高光譜成像技術(shù)是一項(xiàng)令人振奮的新技術(shù)，非常有前景，尤其是結(jié)合現(xiàn)代機(jī)器學(xué)習(xí)軟件和執(zhí)行器（如：機(jī)器人或空氣噴氣機(jī)）使用時(shí)，高光譜成像技術(shù)有能力革新工業(yè)分類方法，使機(jī)器能夠執(zhí)行人類難以完成的復(fù)雜任務(wù)。
圖1：農(nóng)場(chǎng)的高光譜假彩色圖像（左），指定區(qū)域的反射光譜曲線（右）
什么是高光譜成像儀？
高光譜成像技術(shù)指的是測(cè)量二維圖像中每個(gè)像素的高分辨率光譜數(shù)據(jù)。標(biāo)準(zhǔn)相機(jī)在每個(gè)像素上提供三個(gè)光譜數(shù)據(jù)通道：紅、綠、藍(lán)（RGB），視覺(jué)者的大腦輸入了這三種顏色的混合顏色，并將它們解釋為一種獨(dú)特的顏色。在高光譜圖像中，材料的反射光譜是連續(xù)的波長(zhǎng)曲線，每個(gè)像素上有數(shù)百個(gè)光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)，它是光譜學(xué)的一種，標(biāo)準(zhǔn)光譜儀只提供一個(gè)“像素”的光譜測(cè)量-沒(méi)有成像信息。多光譜成像儀指的是每個(gè)像素提供幾個(gè)光譜數(shù)據(jù)通道的照相機(jī)，通道數(shù)通常在4-12之間。“高光譜”這個(gè)術(shù)語(yǔ)指的是：許多光譜數(shù)據(jù)點(diǎn)，它們產(chǎn)生一個(gè)近乎連續(xù)的光譜曲線，通常在每條曲線上有數(shù)百個(gè)光譜數(shù)據(jù)通道。然而，高光譜成像儀的設(shè)計(jì)和制造要比非成像光譜儀復(fù)雜得多，因?yàn)槎S圖像中每個(gè)像素點(diǎn)都需要有連續(xù)的光譜曲線，而且最小化光譜失真一直是一個(gè)非常困難的光學(xué)問(wèn)題。
圖1顯示了一個(gè)農(nóng)場(chǎng)的高光譜假彩色圖像以及指定區(qū)域像素的高光譜曲線；圖2顯示了相同的高光譜數(shù)據(jù)，但是光譜通道數(shù)降低至4個(gè)，4個(gè)光譜通道的數(shù)據(jù)類似于Landsat衛(wèi)星獲得的數(shù)據(jù)，可以直觀的看出圖1的數(shù)據(jù)比圖2包含了更多的光譜信息，從而能夠?qū)?chǎng)景中的對(duì)象進(jìn)行更加精準(zhǔn)、可靠的分類。
圖2：與圖1相同像素區(qū)域的多光譜數(shù)據(jù)，光譜波段與Landsat衛(wèi)星影像波段一致?
高光譜成像儀越來(lái)越受歡迎的主要原因：
1.????隨著科技發(fā)展，相機(jī)越來(lái)越普及，而且拍照速度越來(lái)越快；
2.????計(jì)算機(jī)可以提供足夠的計(jì)算能力來(lái)處理大量數(shù)據(jù)；
3.????結(jié)合現(xiàn)代的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，科學(xué)家可以利用高光譜數(shù)據(jù)準(zhǔn)確識(shí)別材料，甚至那些看起來(lái)非常相似的材料。
基于不同的材料具有不同的反射光譜這個(gè)事實(shí)，使得這項(xiàng)技術(shù)具有很強(qiáng)的實(shí)用性，在研究和工業(yè)應(yīng)用中發(fā)展迅速。
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高光譜成像技術(shù)的應(yīng)用：
農(nóng)業(yè)應(yīng)用
農(nóng)業(yè)方面，不同植物有不同的光譜，相同植物在不同條件下光譜也有差異。例如，高光譜數(shù)據(jù)可以用來(lái)提醒農(nóng)民作物脅迫或有害雜草的早期跡象，也可以確定成熟度。高光譜成像技術(shù)在精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面的應(yīng)用越來(lái)越多，相信在不久的將來(lái)，會(huì)有質(zhì)的飛躍。
確定光譜特征和植物生理特征參數(shù)的準(zhǔn)確關(guān)系是全球性研究的一部分，這使定點(diǎn)使用除草劑、農(nóng)藥和化肥成為可能。這種作物管理技術(shù)會(huì)讓農(nóng)民有針對(duì)性的定量使用化肥，節(jié)省成本，并獲取更大收益。因此，高光譜技術(shù)獲得了強(qiáng)有力的體制支撐，尤其是將食品供應(yīng)和環(huán)境保護(hù)作為核心問(wèn)題的亞洲。??
工業(yè)應(yīng)用
相比于野外農(nóng)田和森林，工廠的環(huán)境更好控制，因此，高光譜成像在工業(yè)分類中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。傳統(tǒng)的視覺(jué)系統(tǒng)很難對(duì)具有相似顏色或外觀的物體進(jìn)行分類，如：很難辨別具有相似顏色的果實(shí)、蔬菜或與組成其可見(jiàn)顏色無(wú)關(guān)的材料（如再生塑料）。當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)視覺(jué)系統(tǒng)分類失敗時(shí)，這些分類工作只能由人工來(lái)完成，價(jià)格高昂、速度慢、錯(cuò)誤率高。
應(yīng)用高光譜成像技術(shù)，不僅可以利用高光譜數(shù)據(jù)去分類相似顏色的材料，也可以獲取可見(jiàn)光范圍以外的信息，如紅外和紫外波段。實(shí)時(shí)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法可以秒級(jí)處理數(shù)據(jù)并且傳遞這些信息至機(jī)器人手臂或空氣噴氣機(jī)等執(zhí)行器上完成分類工作。?
軟件及算法
雖然相機(jī)的設(shè)計(jì)和制造在技術(shù)上具有挑戰(zhàn)性，但研發(fā)出可靠的用于工業(yè)分類的高光譜分析軟件是機(jī)遇，也是挑戰(zhàn)。由于深層機(jī)器學(xué)習(xí)知識(shí)伴隨在廣泛應(yīng)用的簡(jiǎn)單算法中，高光譜機(jī)器視覺(jué)軟件開(kāi)發(fā)是一項(xiàng)令人興奮的科技領(lǐng)域。
光譜圖像數(shù)據(jù)分析的傳統(tǒng)方法是使用植被指數(shù)或光譜指數(shù)的概念，俗稱波段組合，這些指數(shù)是每個(gè)像元的指標(biāo)，通過(guò)測(cè)量幾個(gè)指定波段的光譜強(qiáng)度，再由簡(jiǎn)單代數(shù)組合計(jì)算得出。例如，最常見(jiàn)的植被指數(shù)（NDVI）即歸一化差分植被指數(shù)，最早用于多光譜遙感影像中，給定每個(gè)像素的全反射光譜，可以在每個(gè)像素中提取NDVI指數(shù)。
NIR是指紅外波段（750nm左右）反射率，Red指紅光波段（650nm）反射率，NDVI的值在-1.0—1.0之間。NDVI的大小是衡量植物健康狀況的重要指標(biāo)。NDVI非常適用于早前的多光譜相機(jī)，如Landsat衛(wèi)星影像，每個(gè)像素點(diǎn)記錄4個(gè)光譜通道（紅綠藍(lán)及近紅外）。
NDVI可以粗略估計(jì)植物健康狀況，機(jī)載高光譜成像傳感器問(wèn)世后，涌現(xiàn)出許多更精確的新光譜指數(shù)，如測(cè)量植物葉綠素含量的指數(shù)，修改葉綠素吸收反射的指數(shù)(MCARI),
衡量植物花青素含量的指數(shù)，花青素反射指數(shù)ARI2：
圖3：與圖1相對(duì)應(yīng)的修改葉綠素吸收反射指數(shù)MCARI分布圖?
圖3顯示了與圖1相對(duì)應(yīng)的修改葉綠素吸收反射指數(shù)MCARI分布圖。途中高亮區(qū)域代表MCARI值高，意味著葉綠素活性高，黑暗區(qū)代表低值。?
這些指數(shù)最初是為農(nóng)業(yè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)而開(kāi)發(fā)的，現(xiàn)在已擴(kuò)展到醫(yī)學(xué)、水質(zhì)、生物和地質(zhì)等多個(gè)領(lǐng)域。在醫(yī)學(xué)中，研究者會(huì)利用與水和氧有關(guān)的指數(shù)來(lái)確定手術(shù)過(guò)程中人體肌肉組織的特性。
雖然指數(shù)是有用的工具，但是它們只包含了整個(gè)連續(xù)波長(zhǎng)曲線的小部分信息。高光譜數(shù)據(jù)攜帶的信息要遠(yuǎn)多于幾個(gè)波段的信息，并且可以根據(jù)要求誕生出不同的光譜指數(shù)。這意味著整個(gè)波段的統(tǒng)計(jì)方法會(huì)產(chǎn)生更可靠的分類效果，這也是先進(jìn)的視覺(jué)應(yīng)用程序所使用的方法。
機(jī)器視覺(jué)算法通過(guò)統(tǒng)計(jì)方法，利用整個(gè)光譜進(jìn)行更精準(zhǔn)的植物或材料的分類，如：支持向量機(jī)（SVM）和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)?(CNN)，在高光譜分類中取得了顯著的成績(jī)。特別是結(jié)合了空間識(shí)別算法后，高光譜機(jī)器視覺(jué)可以作為計(jì)算機(jī)敏銳的眼睛，廣泛應(yīng)用于食品、材料、顏料、圖案、涂層、缺陷和污染物等識(shí)別工作。
前途一片光明
盡管高光譜成像技術(shù)仍處于起步階段，但是相對(duì)于傳統(tǒng)成像系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，可以提供更豐富的數(shù)據(jù)，這是它的明顯優(yōu)勢(shì)。更值得一提的是，該技術(shù)的數(shù)據(jù)采集、處理速度和計(jì)算復(fù)雜度，已經(jīng)被許多實(shí)際應(yīng)用所克服。隨著高光譜成像技術(shù)的不斷改進(jìn)，用戶將逐漸認(rèn)識(shí)到高光譜成像技術(shù)的能力，該技術(shù)將在更大尺度上幫助用戶解決之前難以攻克的問(wèn)題，高光譜成像技術(shù)將會(huì)大放異彩。