高光谱图像技术

光谱图像简介

根据传感器的光谱分辨率对光谱成像技术进行分类, 光谱成像技术一般可分成3类。光谱图像是指在特定波长范围内由一系列波长处的光学图像组成的图像块。(1)多光谱成像———光谱分辨率在Δλ/λ= 0.1数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域一般只有几个波段。(2) 高光谱成像———光谱分辨率在Δλ/λ= 0.01数量级，这样的传感器在可见光和近红外区域有几十到数百个波段，光谱分辨率可达nm级。(3) 超光谱成像———光谱分辨率在Δλ/λ= 0.001数量级,这样的传感器在可见光和近红外区域可达数千个波段。

高光谱图像基本原理

高光谱图像技术是由高光谱遥感成像技术发展起来的一项技术。高光谱图像是在特定波长范围内由一系列波长处的光学图像组成的三维图像块。图为高光谱图像三维数据块的示意图。图1中，x和y表示二维平面像素信息坐标轴，第三维（λ轴）是波长信息坐标轴。从中可以看出，高光谱图像既具有某个特定波长λi下的图像信息，并且针对xy平面内某个特定像素，又具有不同波长下的光谱信息。

图1 高光谱图像数据块

高光谱图像技术优势

高光谱图像集样品的图像信息与光谱信息于一身。由于光谱信息能充分反映样品内部的物理结构、化学成分，内部结构的差异可以通过特定波长下的光谱值来表现，在每个特定波长下，xy平面内每个像素点的灰度值又与其在该波长下的光谱值之间一一对应。图像信息可以反映样品的形状、缺陷等外部品质特征，由于不同成分对光谱吸收亦不同的影响，在某个特定波长下图像对某个缺陷会有较显著的反映。这些特点决定了高光谱图像技术在农产品内外部品质的检测方面的独特优势。

基于高光谱图像的无损检测系统

基于高光谱图像的无损检测系统主要包括硬件平台(高光谱图像的获取) 和软件数据处理(高光谱图像数据分析) 两部分。硬件平台主要由光源、分光部件、CCD、图像采集系统和计算机所组成。根据分光部件的不同，其硬件平台又有2种不同的组建方式，即基于滤光片的高光谱图像获取系统和基于成像光谱仪的高光谱图像获取系统。

D摄像头

2.滤光片

3.RS232

4.转盘

5.光源

6.计算机

图2 基于滤光片的高光谱图像采集系统

1.摄像机

2.光纤

3.光源

4.计算机

5.输送装置

图4 基于光谱仪的高光谱图像系统

基于光谱仪的高光谱图像系统采集得到的数据精度高，适合于实验室阶段寻找最适合表达检测目标的特定波长，但其数据量超大，数据处理时间长，不适于在线检测；而基于滤波片的高光谱图像系统采集得到的数据量小，数据分析所需要的时间短，适合在线检测，但是滤波片过少，其数据简单，很难寻找到与检测目标相应的最佳特征波长。一般情况下，首先，在实验室阶段利用基于光谱仪的高光谱图像系统寻找检测目标的最优波长；然后，根据最优波长定做相应的滤波片，设计基于滤波片的高光谱图像系统，以实现在线检测。