Спектральный, мультиспектральный, гиперспектральный, не можете заметить разницу?
Спектральный анализ как важное средство естественнонаучного анализа, спектральная технология часто используется для обнаружения физической структуры объектов, химического состава и других показателей. Спектрометрия изображений, с другой стороны, объединяет спектральную технологию и технологию визуализации, объединяя спектральное разрешение и графическое разрешение, что приводит к многогранному спектральному анализу в пространственном измерении, который теперь известен как технология мультиспектральной визуализации и гиперспектральной визуализации.
В чем разница между спектральным, мультиспектральным и гиперспектральным?
Спектр
Спектр — это монохроматический свет, разделенный дисперсией после дисперсионной системы (например, призмы, решетки), через систему формирования изображений, проецируемый на детектор, чтобы стать размером длины волны (или частоты) последовательного расположения рисунка, который известен как оптический спектр. Спектрометр Ocean Optics основан на этом принципе проектирования и производства.
В зависимости от длины волны световые волны имеют разные названия: длины волн в диапазоне 380 и 780 нм называются видимым светом, волны короче 380 нм называются ультрафиолетовым светом, а волны длиннее 780 нм называются инфракрасным светом (инфракрасный свет также делится на ближний инфракрасный, средний инфракрасный, дальний инфракрасный и т. д.).
Мультиспектральный
Мультиспектральная технология относится к одновременному получению нескольких оптических спектральных диапазонов (обычно больше или равно 3), а также в видимом свете на основе инфракрасного света и ультрафиолетового света для расширения направления технологии спектрального обнаружения. Обычный метод реализации заключается в использовании различных фильтров или светоделителей и различных комбинаций фотопленки, чтобы в то же время, соответственно, получать одну и ту же цель в диапазоне различных узких спектральных диапазонов излучаемых или отражаемых световых сигналов, чтобы получить цель в нескольких различных спектральных диапазонах фотографии. Наиболее распространенными мультиспектральными фотографиями являются те, которые сделаны цветными камерами, как показано ниже, которые содержат информацию в трех оптических спектральных диапазонах, красном (1), зеленом (2) и синем (3), со спектральной точки зрения. Если к камере или детектору добавить больше диапазонов, таких как диапазоны (4) и (5), можно получить мультиспектральный снимок с несколькими диапазонами.
Мультиспектральная технология в сочетании с оборудованием для формирования изображений позволяет представлять мультиспектральную информацию в виде изображения.
Конечно, также возможно использовать только детектор для получения спектральной информации одной пространственной точки. Pixelteq, бренд Ocean Optics, с его уникальной технологией фильтрации чипов, может реализовать получение 8 каналов спектральной информации на чипе размером 9*9 см, что особенно подходит для приложений с чрезвычайно высокими требованиями к пространству и стоимости.
Гипеспектральный
Гиперспектроскопия — это тонкая технология, которая позволяет захватывать и анализировать спектры по точкам в пространственной области благодаря уникальным спектральным «особенностям», которые можно обнаружить в различных пространственных точках одного объекта, и, следовательно, может обнаруживать вещества, которые невозможно различить визуально.
Пример гиперспектрального изображения: изображения состоят из более узких полос (10-20 нм). Гиперспектральные изображения могут иметь сотни или тысячи полос. После того, как объект взаимодействует со светом от источника света и принимается невизуальным спектральным анализирующим устройством (например, спектрометром), устройство может точно реагировать на различия в интенсивности распределения принятого светового сигнала по спектральным полосам, также известным как спектральная информация. При использовании гиперспектрального оборудования, с точки зрения характеристик изображения, вы можете понять спектральную информацию каждой позиции образца, с точки зрения спектральных характеристик, вы можете понять распределение позиции сигнала в определенной спектральной полосе, то есть гиперспектральное оборудование может получить более богатую подробную информацию. Например: человеческий глаз может воспринимать только три спектральные полосы в сигнале световой энергии объекта: красный, зеленый и синий. То есть, мы часто называем это тремя основными цветами, но на самом деле мы можем видеть комбинацию этих трех цветов, создаваемую оранжевым, фиолетовым, лаймово-зеленым и так далее более тонкими цветами. Однако мы не можем различить разницу между чистым желтым и смесью красного и зеленого, которая также известна как «изохроматическая». Но гиперспектральная визуализация может легко различить разницу.
Выше два желтых цвета, один «сплошной цвет», а другой — смесь красного и зеленого, могут быть визуально неразличимы, но из-за их спектральных различий их можно различить с помощью спектроскопического оборудования. В наших экспериментах данные, полученные с помощью спектрометра, представляют собой среднее значение света, испускаемого всеми молекулами, взаимодействующими с источником падающего света во всем обнаруженном диапазоне, тогда как с помощью многоспектрального устройства можно получить информацию об образцах в нескольких определенных полосах в различных точках в пределах обнаруженного диапазона. В результате ни одно из этих устройств не может предоставить очень точную информацию об образце в одной области.
Гиперспектральный формирователь изображений (HSI) можно сравнить с сотнями или тысячами одноточечных спектрометров, выстроенных в ряд и одновременно фокусирующихся на области, при этом каждый спектрометр работает независимо и получает спектральную информацию о своем собственном местоположении. Выходные данные HSI представляют собой изображение или видеопоток, в котором каждый пиксель имеет свой собственный спектр, а каждый спектр содержит сотни спектральных полос. Эта «полноспектральная» возможность гиперспектральной визуализации позволяет видеть спектральные сигналы в каждом различимом пространственном месте сцены, т. е. получается больше размерной информации. Таким образом, гиперспектральную визуализацию можно использовать в различных приложениях, включая идентификацию произведений искусства, здоровье сельскохозяйственных культур, картографирование береговой линии, лесное хозяйство, разведку полезных ископаемых, городскую и промышленную инфраструктуру, качество продукции на производственных линиях, мониторинг окружающей среды и многое другое.
Методы гиперспектрального сканирования и результаты визуализации
Разница между гиперспектральным и мультиспектральным
Очень часто спектр отражательной способности материала может быть очень сложным по отношению к длине волны, и другие мельчайшие особенности могут быть неразличимы с помощью более грубых методов многоспектральной визуализации.
Вещества, которые были неотличимы от тех, которые были идентифицированы с помощью мультиспектральной визуализации (слева) на рисунке выше, были различены с помощью гиперспектральной визуализации (справа). Причина этого в том, что поскольку гиперспектральная визуализация имеет больше спектральных полос, более сложные признаки отпечатков пальцев могут быть точно получены с более высоким спектральным разрешением.
Типичные применения
Гиперспектральные устройства могут обнаруживать определенные краски или красители в инфракрасном диапазоне, которые не видны человеческому глазу. Аналогично, системы HSI в диапазоне 60 или 300 могут предоставить более богатую спектральную информацию об отражательной способности материала, чем многоспектральная система, что позволяет более точно характеризовать материал. На изображении ниже показано изображение и спектральная информация, полученные с образца свежей ткани животного, помещенного на конвейерную ленту в лаборатории с использованием гиперспектрального формирователя изображений:
Спектрограммы различных областей: (а) маркированные области чистого жира, мраморности и чисто постных частей на образцах тканей; (б) Спектрограммы, маркированные в различных областях диаграммы (а).
Кроме того, мы можем предоставить интуитивно понятные программы для анализа изображений, классификации и визуализации различных веществ с уникальными спектральными характеристиками. Независимо от того, получены ли эти данные с воздуха, с земли или в лаборатории, вы можете увидеть на экране компьютера детали, которые могут быть неразличимы глазом.