光譜學(xué)為了解光與物質(zhì)之間的相互作用提供了寶貴的見解，并被用于廣泛的應(yīng)用中。傳統(tǒng)上，光譜儀用于對比色皿中的小樣本進(jìn)行離散測量，或者可能在固定位置監(jiān)測化學(xué)過程的進(jìn)展。然而，隨著新的相機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的圖像處理算法的出現(xiàn)，大量新的光譜成像技術(shù)開辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，并在某些情況下取代了傳統(tǒng)的單點監(jiān)測光譜儀。

單點光譜

研究皮膚、肌肉和其他組織中微血管血流和氧合的測量。這些測量是從皮膚或其他組織表面的單個離散位置進(jìn)行的。監(jiān)測這些局部點的變化提供了有關(guān)醫(yī)療或藥物干預(yù)期間血流動力學(xué)的有用信息。然而，組織灌注存在很大的異質(zhì)性，因此灌注成像技術(shù)的發(fā)展使我們能夠更好地了解微血管流量和氧合作用的分布。這與光譜學(xué)的情況類似。在很多情況下，單點光譜儀測量提供有價值的數(shù)據(jù)。然而，新的光譜成像技術(shù)正在增進(jìn)我們的理解并帶來新的見解。最初開發(fā)用于提供衛(wèi)星和飛機(jī)光譜圖像的高光譜成像儀現(xiàn)在也越來越多地用于醫(yī)學(xué)研究、機(jī)器視覺、食品科學(xué)、材料分析以及農(nóng)業(yè)和礦物學(xué)遙感。

遙感中的光譜成像

光譜學(xué)在植物科學(xué)和農(nóng)業(yè)中廣泛用于植物健康的一般評估或植物病害的檢測和鑒定。許多研究人員在野外使用便攜式光譜儀在原位對單個植物葉片進(jìn)行采樣。通常，光合作用活躍的植物吸收紅光并反射綠光和近紅外光。測量 350 至 2500nm 寬光譜范圍的便攜式光譜儀可以計算各種光譜衍生的植物指數(shù)，這些指數(shù)指示植物健康或葉綠素或氮含量等指標(biāo)。然而，小樣本葉子的測量值不一定代表整個田地。

一張標(biāo)準(zhǔn)彩色 (RGB) 航拍照片可以提供整個田地的圖像，其中包括在其他方面健康的植物田地中的變色葉子區(qū)域，但是基于簡單的 RGB 彩色照片的解釋非常有限。使用安裝在 UAV(無人飛機(jī))上的相機(jī)進(jìn)行高光譜成像是一種更強(qiáng)大的技術(shù)。它將看到圖像的好處與光譜學(xué)提供的豐富數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，因為它在圖像中的每個點(像素)獲取整個光譜。多光譜成像也提供圖像，但每個像素僅包含來自少數(shù)光譜帶的數(shù)據(jù)。使用高光譜或多光譜成像之間的選擇取決于手頭的工作。基于植物生長指數(shù)的與一般植物健康相關(guān)的圖像通常可以基于幾個光譜帶生成，因此可以通過多光譜成像來解決。然而，依賴于光譜特征更細(xì)微差異的應(yīng)用需要更精細(xì)解析的高光譜數(shù)據(jù)。因此，為了識別樹種或區(qū)分患病和健康作物之間更細(xì)微的差異，高光譜成像是更合適的技術(shù)。

在遙感應(yīng)用中使用光譜成像比單點光譜技術(shù)有明顯的優(yōu)勢。然而，這些技術(shù)是高度互補(bǔ)的。機(jī)載攝像機(jī)提供的信息可以通過地面上的單點測量(所謂的“地面實況”)進(jìn)行有效驗證。此外，這兩組數(shù)據(jù)將越來越多地與地球觀測衛(wèi)星提供的高光譜圖像結(jié)合使用。這將導(dǎo)致在多個空間和光譜分辨率級別上獲得有關(guān)作物健康和環(huán)境問題的更詳細(xì)信息。

機(jī)器視覺中的光譜成像

機(jī)器視覺是另一個受益于光譜成像部署增加的領(lǐng)域。大多數(shù)材料可以通過它們與光的相互作用(反射率、透射率或吸光度)來識別。不同的光譜特征可用于識別材料或?qū)⑻囟ú牧媳舜朔珠_。單點光譜儀測量可能很有用，但光譜成像可以檢查不同材料的空間分布。通過識別正常可見波長范圍之外的光譜特征，光譜成像還可以超越傳統(tǒng) RGB 相機(jī)的功能。覆蓋可見光和近紅外波長范圍的寬帶光譜成像可用于區(qū)分不同塑料、識別藥品或?qū)κ称焚|(zhì)量進(jìn)行分級。

在機(jī)器視覺中采用光譜成像將取決于它帶來的好處、設(shè)備成本和易于實施之間的平衡。光譜成像硬件和軟件的進(jìn)步將有助于簡化易用性。成本在某種程度上取決于是否需要多光譜或超光譜數(shù)據(jù)。在變量數(shù)量有限的受控環(huán)境中，多光譜成像的應(yīng)用可以降低成本。然而，在需要檢測材料或產(chǎn)品質(zhì)量的細(xì)微差異的情況下，可能需要高光譜成像。

醫(yī)學(xué)成像中的光譜成像

回到醫(yī)學(xué)和外科領(lǐng)域的應(yīng)用，光譜成像可以在幾個領(lǐng)域提供主要優(yōu)勢。已經(jīng)提到的微血管組織氧合成像，但在內(nèi)窺鏡檢查、非侵入性疾病診斷和圖像引導(dǎo)微創(chuàng)手術(shù)中也有應(yīng)用。

實時光譜成像在圖像引導(dǎo)手術(shù)和癌癥診斷方面具有巨大潛力。在手術(shù)室中，癌變組織通常無法與健康組織區(qū)分開來。然而，光譜成像有可能區(qū)分健康組織和癌變組織之間的光譜差異，并在手術(shù)過程中實時對不同組織進(jìn)行分類。這提供了通過在分子和組織水平上提供彩色編碼圖像來增強(qiáng)外科醫(yī)生視力的潛力。這反過來可能導(dǎo)致在不傷害鄰近正常組織的情況下最大限度地去除腫瘤。

那么光譜成像是未來嗎?光譜成像的好處是顯著和廣泛的。隨著硬件技術(shù)、圖像分析方法和計算能力的進(jìn)步，希望光譜成像在眾多應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，而不僅僅是這里提到的幾個例子。光譜成像檢測人眼或普通 RGB 機(jī)器視覺相機(jī)可能錯過的物體的能力不可低估。