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高光譜成像技術(shù)的基本原理

2023-09-04

高光譜成像技術(shù)是近幾年研究較多的一種檢測(cè)技術(shù)，其通過(guò)將計(jì)算機(jī)成像技術(shù)和光譜技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合而發(fā)展起來(lái)的一種新型無(wú)損檢測(cè)技術(shù)，應(yīng)用廣泛。本文對(duì)高光譜成像技術(shù)的原理及圖像數(shù)據(jù)的處理與分析做了簡(jiǎn)要的介紹。

高光譜成像技術(shù)的基本原理

高光譜成像系統(tǒng)主要由光源、CCD攝像機(jī)、成像光譜儀、鏡頭、圖像采集卡、計(jì)算機(jī)及控制裝置等組成，見(jiàn)下圖1。其最主要的工作部件是成像光譜儀，它是一種新型傳感器，于20 世紀(jì)80年代初發(fā)展起來(lái)。該光譜儀最重要的特點(diǎn)在于波段多且寬度窄，使得高光譜成像儀能探測(cè)到別的寬波段無(wú)法探測(cè)到的物體，光譜響應(yīng)范圍更廣，光譜分辨率更高，能夠更加精細(xì)地發(fā)現(xiàn)被探測(cè)物的微小特征，更重要的是它可以提供空間域和光譜域信息的結(jié)合，也就是“圖譜合一”，但同時(shí)也存在著數(shù)據(jù)量大、冗余信息多的特點(diǎn)。

高光譜成像系統(tǒng)的組成

根據(jù)高光譜圖像采集和形成方式的不同，其獲取方式可以分為點(diǎn)掃描、線掃描和面掃描3種方式。點(diǎn)掃描方式每次只能獲取1個(gè)像素點(diǎn)的光譜，為獲取高光譜圖像需頻繁地移動(dòng)光譜相機(jī)或檢測(cè)對(duì)象，不利于快速檢測(cè)，因此，點(diǎn)掃描方式常用于微觀對(duì)象的檢測(cè)。線掃描方式每次可以獲取掃描線上所有點(diǎn)的光譜，該方式特別適合于傳送帶上方物體的動(dòng)態(tài)檢測(cè)，是果蔬品質(zhì)檢測(cè)時(shí)最常用的圖像獲取方式。點(diǎn)掃描和線掃描方式都是在空間域進(jìn)行掃描，而面掃描是在光譜域進(jìn)行掃描的方式，面掃描方式每次可以獲取單個(gè)波長(zhǎng)下完整的空間圖像，通過(guò)面掃描獲取高光譜圖像時(shí)需要轉(zhuǎn)動(dòng)濾光片切換輪或調(diào)節(jié)可調(diào)濾波器。面掃描方式一般用于所需波長(zhǎng)圖像數(shù)目較少的多光譜成像系統(tǒng)中。

所謂的高光譜圖像就是數(shù)據(jù)立方塊，指在光譜維度上進(jìn)行了更加細(xì)致的分割，在光譜維度上有多個(gè)通道。通過(guò)高光譜設(shè)備獲取到的數(shù)據(jù)立方塊，不僅可以獲得圖像上每個(gè)點(diǎn)的光譜數(shù)據(jù)，而且可以獲得任一譜段的圖像信息。

由于高光譜數(shù)據(jù)信息量大，冗余度高，在實(shí)際應(yīng)用中選擇最有效的波長(zhǎng)來(lái)開(kāi)發(fā)多光譜成像系統(tǒng)很有必要。多光譜成像技術(shù)的原理，是利用物體對(duì)不同波長(zhǎng)光線的吸收存在差異，通過(guò)對(duì)目標(biāo)物體在一組紅外和近紅外范圍內(nèi)特定光線波長(zhǎng)中的光強(qiáng)度變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)，來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)、辨別等應(yīng)用需求。其最大的優(yōu)勢(shì)就是所捕獲的單色圖像的波長(zhǎng)是通過(guò)窄帶濾波器自由選擇的最有效波長(zhǎng)，以達(dá)到實(shí)時(shí)檢測(cè)的目的。

高光譜圖像數(shù)據(jù)的處理與分析

高光譜成像采集的三維數(shù)據(jù)塊能夠提供被檢樣品內(nèi)外部豐富的成分含量信息，但由于高光譜數(shù)據(jù)具有波段多、分辨率高、數(shù)據(jù)維度高、冗余性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此必須采取合適的的數(shù)學(xué)算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通常高光譜圖像處理的流程一般包括：高光譜圖像的獲取、圖像的校正，圖譜信息的提取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)降維和特征變量提取、模型建立、結(jié)果分析等幾個(gè)方面?？偨Y(jié)以上的幾個(gè)方面，可以將其分成三個(gè)方面：高光譜圖像校正、光譜數(shù)據(jù)降維以及檢測(cè)模型構(gòu)建。

1. 高光譜圖像校正和光譜預(yù)處理

在高光譜圖像采集過(guò)程中，由于圖像是未經(jīng)校正的原始圖像，在圖像的的采集過(guò)程中由于相機(jī)中的暗電流的存在會(huì)對(duì)采集系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，使得采集的高光譜圖像穩(wěn)定性較差，另一方面由于原始高光譜圖像數(shù)據(jù)是光子的強(qiáng)度信息，需要通過(guò)反射校正來(lái)獲取相對(duì)反射率。因此對(duì)高光譜進(jìn)行黑白版校正是數(shù)據(jù)分析前一個(gè)必要的過(guò)程。另外，由于在光譜信息采集的過(guò)程中存在光散射、檢測(cè)物圖像不規(guī)則以及隨機(jī)噪聲等不利因素，會(huì)使光譜曲線出現(xiàn)不平滑，信噪比較低等問(wèn)題，所以在進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析之前都會(huì)進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，常用的預(yù)處理方法有平滑、歸一化、求導(dǎo)、多元散射校正、傅里葉變換、小波分析等，通過(guò)預(yù)處理后的數(shù)據(jù)不僅提高了曲線的平滑性和信噪比，而且對(duì)后續(xù)所建模型的準(zhǔn)確性也有一定的提升。

2. 高光譜數(shù)據(jù)降維

由于高光譜采集的數(shù)據(jù)塊通常含有幾百甚至上千個(gè)波段的光譜信息，這就造成了過(guò)高維度的光譜信息和數(shù)據(jù)較大的冗余性，不僅使得計(jì)算過(guò)程繁瑣，而且還會(huì)降低無(wú)損檢測(cè)模型的準(zhǔn)確性，因此在建模前對(duì)高光譜數(shù)據(jù)塊進(jìn)行降維處理是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的重要一步。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前應(yīng)用較多的降維處理方法主要有以下幾種：主成分分析法、獨(dú)立成分分析法、遺傳算法以及最小噪聲分離法等[19-22]，通過(guò)相應(yīng)的降維算法處理后，大量的冗余信息被去除，并且特征波段和圖像被提取，這些對(duì)于簡(jiǎn)化計(jì)算過(guò)程和提高模型的準(zhǔn)確性發(fā)揮著重要的作用。

3. 檢測(cè)模型的構(gòu)建

通過(guò)對(duì)降維處理后的圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，可將圖譜信息和待測(cè)品質(zhì)關(guān)聯(lián)起來(lái)，目前常用的一些化學(xué)計(jì)量學(xué)建模方法有偏最小二乘法、支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元線性回歸法，線性判別分析，Fisher判別分析等算法，通常的做法是應(yīng)用多種建模方法，最后比較不同建模方法建模集和預(yù)測(cè)集結(jié)果來(lái)選出最優(yōu)模型，因此建模方法不是固定的，而是根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型選用不同的建模算法，不匹配的建模方法通常會(huì)對(duì)結(jié)果準(zhǔn)確性會(huì)產(chǎn)生較大的影響。而對(duì)于降維后的圖像維，通常采用相應(yīng)的數(shù)字圖像處理技術(shù)對(duì)圖像進(jìn)行分割處理，從處理后的圖像中提取特征參數(shù)建立模型，進(jìn)而對(duì)被測(cè)樣本表面缺陷或殘留物進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。