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簡(jiǎn)述高光譜成像和多光譜成像的區(qū)別

2023-09-19

光譜分析作為自然科學(xué)分析的重要手段，光譜技術(shù)常常用來(lái)檢測(cè)物體的物理結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等指標(biāo)。最新的光譜技術(shù)將光譜分辨能力和圖形分辨能力相結(jié)合，造就了空間維度上的面光譜分析，也就是現(xiàn)在的多光譜成像和高光譜成像技術(shù)。本文簡(jiǎn)單論述了高光譜成像和多光譜成像的區(qū)別。

多光譜技術(shù)（Multispectral）

多光譜技術(shù)是指能同時(shí)獲取多個(gè)光學(xué)頻譜波段（通常大于等于3個(gè)），并在可見(jiàn)光的基礎(chǔ)上向紅外光和紫外光兩個(gè)方向擴(kuò)展的光譜探測(cè)技術(shù)。常見(jiàn)實(shí)現(xiàn)方法是通過(guò)各種濾光片或分光器與多種感光膠片的組合，使其在同一時(shí)刻分別接收同一目標(biāo)在不同窄光譜波段范圍內(nèi)輻射或反射的光信號(hào)，得到目標(biāo)在幾張不同光譜帶的照片。身邊最常見(jiàn)的多光譜照片是彩色相機(jī)拍攝的照片，如下圖，從頻譜上看，其包含了紅色（1），綠色（2）和藍(lán)色（3）三個(gè)光學(xué)頻譜波段的信息。如果在相機(jī)或者探測(cè)器上，增加更多的頻帶如頻帶（4）和（5），就可以獲得一個(gè)含多個(gè)頻帶的多光譜照片了。

多光譜技術(shù)結(jié)合成像硬件，即可圖像形式呈現(xiàn)多光譜信息。

當(dāng)然也可以僅使用探測(cè)器進(jìn)行單個(gè)空間點(diǎn)位的光譜信息獲取。海洋光學(xué)旗下品牌Pixelteq以獨(dú)特的芯片濾光技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)在9*9cm的芯片上獲取8個(gè)通道的光譜信息，特別適用于空間和成本要求極高的應(yīng)用場(chǎng)合。

高光譜技術(shù)（Hypespectral）

這是一種可以捕獲和分析一片空間區(qū)域內(nèi)逐點(diǎn)上光譜的精細(xì)技術(shù)，由于可以檢測(cè)到單個(gè)對(duì)象不同空間位置上的獨(dú)特光譜“特征”因此可以檢測(cè)到在視覺(jué)上無(wú)法區(qū)分的物質(zhì)。

高光譜圖像由更窄的波段（10-20 nm）組成。高光譜圖像可能有數(shù)百或數(shù)千個(gè)波段。 

物體與光源的光相互作用并被非成像光譜分析設(shè)備（比如光譜儀）接收后，設(shè)備可以精確地反應(yīng)出接收到的光信號(hào)在光譜頻帶上分布的強(qiáng)度差異也就是光譜信息。

而使用高光譜設(shè)備時(shí)，從成像特性角度看，可以了解到樣品各個(gè)位置的光譜信息，從光譜特性角度看，可以了解在特定光譜帶內(nèi)的信號(hào)位置分布，也就是說(shuō)，高光譜設(shè)備可以獲取更加豐富的細(xì)節(jié)信息。

高光譜和多光譜的區(qū)別

很多時(shí)候材料的反射率特征光譜相對(duì)于波長(zhǎng)的變化可能非常復(fù)雜，而其他微小特征使用較粗糙的多光譜成像方法也有可能無(wú)法分辨。

上圖中使用多光譜成像（左）識(shí)別無(wú)法分辨的物質(zhì)，通過(guò)使用高光譜成像（右）被分辨出來(lái)。其原因是由于高光譜具有更多的光譜頻帶，因此可以通過(guò)更高的光譜分辨率準(zhǔn)確地獲得更復(fù)雜的指紋特征。我們以相機(jī)產(chǎn)品為例，概括了高光譜和多光譜的區(qū)別，具體如下： 

1. 波段不同

多光譜相機(jī)通常有幾個(gè)或幾十個(gè)波段；高光譜相機(jī)可能有數(shù)百或數(shù)千個(gè)波段。這是兩種相機(jī)最根本的區(qū)別。 

2. 光譜分辨率不同

多光譜的光譜分辨率較差，由于波段較寬，能夠捕獲的數(shù)量也相對(duì)較少；而高光譜由更窄的波段（10-20 nm）組成，具有較高的光譜分辨率，可以檢測(cè)物體的光譜特效，可提供更多無(wú)形的數(shù)據(jù)。

3. 信息量不同

高光譜可測(cè)光譜范圍比較廣，覆蓋紅外線、紫外線區(qū)域的部分包含可以呈現(xiàn)每個(gè)波段的數(shù)百個(gè)點(diǎn)，可以觀察更多的細(xì)節(jié)，而多光譜則沒(méi)辦法實(shí)現(xiàn)。在所測(cè)得的信息中，高光譜相機(jī)可以測(cè)得連續(xù)完整的立體圖像信息，而多光譜獲得的信息是離散的樣本數(shù)據(jù)。 

4. 應(yīng)用范圍不同

多光譜相機(jī)復(fù)雜性較低，更容易理解和應(yīng)用，而高光譜相機(jī)比較復(fù)雜，可以處理更復(fù)雜的信息，應(yīng)用范圍和前景都更好一些，如：高光譜相機(jī)已被用于繪制入侵物種的地圖和幫助礦產(chǎn)勘探。

5. 成本和價(jià)格不同

多光譜相機(jī)成本比較低，價(jià)格也相對(duì)比較低。高光譜相機(jī)使用器件比較復(fù)雜，技術(shù)成本比較高，所以購(gòu)買和維護(hù)成本會(huì)更高一些。