高光譜成像是一種將光譜技術(shù)與成像技術(shù)相結(jié)合的強(qiáng)大技術(shù)，能夠以傳統(tǒng)成像系統(tǒng)無法實(shí)現(xiàn)的方式收集物體和表面組成及特征的詳細(xì)信息。由于高光譜成像能夠以無破壞性的非侵入方式識(shí)別和量化材料，其在各種行業(yè)和研究應(yīng)用中越來越受歡迎。
光譜成像是使用整個(gè)電磁波譜范圍內(nèi)多個(gè)波段的成像技術(shù)。RGB 相機(jī)使用三個(gè)可見光波段（紅色、綠色和藍(lán)色）來生成圖像，而光譜成像可以檢查物體與許多其他波段的相互作用，包括 250 nm 到 15,000 nm 以及熱紅外波段。光與物質(zhì)之間相互作用的研究稱為光譜學(xué)或光譜檢測(cè)。
圖 1.高光譜成像可以捕獲 250 nm 至 15,000 nm 以及熱紅外波長的光。
光譜成像系統(tǒng)中采用的成像技術(shù)可以捕獲和處理有關(guān)圖像內(nèi)光波長的信息。這些系統(tǒng)旨在捕獲電磁波譜中超出人眼可見光范圍的多個(gè)波段或信息通道，然后該數(shù)據(jù)經(jīng)過處理可以生成光譜數(shù)據(jù)的顏色編碼表示，從而提供有關(guān)圖像中物體的化學(xué)和物理特征信息。
高光譜成像涉及使用成像光譜儀（也稱為高光譜相機(jī)）來收集光譜信息。
高光譜相機(jī)會(huì)捕捉場(chǎng)景中的光，并將其分拆到各個(gè)不同的波長或光譜波段。它提供場(chǎng)景的二維圖像，同時(shí)記錄圖像中每個(gè)像素的光譜信息。
最后，高光譜相機(jī)會(huì)生成一張高光譜圖像，其中每個(gè)像素代表一個(gè)獨(dú)特的光譜。這種獨(dú)特的光譜類似于指紋。由于每種材料和化合物對(duì)光的反應(yīng)都不同，因此它們的光譜特征也不同。就像指紋可用來識(shí)別個(gè)人一樣，光譜可以用來識(shí)別和量化場(chǎng)景中的材料。
高光譜成像系統(tǒng)會(huì)分析光譜響應(yīng)，根據(jù)獨(dú)特光譜來檢測(cè)圖像中的特征或物體并進(jìn)行分類。
高光譜成像將數(shù)字成像與光譜儀的優(yōu)勢(shì)相結(jié)合，可提供關(guān)于物體的物理和化學(xué)特性的空間和光譜信息。光譜信息可用于識(shí)別材料并對(duì)其進(jìn)行分類，空間信息則提供了關(guān)于材料分布和區(qū)域分離的數(shù)據(jù)。高光譜成像可以回答有關(guān)“什么”（基于光譜）、“哪里”（基于位置）和“何時(shí)”的問題。
圖 2：為了匹配人眼的視覺效果，葉子的數(shù)碼照片（上圖）使用紅綠藍(lán)三個(gè)波段來生成。RGB 數(shù)據(jù)相當(dāng)于一本三頁的小冊(cè)子。相比之下，葉子的高光譜圖像（下圖）會(huì)捕獲 220 個(gè)波長的光譜響應(yīng)。這就相當(dāng)于一本 220 頁的書，其中包含相應(yīng)物體的更多詳細(xì)信息。
高光譜成像的主要優(yōu)勢(shì)之一是其空間和光譜分辨率高，可以對(duì)材料進(jìn)行詳細(xì)表征分析。
高光譜相機(jī)可以測(cè)量成千上萬甚至數(shù)十萬個(gè)光譜，從而生成包含位置、波長和時(shí)間相關(guān)信息的大型高光譜數(shù)據(jù)立方體。
高光譜成像讓我們能夠區(qū)分具有相似物理或視覺特征的材料，或者具有人眼無法分辨的材料，例如不同的礦物。
高光譜成像技術(shù)在工業(yè)、研究和遙感中的應(yīng)用越來越廣泛。
高光譜成像系統(tǒng)提供的數(shù)據(jù)可在檢測(cè)期間用于查找或分選普通相機(jī)或人眼看不見的各種材料，或者量化材料的濃度。例如，集成到在線質(zhì)量控制系統(tǒng)中后，高光譜成像系統(tǒng)可用于識(shí)別產(chǎn)品中的異物、污染物以及脂肪、糖分或水分含量。
通過遙感獲取的高光譜圖像可以提供礦物或植被等地表信息。
高光譜成像可用于各種應(yīng)用，包括：
環(huán)境監(jiān)測(cè)：監(jiān)測(cè)土地利用、植被健康和水質(zhì)隨時(shí)間的變化。這有助于檢測(cè)生態(tài)退化的早期跡象并跟蹤保護(hù)工作的效果。
礦產(chǎn)勘探：測(cè)繪礦床，檢測(cè)礦物成分和分級(jí)。
質(zhì)量控制：以沒有破壞性的方式，對(duì)食品進(jìn)行檢查和分級(jí)或者對(duì)工業(yè)產(chǎn)品中的污染物和缺陷進(jìn)行檢測(cè)。
廢品管理：以高精度可靠地分離各種各樣的材料。此信息可用于實(shí)現(xiàn)回收過程自動(dòng)化并提高回收材料的價(jià)值。
農(nóng)業(yè)：評(píng)估作物的健康狀況和產(chǎn)量，監(jiān)測(cè)土壤水分和養(yǎng)分含量，從而優(yōu)化作物管理實(shí)踐并提高作物產(chǎn)量。
軍事偵察：檢測(cè)和識(shí)別危險(xiǎn)材料等等。
綜上所述，高光譜成像既是重要的研究工具，也是非常有用的機(jī)器視覺技術(shù)，有助于各行各業(yè)改進(jìn)工藝流程、提高質(zhì)量和減少浪費(fèi)。
