見光（400nm~760nm）、近紅外（760nm~2560nm）以及波長大于2560nm的區域。攝像頭能接受從物體表面反射或透射來的光，并通過CCD傳感器把光信號轉換成電信號。CCD傳感器分為線列（一次曝光獲得一維圖像信號）和面列（一次曝光獲得二維圖像信號）兩種，后者比前者的成本高。圖像采集卡把CCD得到的模擬信號轉換成數字信號，并通過計算機顯示出來。單色儀用來獲得特定波長的光，特定波長的光可通過濾波器（濾波片）和圖像光譜儀兩種方式獲得。因此，根據單色儀的不同，可以分為如下兩種高光譜圖像采集系統。

高光譜成像技術圖像采集系統

第一種是基于濾波器或濾波片的高光譜圖像系統，如下圖（a）所示。這種方法所采用的成像裝置主要由CCD攝像頭和可用于波長選擇的元件組成。常用的波長選擇元件有窄帶濾波片、液晶可調式濾鏡、聲光可調式濾鏡等。高光譜圖像獲取方法是：通過連續采集一系列波段條件下的樣品二維圖像，即在每個波長入 i（i = 1，2，3，...，n；其中n為正整數）得到一幅二維圖像（橫坐標為x，縱坐標為y），從而得到三維圖像塊（x，y，λ），如下圖（b）所示。

基于濾波器或濾波片的高光譜圖像系統圖和此系統下獲得的圖像數據示意圖

第二種是基于光譜儀的高光譜圖像系統，如下圖（a）所示。這種成像裝置主要由CCD攝像頭和光譜儀組成。CCD攝像頭采用線列探測器作為敏感元件。工作時，圖像光譜儀將檢測樣品反射或透射來的光分成單色光源后進入CCD攝像頭。該系統采用“掃帚式”成像方法得到高光譜圖像。線列探測器在光學焦面的垂直方向作橫向排列完成橫向掃描（x軸向），可以獲取對象條狀空間中每個像素在各個波長條件的圖像信息：同時在檢測系統輸送帶前進過程中，排列的探測器就好像掃帚掃地一樣掃出一條帶狀軌跡，從而完成縱向掃描（y軸向），綜合橫縱掃描信息就可得到樣品的三維高光譜圖像數據，如下圖（b）所示。用此法在農畜產品品質與安全性檢測時，使的檢測生產線行進方向的樣本尺寸不受CCD攝像頭拍攝區間大小的限制，但此法成本較高。