光谱成像的优势和局限性有哪些

高光谱相机和多光谱相机之间的主要区别在于它们记录的波段数量和波段的宽度（即光谱分辨率）。

按照标准定义，高光谱相机会记录超过100 个波段，而多光谱相机记录的波段则要少一些。但是这个定义没有考虑光谱范围的宽度或采样率。这意味着，如果相机覆盖 400–600 nm 的光谱范围并会记录50个波段，那么它不是高光谱相机，而如果它覆盖400–800nm 且采样率相同（意味着这次会记录 100 个波段），那么它就是高光谱相机。本文更倾向于谈论光谱分辨率（FWHM，半峰全宽*），强调相机区分两个连续光谱谱峰的能力。

高光谱数据与多光谱数据对比

高光谱成像涉及捕获和分析来自电磁波谱中大量狭窄、连续波段的数据，从而为图像中的每个像素生成高分辨率光谱。因此，高光谱相机可以提供平滑的光谱。多光谱相机提供的光谱呈现出阶梯状或锯齿状，无法精确地描绘光谱特征。

光谱成像提供的数据比多光谱成像更详细，因此可以更具体地分析并更准确地识别各种材料和物质。由于光谱分辨率有限，多光谱成像可能无法区分密切相关的材料。

对于市场上的大多数多光谱相机，光谱范围限制在 400 – 1000 nm 范围内，典型的波段数量在 4 – 5 个之间。这些限制对于许多应用来说都具有重要影响。

为了说明高光谱相机相较于多光谱相机的优势，我们研究了从杏仁中分选出杏仁壳的过程。这是一个典型的应用，需要高度准确地识别外观非常相似的不同材料。

高光谱与多光谱相比在光谱范围方面的优势

反射、吸收和发射特征形成的光谱与待测材料的分子组成密切相关。表1非常有名，大部分物质分子键都有共振频率带来的光谱指纹（光谱共振频率）。

表1 分子光谱共振频率

如表中所示，许多应用都需要700– 2500nm的光谱范围。特别是对于那些与食品质量评估和塑料分选相关的应用，1100 –1700nm的光谱范围是必不可少的。限制在400–1000nm范围内的多光谱相机不适用于这些应用。

关于高光谱成像与RGB相机对比的文章表明了，RGB 相机在分选坚果和开心果时表现不佳。Specim FX10的表现较好，而Specim FX17 的分选精度最高。

高光谱与多光谱相比在波段数量方面的优势

考虑到前一点，使用Specim FX17相机数据对杏仁和杏仁壳进行比较，在第一个数据集中涵盖了900–1700nm 的光谱范围并记录了224 个波段。在第二个数据集中，仅使用了28个合并波段（即合并连续的光谱波段）来模拟多光谱相机。

如图1和图2所示，相较于仅用28个波段描绘的光谱，与224个波段数据集相关的光谱要平滑得多。在高光谱数据中，还可以捕捉到微小但至关重要的光谱差异，以便能够将杏仁与杏仁壳分开。

换句话说，由于捕获的波段数量限制为28，因此区分杏仁和杏仁壳所需的光谱信息丢失了。

图1 224 个波段和 28 个波段描绘的杏仁壳和杏仁光谱

图2 在224个和28个波段条件下使用Specim FX17捕获的杏仁光谱。紫色圆圈突出显示了由于杏仁中存在油脂而杏仁壳中不存在油脂而导致的光谱差异

此外，一些预处理方法也不适用于多光谱数据。例如，Savitzky-Golay等导数或平滑算法需要连续光谱才能表现良好，而多光谱传感器无法提供连续光谱。

如上所述，通过构建两个模型来说明与能否准确地描绘光谱特征相关的这些要点，覆盖224个波段的高光谱模型要比仅覆盖28个波段的多光谱模型更准确。在高光谱数据中，边缘效应消失了，甚至可以对最小的杏仁壳碎片进行正确分类。

图3 杏仁和杏仁壳的RGB、多光谱（28个波段）和高光谱（224 个波段）图像（绿色是杏仁，蓝色是杏仁壳）

本研究选择了28个光谱波段来模拟多光谱相机。不过，典型多光谱相机涵盖的光谱波段明显更少，这进一步降低了它们描绘精细光谱特征的能力。

高光谱与多光谱相机如何选择

高光谱成像技术和多光谱成像技术都在各种研究、工业和遥感应用中广泛用于捕获和分析电磁波谱。这两种技术彼此互补，具体如何选择取决于应用要求和现有数据的级别。

如果应用需要涵盖的光谱波段较多，所需的光谱分辨率也较高，超出了多光谱成像技术的能力范围，那么解决方案自然就是高光谱相机。

如果应用不需要涵盖整个光谱范围，则涵盖特定波段的定制多光谱相机可以与高光谱相机一样表现出色。但是，这需要用户知道检查或分析时必须涵盖的选定光谱波段数量。如果用户不知道应用的光谱要求或它们非常复杂，则最好使用高光谱相机来收集分析数据。

高光谱相机还提供了更大的灵活性，让用户可以在之后对机器进行升级，以便分选新的杂物或材料。使用 Specim FX 相机时，用户可以自由选择相关波段。实际上，Specim FX 高光谱相机可以转换为多光谱相机，而多光谱相机永远无法变成高光谱相机。

最后，在高光谱相机和多光谱相机之间进行选择时，还要考虑的一个方面是价格。通常，与多光谱相机相比，高光谱相机价格更高，所需的处理能力也更多。不过，情况也并非总是如此，尤其是当需要为多光谱相机定制较多数量的波段时。