簡述高光譜成像和多光譜成像的區別

2023-09-19

光譜分析作為自然科學分析的重要手段，光譜技術常常用來檢測物體的物理結構、化學成分等指標。最新的光譜技術將光譜分辨能力和圖形分辨能力相結合，造就了空間維度上的面光譜分析，也就是現在的多光譜成像和高光譜成像技術。本文簡單論述了高光譜成像和多光譜成像的區別。

多光譜技術（Multispectral）

多光譜技術是指能同時獲取多個光學頻譜波段（通常大于等于3個），并在可見光的基礎上向紅外光和紫外光兩個方向擴展的光譜探測技術。常見實現方法是通過各種濾光片或分光器與多種感光膠片的組合，使其在同一時刻分別接收同一目標在不同窄光譜波段范圍內輻射或反射的光信號，得到目標在幾張不同光譜帶的照片。身邊最常見的多光譜照片是彩色相機拍攝的照片，如下圖，從頻譜上看，其包含了紅色（1），綠色（2）和藍色（3）三個光學頻譜波段的信息。如果在相機或者探測器上，增加更多的頻帶如頻帶（4）和（5），就可以獲得一個含多個頻帶的多光譜照片了。

多光譜技術結合成像硬件，即可圖像形式呈現多光譜信息。

當然也可以僅使用探測器進行單個空間點位的光譜信息獲取。海洋光學旗下品牌Pixelteq以獨特的芯片濾光技術，可以實現在9*9cm的芯片上獲取8個通道的光譜信息，特別適用于空間和成本要求極高的應用場合。

高光譜技術（Hypespectral）

這是一種可以捕獲和分析一片空間區域內逐點上光譜的精細技術，由于可以檢測到單個對象不同空間位置上的獨特光譜“特征”因此可以檢測到在視覺上無法區分的物質。

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百或數千個波段。 

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

而使用高光譜設備時，從成像特性角度看，可以了解到樣品各個位置的光譜信息，從光譜特性角度看，可以了解在特定光譜帶內的信號位置分布，也就是說，高光譜設備可以獲取更加豐富的細節信息。

高光譜和多光譜的區別

很多時候材料的反射率特征光譜相對于波長的變化可能非常復雜，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法分辨。

上圖中使用多光譜成像（左）識別無法分辨的物質，通過使用高光譜成像（右）被分辨出來。其原因是由于高光譜具有更多的光譜頻帶，因此可以通過更高的光譜分辨率準確地獲得更復雜的指紋特征。我們以相機產品為例，概括了高光譜和多光譜的區別，具體如下： 

1. 波段不同

多光譜相機通常有幾個或幾十個波段；高光譜相機可能有數百或數千個波段。這是兩種相機最根本的區別。 

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，能夠捕獲的數量也相對較少；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，可以檢測物體的光譜特效，可提供更多無形的數據。

3. 信息量不同

高光譜可測光譜范圍比較廣，覆蓋紅外線、紫外線區域的部分包含可以呈現每個波段的數百個點，可以觀察更多的細節，而多光譜則沒辦法實現。在所測得的信息中，高光譜相機可以測得連續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據。 

4. 應用范圍不同

多光譜相機復雜性較低，更容易理解和應用，而高光譜相機比較復雜，可以處理更復雜的信息，應用范圍和前景都更好一些，如：高光譜相機已被用于繪制入侵物種的地圖和幫助礦產勘探。

5. 成本和價格不同

多光譜相機成本比較低，價格也相對比較低。高光譜相機使用器件比較復雜，技術成本比較高，所以購買和維護成本會更高一些。