Что такое гиперспектральная камера и как она работает?

Задумывались ли вы когда-нибудь о том, можно ли «увидеть насквозь» химический состав объекта, просто сделавего снимок?

В отличие от традиционных цветных камер, фиксирующихлишь красный, зеленый и синий цвета(RGB), гиперспектральные камеры выходят за рамки возможностей человеческогозрения. Они способны разделять световые волны на десяткии даже тысячи непрерывных узких диапазонов, что позволяетне только точно фиксировать внешний вид объектов, но и распознаватьуникальный «спектральный отпечаток» материалов. Это дает возможность определять химический состав и внутреннююструктуру объекта, не повреждая его.

Благодаря стремительному развитию технологий спектральной визуализациигиперспектральные камеры вышли за пределы лабораторий и нашли широкое практическоеприменение. В этой статье мы подробно рассмотрим принципыработы и режимы съемки гиперспектральных камер, а такжепредставим решение для гиперспектральной визуализации FigSpec,продемонстрировавшее выдающиеся результаты в сфере промышленного контролякачества и научных исследований.

I. Что такое гиперспектральная камера?

Проще говоря, гиперспектральная камера— это высокотехнологичное оптическое устройство, объединяющееинформацию об изображении (пространственные координаты X, Y) со спектральной информацией (спектральнаякоордината λ).

RGB-камера: фиксируетлишь три широких диапазона (красный, зеленый, синий). Она может лишь сообщить: «Это яблоко, и оно красное».

Мультиспектральная камера: фиксируетот 3 до 20 отдельных дискретныхдиапазонов. Она может сообщить: «Наповерхности этого яблока, возможно, естьдефекты».

Гиперспектральная камера: фиксирует отдесятков до тысяч непрерывных узких диапазонов в рамках сплошного спектральногоинтервала (например, 400–1000 нм или 900–1700нм). Она способна не только выявлять дефекты, но и точно определять такие параметры, каксодержание сахара, распределение влаги и скрытые внутренниезаболевания на ранней стадии.

Итоговые данные, полученные с помощьюгиперспектральной камеры, представляют собой так называемыйгиперспектральный куб данных. Каждому пикселю в этом кубесоответствует полная и уникальная кривая спектрального отражения или поглощения.

II. Как работает гиперспектральная камера?

Принцип работы гиперспектральной камеры включает три основныхэтапа: сбор и разложение света, детектированиесенсором и формирование куба данных.

1. Разложение света

При падении естественного или искусственного света на объектпоследний отражает или поглощает излучение определенных длин волн в зависимостиот своей молекулярной структуры. Гиперспектральная камераулавливает отраженный свет с помощью объектива и использует дисперсионные элементы (например, пропускающие или отражательныедифракционные решетки либо призмы) для точного разделениясуммарного светового потока по длинам волн (подобно разложениюсвета в спектр, напоминающий радугу).

2. Детектирование оптическим сенсором

Разложенный свет попадает на высокочувствительный сенсор изображения:

- Видимый и ближний инфракрасный диапазон (VNIR, 400–1000 нм):обычно используются CMOS-детекторы с высокой частотойкадров.

- Коротковолновый инфракрасный диапазон (SWIR, 900–1700 нм):используются специализированные чипы на основе арсенида индия-галлия (InGaAs), позволяющие выявлятьболее глубокие химические характеристики.

3. Формирование трехмерного куба данных

В зависимости от метода съемки гиперспектральная камера объединяетпространственные координаты (X, Y) с данными о длине волны (λ), создавая трехмерный куб данных, содержащий чрезвычайно богатую информацию.

III. Три основных режима сбора данныхгиперспектральными камерами

В зависимости от аппаратной конфигурации и сценариев применениягиперспектральные камеры классифицируются по следующим режимам сбора данных:

IV. Основные области применения гиперспектральныхтехнологий

Поскольку гиперспектральная съемка идеально сочетает в себе информациюо структуре изображения и химическом составе, она произвелареволюционные изменения во многих отраслях:

Точное земледелие и мониторинг лесного хозяйства: выявление болезней сельскохозяйственных культур, вредителей, дефицита азота и водногостресса за несколько дней до того, как они станут заметныневооруженным глазом.

Промышленная сортировка и контроль качества:быстрая сортировка различных видов пластика на линиях переработки, обнаружение поверхностных дефектов дисплеев, а также обеспечение стабильности цвета текстильных изделий ипечатной продукции.

Безопасность пищевых продуктов и фармацевтический контроль: неразрушающее измерение влажности и содержания сахара во фруктах, обнаружение посторонних включений в продуктах питания и точныйанализ распределения компонентов в таблетках.

Мониторинг окружающей среды и качества воды:оценка параметров качества воды в реках и озерах, отслеживаниецветения водорослей и контроль состояния лесных экосистем.

V. Обзор передового оборудования: высокоточные спектральные решения отCHNSpec / FigSpec

Ознакомившись с принципами работы и сферами применения гиперспектральныхкамер, покупатели часто сталкиваются с дилеммой: высококлассное оборудование стоит дорого, ау дешевых моделей заявленные характеристики часто завышены. Компания CHNSpec (FigSpec) — профессиональный бренд с многолетним опытомработы в сфере спектральной визуализации — стала популярным выбором среди научно-исследовательских институтов и промышленных предприятий благодаряпревосходному спектральному разрешению, сверхвысокой скоростисъемки и исключительно выгодному соотношению цены и качества.

1. Гиперспектральные камеры линейногосканирования и портативные модели (серии FS-1X и FigSpec-IQ):

Разработаны специально для задач промышленного потокового контроляи полевых исследований; подходят как для стационарных производственныхлиний, так и для мобильных выездных работ. Широко применяются для измерения цвета и текстуры в промышленности, сортировки плодоовощной продукции и потоковой сортировки фармацевтическихизделий:

- Широкий спектральный диапазон: охватывает различные участки спектра, включаявидимый свет (400–700 нм), диапазон от видимого до ближнего ИК-излучения (400–1000 нм) икоротковолновый ИК-диапазон (900–1700 нм).

-Высокая частота кадров и отличное разрешение: спектральное разрешение достигает 2,5 нм, а при использовании режима выделенной области интереса (ROI) частота сбора данных по всему диапазону может достигать 3300 Гц, что позволяет легко справлятьсяс задачами контроля в реальном времени на высокоскоростных промышленных линиях.

-Высокая экономическая эффективность: по сравнению с традиционным оборудованием аналогичной конфигурации, стоимость которого исчисляется сотнями тысяч юаней, данные камеры значительно снижают затраты на приобретение имодернизацию оборудования.

2. Портативные камеры мгновенной съемки (серия FigSpec FS2X):

Для сценариев, требующих проведения исследованийза пределами лаборатории — например, в теплицах или производственныхцехах, — серия FigSpec FS2X предлагаетвысокоинтегрированное комплексное решение:

- Работа без направляющих: встроенный механизм сканирования и вспомогательная камера-видоискатель исключают необходимость в громоздких внешних механическихрельсах; достаточно установить прибор на штатив и быстрополучить спектральные данные одним нажатием кнопки.

-Исключительная четкость: сверхвысокое пространственное разрешение (до 4096 × 4096 пикселей) обеспечивает точность при определении физико-химических свойств почвы, раннем выявлениивредителей и болезней сельскохозяйственных культур и решении других задач.

3. Интегрированная гиперспектральнаясистема для установки на БПЛА (серииFS60-C и FS60-UCR):

При решении задач дистанционного зондирования на обширных территориях— таких как мониторинг лесных ресурсов и контроль состояния окружающей среды — система CHNSpec FS60-UCR обеспечивает глубокую интеграцию гиперспектральнойкамеры, многолучевого лидара и высокоточной навигационнойсистемы (POS). Совместимая с популярными моделями беспилотныхлетательных аппаратов (БПЛА), этасистема позволяет за один вылет одновременно получать высокодетализированные 3D-облака точек и спектральные данные, обеспечиваяэффективное картографирование рельефа больших площадей, детальнуюинвентаризацию лесов и мониторинг развития сельскохозяйственных культур.

VI. Заключение

Гиперспектральные камеры меняют подходы к наблюдению за физическиммиром и его изучению. Используя технологии точного спектральногоразделения для фиксации уникальных характеристик спектрального отражения материалов, они преобразуют оптические сигналы в количественные данные, пригодные для анализа, что позволяетопределять физико-химические свойства образцов без их разрушения. В настоящее время эта технология находит широкое применениев самых разных сферах — от контроля качества плодоовощной продукции и анализа химическогосостава до крупномасштабного дистанционного зондирования земной поверхности, — постоянно расширяя границы возможностей оптического неразрушающегоконтроля.

Благодаря постоянным достижениям в области интеграции сенсорови оптимизации алгоритмов, которых добиваются такие компании, как CHNSpec Technology, системы гиперспектральнойсъемки становятся все более компактными, эффективными ираспространенными.