Основное различие между гиперспектральными и многоспектральными камерами заключается в количестве диапазонов, которые они регистрируют, и ширине диапазона (то есть спектральном разрешении).
Согласно стандартному определению, гиперспектральная камера регистрирует более 100 диапазонов, в то время как многоспектральная камера регистрирует меньше диапазонов. Однако это определение не учитывает ширину спектрального диапазона или скорость отбора проб. Это означает, что если камера покрывает спектральный диапазон 400 - 600 нм и записывает 50 диапазонов, это не гиперспектральная камера, но если она покрывает 400 - 800 нм и имеет такую же скорость отбора проб (что означает, что на этот раз она записывает 100 диапазонов), то это гиперспектральная камера.
Эта статья предпочитает говорить о спектральном разрешении (FWHM, полная ширина полупиков *), подчеркивая способность камеры различать два последовательных спектральных пика.
Гиперспектральные и мультиспектральные данные
Гиперспектральная визуализация включает в себя захват и анализ большого количества данных в узком непрерывном диапазоне электромагнитного спектра, генерируя спектр высокого разрешения для каждого пикселя в изображении. Таким образом, гиперспектральная камера обеспечивает гладкий спектр. Спектр, предоставляемый многоспектральной камерой, имеет ступенчатую или зубчатую форму и не может точно изобразить спектральные характеристики.
Спектральная съемка обеспечивает получение более подробных данных, чем многоспектральная съемка, что позволяет проводить более конкретный анализ и более точную идентификацию различных материалов и веществ.
Мультиспектральная съемка может не различать близкородственные материалы из-за ограниченного спектрального разрешения. Для большинства мультиспектральных камер на рынке спектральный диапазон ограничен 400–1000 нм, с типичным числом полос от 4 до 5. Эти ограничения имеют важные последствия для многих приложений.
Чтобы проиллюстрировать преимущества гиперспектральных камер по сравнению с мультиспектральными камерами, мы изучили процесс сортировки миндальной скорлупы от миндаля. Это типичное приложение, требующее высокой степени точности при идентификации различных материалов, которые очень похожи по внешнему виду.
Преимущества гиперспектральных камер перед мультиспектральными камерами по спектральному диапазону
Спектр, образованный характеристиками отражения, поглощения и испускания, тесно связан с молекулярным составом испытываемого материала. Таблица 1 очень известна. Большинство молекулярных связей веществ имеют спектральные отпечатки, вызванные резонансными частотами (частотами спектрального резонанса).
Как показано в таблице, для многих приложений требуется спектральный диапазон 700–2500 нм. Особенно для приложений, связанных с оценкой качества продуктов питания и сортировкой пластика, необходим спектральный диапазон 1100–1700 нм. Мультиспектральные камеры, ограниченные диапазоном 400–1000 нм, не подходят для этих приложений.
Статья, сравнивающая гиперспектральную съемку с камерами RGB, показала, что камеры RGB плохо справились с сортировкой орехов и фисташек. CHNSpec FS13 справилась лучше, а CHNSpec FS17 показала самую высокую точность сортировки.
Преимущество гиперспектральных камер перед мультиспектральными камерами по количеству каналов
Принимая во внимание предыдущий пункт, миндаль и миндальная скорлупа сравнивались с использованием данных камеры CHNSpec FS17, охватывающей спектральный диапазон 900–1700 нм и регистрирующей 224 полосы в первом наборе данных. Во втором наборе данных для моделирования мультиспектральной камеры использовались только 28 объединенных полос (т. е. объединение непрерывных спектральных полос).
Как показано на рисунках 1 и 2, спектры, связанные с набором данных из 224 полос, намного более гладкие, чем те, которые изображены только с 28 полосами. В гиперспектральных данных также можно захватить небольшие, но важные спектральные различия, чтобы иметь возможность отделить миндаль от его скорлупы.
Другими словами, поскольку количество регистрируемых полос ограничено 28, спектральная информация, необходимая для различения миндаля от его скорлупы, теряется.
Кроме того, некоторые методы предварительной обработки не подходят для многоспектральных данных. Например, производные или сглаживающие алгоритмы, такие как Савицкий-Голей, требуют для хорошей работы непрерывных спектров, чего не могут обеспечить многоспектральные датчики.
Как упоминалось выше, путем построения двух моделей для иллюстрации этих моментов, связанных со способностью точно характеризовать спектральные особенности, гиперспектральная модель, охватывающая 224 полосы, более точна, чем мультиспектральная модель, охватывающая только 28 полос.
В гиперспектральных данных краевые эффекты исчезают, и даже самые мелкие фрагменты миндальной скорлупы могут быть правильно классифицированы.
В этом исследовании было выбрано 28 спектральных диапазонов для имитации многоспектральной камеры. Однако типичные многоспектральные камеры охватывают значительно меньше спектральных диапазонов, что еще больше снижает их способность отображать тонкие спектральные особенности.
Как выбрать между гиперспектральной и мультиспектральной съемкой?
Как гиперспектральная, так и мультиспектральная визуализация широко используются для захвата и анализа электромагнитного спектра в различных исследовательских, промышленных и дистанционных приложениях. Эти две технологии дополняют друг друга, и выбор зависит от требований приложения и уровня доступных данных.
Если приложение требует покрытия большего количества спектральных диапазонов, а требуемое спектральное разрешение выше, чем возможности технологии мультиспектральной визуализации, то естественным решением является гиперспектральная камера
Если приложение не требует покрытия всего спектрального диапазона, настраиваемая мультиспектральная камера, охватывающая определенные диапазоны, может работать так же хорошо, как и гиперспектральная камера. Однако для этого пользователю необходимо знать выбранное количество спектральных диапазонов, которые необходимо охватить для проверки или анализа. Если пользователь не знает спектральных требований приложения или они очень сложны, лучше использовать гиперспектральную камеру для сбора данных анализа.
Гиперспектральные камеры также обеспечивают большую гибкость, позволяя пользователям модернизировать машину в более позднее время для сортировки нового мусора или материалов. При использовании камеры CHNSpec FS пользователи могут свободно выбирать соответствующие диапазоны. Фактически, гиперспектральную камеру CHNSpec FS можно преобразовать в мультиспектральную камеру, в то время как мультиспектральную камеру никогда нельзя превратить в гиперспектральную камеру.
Наконец, еще один аспект, который следует учитывать при выборе между гиперспектральной и мультиспектральной камерами, — это цена. Обычно гиперспектральные камеры стоят дороже и требуют большей вычислительной мощности, чем мультиспектральные камеры, но это не всегда так, особенно когда для мультиспектральной камеры требуется большее количество диапазонов.