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高光譜成像技術(shù)的原理和圖像采集系統(tǒng)

2023-09-21

?高光譜成像是相對(duì)多光譜成像而言，通過(guò)高光譜成像方法獲得的高光譜圖像與通過(guò)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(jiǎn)單介紹了高光譜成像技術(shù)的原理和圖像采

高光譜成像技術(shù)的成像原理

高光譜圖像是一系列光波波長(zhǎng)處的光學(xué)圖像（光源有特定的波長(zhǎng)），它比多光譜圖像有更高的波長(zhǎng)分辨率，通常分辨率可達(dá)到1~3nm，本論文所采用的高光譜成像系統(tǒng)的分辨率為1.25nm。高光譜圖像數(shù)據(jù)是三維的，有時(shí)稱為圖像塊。其中二維是圖像像素的橫縱坐標(biāo)信息（以坐標(biāo)x和y表示），第三維是波長(zhǎng)信息（以λ表示）。例如，一個(gè)為512×512像素的圖像檢測(cè)器陣列在100個(gè)波長(zhǎng)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(tǒng)的像素為1344×1024，在477個(gè)波長(zhǎng)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(shù)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(jì)算機(jī)和單色儀。光源的波譜范圍可以在紫外（200nm~400nm）、可見(jiàn)光（400nm~760nm）、近紅外（760nm~2560nm）以及波長(zhǎng)大于2560nm的區(qū)域。攝像頭能接受從物體表面反射或透射來(lái)的光，并通過(guò)CCD傳感器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。CCD傳感器分為線列（一次曝光獲得一維圖像信號(hào)）和面列（一次曝光獲得二維圖像信號(hào)）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(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，并通過(guò)計(jì)算機(jī)顯示出來(lái)。單色儀用來(lái)獲得特定波長(zhǎng)的光，特定波長(zhǎng)的光可通過(guò)濾波器（濾波片）和圖像光譜儀兩種方式獲得。因此，根據(jù)單色儀的不同，可以分為如下兩種高光譜圖像采集系統(tǒng)。

高光譜成像技術(shù)圖像采集系統(tǒng)

第一種是基于濾波器或?yàn)V波片的高光譜圖像系統(tǒng)，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(zhǎng)選擇的元件組成。常用的波長(zhǎng)選擇元件有窄帶濾波片、液晶可調(diào)式濾鏡、聲光可調(diào)式濾鏡等。高光譜圖像獲取方法是：通過(guò)連續(xù)采集一系列波段條件下的樣品二維圖像，即在每個(gè)波長(zhǎng)入 i（i = 1，2，3，...，n；其中n為正整數(shù)）得到一幅二維圖像（橫坐標(biāo)為x，縱坐標(biāo)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?yàn)V波片的高光譜圖像系統(tǒng)圖和此系統(tǒng)下獲得的圖像數(shù)據(jù)示意圖

第二種是基于光譜儀的高光譜圖像系統(tǒng)，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(cè)器作為敏感元件。工作時(shí)，圖像光譜儀將檢測(cè)樣品反射或透射來(lái)的光分成單色光源后進(jìn)入CCD攝像頭。該系統(tǒng)采用“掃帚式”成像方法得到高光譜圖像。線列探測(cè)器在光學(xué)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(duì)象條狀空間中每個(gè)像素在各個(gè)波長(zhǎng)條件的圖像信息：同時(shí)在檢測(cè)系統(tǒng)輸送帶前進(jìn)過(guò)程中，排列的探測(cè)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(shù)據(jù)，如下圖（b）所示。用此法在農(nóng)畜產(chǎn)品品質(zhì)與安全性檢測(cè)時(shí)，使的檢測(cè)生產(chǎn)線行進(jìn)方向的樣本尺寸不受CCD攝像頭拍攝區(qū)間大小的限制，但此法成本較高。