近期，在機器視覺行業中，對利用分光成像進行圖像處理技術的關注越來越高，高光譜相機和多光譜相機的應用也越來越廣泛。本文將介紹光譜技術以及光譜相機的種類。

普通相機在光線進入時，會將光的所有波長組合成一張圖像，通過多光譜相機則可以將光源分成多光譜信息。這里的分光是指將光線分成多波長的現象。人眼只能感知可見光區域（380-780nm）的波長，而分光圖像可以將相同波長分成多個波段后處理數據。

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，將物體的光學特性以光譜（分光）形式存儲，廣泛用于物質識別、分析和變化預測等領域。?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。

光譜相機內部結構

光譜相機內部結構如下所示。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，最后傳輸到傳感器。

圖2?光譜相機內部結構

主要根據拍攝方式、波段數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境后選擇光譜相機非常重要。

光譜相機種類

拍攝方式：根據拍攝方式，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軸數據，就保存了每行的分光波長數據，用戶可以根據需要移動Y軸合并生成高光譜數據立方體(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

光譜波段數量。

圖4?高光譜相機和多光譜相機

根據光譜波段數量的不同，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點和缺點以及使用環境選擇合適的相機。（*高光譜相機的波段數可能因型號而異）

表2?高光譜和多光譜相機的特點

根據分光方法，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。

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濾光片，固定濾光片具有特定的波長，而可變濾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，實現光譜分析。

AVAL DATA 提供單色儀（Monochromator）方式的AHS-003VIR和濾光方式的ABA-013VIRLF。它們都是Push-broom方式的相機，支持從可見光到近紅外光的寬廣光譜范圍。

圖6?Hyperspectral camera (左) 和?Multispectral camera (右)

表3?AHS-003VIR和?ABA-013VIRLF配置信息

光譜成像系統的構成部分

除了分光相機外，分光成像系統的結構還需要其他配件，比如， 光源、鏡頭、圖像處理軟件。

圖7?分光圖像系統的結構

光源：光源通常在戶外環境（如地質狀況、環境監測、目標檢測等）以及衛星、航空、無人機（UAV）和地面等應用領域中使用自然光（太陽光），而在室內環境中則使用燈泡、發光二極管（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，并且拍攝的數據以每個波長的BMP文件或包含圖像尺寸和波長信息的立方體數據（比如ENVI格式）。以BMP格式數據應用時，需要具備光譜數據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據的解決方案，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格式提取的數據除了圖像數據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）來分析和處理數據。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)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）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，產品在Y軸方向移動時，獲取圖像和光譜數據，提取特定數據進行學習，然后獲得分類結果。

結論

光譜成像技術從多光譜的遙感應用開始逐漸增加并且波段數量并不斷增加，應用領域也不僅限于地質研究、國防、醫療保健、食品、農業、礦產等領域，最近在機器視覺領域，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議題，建議考慮利用光譜成像技術。