基于高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用研究

通過適當(dāng)?shù)慕M件選擇，高光譜成像技術(shù)可提供可見光范圍以外的有效圖像捕獲。

高光譜成像（HSI）技術(shù)最初用于地球觀測，已擴展到各個領(lǐng)域，從工業(yè)分類到醫(yī)學(xué)研究，例如科學(xué)家利用該技術(shù)生成皮膚和皮下組織的數(shù)據(jù)庫。

隨著圖像傳感器和照相機的改進，研究人員和開發(fā)人員正在發(fā)現(xiàn)越來越多的高光譜成像應(yīng)用，包括食品質(zhì)量控制，制藥過程控制，塑料分選和生物測量。

應(yīng)用范例

食品質(zhì)量控制

過去，食品質(zhì)量控制需要破壞性的測量。質(zhì)量保證人員在每個批次中選擇一個樣本進行采樣，檢查其外觀，并使用破壞性測量技術(shù)根據(jù)分析結(jié)果確定等級?，F(xiàn)在，SWIR高光譜成像可以幫助識別和量化食品的化學(xué)成分，并基于所分析的每個分子的不同波長或光譜指紋，提供諸如營養(yǎng)，脂肪百分比，糖含量和新鮮度等信息。例如，一架無人駕駛飛機上的SWIR高光譜攝像機可以幫助測量生長在樹上的蘋果中的糖含量，并在收獲季節(jié)之前預(yù)測其等級和質(zhì)量。

塑料分選

2017年，美國的塑料回收率為8.4％，但回收工廠每年接收300萬噸塑料。隨著對回收利用意識的提高，預(yù)計會有更多的人對廢物進行回收，這意味著需要更多的塑料用于回收工廠進行處理。但是，不同的塑料材料需要不同的回收過程，如果使用錯誤的過程，則無法區(qū)分它們可能會濾出有毒化學(xué)物質(zhì)，或在此過程中損壞儀器。借助高光譜成像，回收站可以輕松地利用1.7至2.6 m光譜信息區(qū)分塑料材料，并使用從相機收集的空間信息在傳送帶上標(biāo)記位置。

圖2：高光譜攝像機類型及其各自的采集和數(shù)據(jù)存儲方法包括：（a）掃帚攝像機；（b）掃帚相機；（c）基于光譜掃描的高光譜相機；（d）快照相機。

高光譜成像的類型

高光譜相機可以通過四種方式捕獲信息：點掃（點掃描）相機，線掃（線掃描）相機，基于光譜掃描（區(qū)域掃描或平面掃描）的相機以及快照（單次拍攝）相機。

點掃攝像機一次捕獲一個像素。圖像隨著相機光柵掃描樣品而建立，并包含其所有光譜信息。雖然在圖像采集期間非常耗時，但是該方法導(dǎo)致非常高的光譜分辨率。

高光譜成像系統(tǒng)對農(nóng)產(chǎn)品進行分級

線掃相機比點掃式攝像機快，并提供高光譜分辨率，線掃式攝像機一次可捕獲一條線。相機會在樣品上掃描這條線以生成完整圖像。盡管比點掃更快，但線掃相機可能會在結(jié)果圖像中產(chǎn)生鋸齒和運動偽影。

光譜掃描相機一次收集給定波長的整個空間信息。高光譜立方一次生成一個圖像/一個波長。雖然每張圖像速度很快，但是光譜掃描由于改變波長所需的時間而緩慢地產(chǎn)生立方體。

高光譜快照相機可以捕獲高光譜視頻，是快速成像運動物體的理想選擇。但是，這些相機通常只能提供有限的光譜和空間分辨率。

圖3：Hamamatsu Photonics提供了G14741-0808W InGaAs面積圖像傳感器（頂部），該傳感器提供了光敏度和光譜響應(yīng)曲線，如圖所示（底部）。

圖像傳感器要求

獨立于高光譜平臺，光學(xué)傳感器在數(shù)據(jù)采集中扮演著最重要的角色。在本節(jié)中，本文介紹了HSI所需的傳感器規(guī)格。

光譜響應(yīng)范圍

與傳統(tǒng)的RGB成像相比，HSI的主要優(yōu)勢在于能夠在更寬的光譜響應(yīng)范圍內(nèi)以更高分辨率的光譜捕獲更多細(xì)節(jié)。借助CCD和CMOS圖像傳感器等硅技術(shù)，可以在可見光和近紅外范圍（從400 nm至1100 nm波長）中檢測出肉制品中的變色和一些異物。但是，使用反射成像方法檢測肉的水分含量（嫩度）需要900至1700 nm的光譜范圍。在此波長范圍內(nèi)，CCD和CMOS傳感器沒有足夠的響應(yīng)，而標(biāo)準(zhǔn)的InGaAs技術(shù)可以以相當(dāng)可觀的成本實現(xiàn)超過70％的量子效率。

作為另一個示例，檢測牛肉中的脂肪酸需要1000至2300 nm的光譜范圍。借助擴展的InGaAs技術(shù)，該傳感器可以檢測900 nm至2.5 m的波長，使其適用于1.7 m以上的高光譜成像。作為可以提供擴展波長的InGaAs圖像傳感器的少數(shù)供應(yīng)商之一，濱松光電公司發(fā)布了一系列QVGA InGaAs區(qū)域圖像傳感器，其截止波長為1.7 m， 1.9 m，2.2 m和2.5 m。

動態(tài)范圍

光學(xué)傳感器的動態(tài)范圍對于在寬光譜范圍內(nèi)獲取信息非常重要，尤其是在部署推掃技術(shù)進行圖像獲取時。推掃式攝像頭可以同時捕獲一整條圖像線和光譜信息，并且可以將所有波長的曝光時間設(shè)置為一個值，因此傳感器需要具有足夠的動態(tài)范圍以獲取非常低的信號和整個光譜中的峰值信號。動態(tài)范圍取決于讀出噪聲和傳感器的飽和度。讀出的噪聲通常確定傳感器可以檢測到的最小信號電平。例如，要達到1.2V飽和輸出電平下的1500動態(tài)范圍，就需要800 V rms的讀出噪聲，這對于CMOS ROIC設(shè)計而言并不容易。長時間曝光 需要考慮暗電流散粒噪聲，特別是在使用擴展的InGaAs時。例如，在相同的像素格式下，如果標(biāo)準(zhǔn)InGaAs傳感器（1.7 m截止波長）的暗電流指定為0.03 pA，則擴展的InGaAs傳感器（2.5 m截止波長）的暗電流可以指定為30 pA。

新型寬帶LED增強了高光譜成像應(yīng)用

靈敏度

與可以將曝光時間設(shè)置為030秒的傳統(tǒng)光譜相比，HSI的曝光時間必須足夠短（有時以毫秒為單位，甚至是微秒，范圍），以避免任何波長下的飽和，這可能導(dǎo)致曝光不足如果傳感器在任何波長下都不具有足夠的靈敏度，則某些光譜帶的光譜會降低，并且光譜測量的準(zhǔn)確性會降低。傳感器的靈敏度包括光電二極管陣列的光電靈敏度和片上讀出電路的電荷電壓轉(zhuǎn)換增益。然而，讀出噪聲水平通常隨著靈敏度的增加而增加。使用區(qū)域掃描HSI技術(shù)，可以為每個波長設(shè)置合適的曝光時間或片上增益。例如，可以為低信號范圍設(shè)置較長的曝光時間或較高的轉(zhuǎn)換增益，可以為強信號范圍設(shè)置較短的曝光時間或較低的轉(zhuǎn)換增益，以便在整個波長范圍內(nèi)獲得平滑的輸出光譜。

作為最流行的高光譜成像方法，pushbroom方法以按行帶狀交錯（BIL）的格式存儲高光譜數(shù)據(jù)立方體-一種在一個方向上連續(xù)掃描的方案。因此，線掃式攝像機特別適合在工業(yè)過程中常用的傳送帶系統(tǒng)，例如食品質(zhì)量和安全檢查，回收工廠的分類以及藥品標(biāo)簽和包裝。對于具有快速移動物體的應(yīng)用，快速采集變得至關(guān)重要。不僅曝光時間短，而且傳感器設(shè)計的體系結(jié)構(gòu)都可以提高讀出速度。例如，片上采樣保持電路啟用“邊讀取邊積分”（IWR）功能，因此傳感器可以在第二行曝光時開始讀取第二行曝光，同時讀取整條線（來自前一次曝光的數(shù)據(jù)）。

區(qū)域掃描方法可以在一系列波長中記錄空間和光譜信息，因此對于快速成像應(yīng)用很有吸引力，但是區(qū)域掃描相機不適合需要移動樣本測量的應(yīng)用。濱松光電制造的區(qū)域圖像傳感器具有列平行結(jié)構(gòu)和部分讀出（ROI）功能，不僅可以按像素數(shù)量成比例地縮短讀出時間，而且可以節(jié)省數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)處理工作。

相機要求

攝影機

高光譜成像相機有兩種類型：線掃描相機和面掃描相機。

線掃描攝像機集成了線性一維傳感器，并具有高幀率的優(yōu)勢，速度超過40,000行/秒，使其非常適合組裝線的在線檢查。當(dāng)與人工智能（AI）結(jié)合用于缺陷識別或模式識別時，它是檢查系統(tǒng)的重要組成部分，因為高采集速度可實現(xiàn)基于AI的分類和缺陷識別任務(wù)。

區(qū)域掃描相機集成了2D傳感器，并通過生成整個場景的快照圖像來提供高空間信息。典型的區(qū)域掃描InGaAs攝像機采用QVGA或VGA格式。攝像機可以快速捕獲許多圖像，提供大視野，并適合農(nóng)業(yè)中的廣域成像應(yīng)用。

高光譜成像攝像機還可以用于食品檢驗，安全性，塑料分揀和藥物發(fā)現(xiàn)。大多數(shù)相機的傳感器上都有散熱裝置，可降低噪聲和暗電流，從而改善整體圖像質(zhì)量。板載內(nèi)存或用戶可訪問的FPGA使攝像機對于定制非常有吸引力。

接口

接口選擇是選擇攝像機的重要考慮因素，因為它定義了攝像機的速度，連接性以及與其他儀器的集成程度。相機有許多為不同目的而設(shè)計的接口。USB和GigE是最常的，而示例包括RS-422 / LVDS，Camera Link，RS-232和CoaXPress接口。

軟件支持

將正確的軟件與高光譜硬件配對代表了系統(tǒng)開發(fā)中的關(guān)鍵一步。必須考慮硬件驅(qū)動程序的支持，因為相機必須在選定的軟件環(huán)境中運行。

對于希望對接口進行自我編程的用戶，軟件開發(fā)工具包支持是他們的主要考慮因素。編寫自定義界面使用戶可以完全控制最終用戶的體驗。Python和C ++是常見的編程語言，而Linux操作系統(tǒng)為控制設(shè)備和數(shù)據(jù)流提供了極大的靈活性。作為開發(fā)人員，必須確認(rèn)照相機支持這些編程工具，或進行昂貴的系統(tǒng)重新設(shè)計。

審核編輯：郭婷