hình ảnh siêu phổ (HSI) là gì

Phía trước

Chụp ảnh siêu phổ (HSI) là một kỹ thuật phân tích dựa trên quang phổ thu thập hàng nghìn hình ảnh của cùng một vùng không gian ở các bước sóng khác nhau. Trong khi mắt người chỉ có ba thụ thể màu, xanh lam, xanh lục và đỏ, HSI đo quang phổ liên tục của từng điểm ảnh trong một cảnh với độ phân giải bước sóng tốt không chỉ trong phạm vi khả kiến mà còn trong phạm vi cận hồng ngoại (NIR). Ánh sáng chiếu vào từng điểm ảnh được chia thành nhiều dải quang phổ khác nhau để cung cấp thêm thông tin về những gì đang được chụp. Dữ liệu thu thập được tạo thành một khối siêu phổ 3D, trong đó hai chiều biểu diễn phạm vi không gian của cảnh và chiều thứ ba biểu diễn nội dung quang phổ của cảnh.

HSI thường được gọi là hình ảnh siêu phổ, cũng bao gồm hình ảnh đa phổ (MSI). Sự khác biệt chính giữa hai hệ thống hình ảnh này là HSI sử dụng một dải bước sóng liên tục (ví dụ: 400 đến 1000 nm theo các bước 5 nm), trong khi MSI sử dụng một tập hợp con các bước sóng mục tiêu tại các vị trí đã chọn (ví dụ: 400 đến 1000 nm theo các bước 100 nm). Cảm biến MSI thường có từ 3 đến 10 bước sóng khác nhau được đo trong mỗi pixel, trong khi hình ảnh HSI Cảm biến MSI thường đo 3 đến 10 dải khác nhau trong mỗi pixel, trong khi hình ảnh HSI có thể chứa hàng trăm dải quang phổ hẹp hơn nhưng liên tục. Do đó, cảm biến HSI chứa nhiều dữ liệu hơn cảm biến MSI. Ví dụ: MSI có thể được sử dụng để lập bản đồ các khu vực của một khu rừng, trong khi hình ảnh siêu phổ có thể được sử dụng để lập bản đồ các loài cây trong một khu rừng.

Mặc dù MSI có thể được coi là một tập hợp con đơn giản hóa của HSI, nhưng hai công nghệ này bổ sung cho nhau và việc lựa chọn giữa chúng phụ thuộc vào yêu cầu ứng dụng. Ví dụ, trong kênh nhìn thấy được, MSI có thể được sử dụng để nhận dạng đường viền của trái cây và tìm các vết bầm khó nhìn thấy trên trái cây như quả việt quất. Nhưng nếu mục đích là phân tích hàm lượng chất béo của quả bơ một cách chi tiết, thì điều này chỉ có thể thực hiện được bằng công nghệ HSI.

Các thuật toán và phương pháp xử lý hình ảnh đằng sau MSI và HSI có từ những năm 1970, khi Landsat 1 là vệ tinh đầu tiên trong chương trình Landsat của Hoa Kỳ và là vệ tinh đầu tiên mang theo máy quét đa phổ. Máy quang phổ hình ảnh trên không (AIS) của NASA và AVIRIS theo sau vào giữa những năm 1980, khi thuật ngữ "hình ảnh siêu phổ" được Jerry Solomon tại Caltech đặt ra.

Vào thời điểm đó, bộ vi xử lý chưa tồn tại và việc xử lý hình ảnh phải được thực hiện trong các trung tâm máy tính lớn, tập trung. Kể từ đó, và đặc biệt là trong năm năm qua, công nghệ HSI đã mở rộng từ quan sát Trái đất sang nhiều lĩnh vực như nông nghiệp, phân loại công nghiệp, nghiên cứu y tế, kiểm soát chất lượng thực phẩm và môi trường, nhờ vào những tiến bộ trong vi xử lý và cảm biến dựa trên chip. Giám sát.

Ứng dụng siêu quang phổ

Mỗi vật liệu có đặc điểm quang phổ cụ thể có thể được sử dụng như một "dấu vân tay" để nhận dạng duy nhất. Do đó, HSI được sử dụng trong nhiều ứng dụng do khả năng xác định thành phần của các chất không xâm lấn, không cần nhãn và không phá hủy. Chúng bao gồm:

Y tế: dành cho phẫu thuật thực tế tăng cường và chẩn đoán y khoa

Tầm nhìn máy: để phân loại hầu như mọi vật liệu - từ thực phẩm và khoáng chất đến hàng dệt may và nhựa

Cảm biến từ xa: để phân loại đất nông nghiệp, khoáng chất, nhựa, ô nhiễm và giám sát

Nông nghiệp: phát hiện các triệu chứng sớm của bệnh tật, căng thẳng về nước và chất lượng đất để kiểm soát tối ưu các quá trình tăng trưởng

Phân tích nghệ thuật và di sản: để kể câu chuyện về cách thức, thời điểm và địa điểm các hiện vật ban đầu được tạo ra hoặc sau đó được thay đổi

Kiểm soát chất lượng thực phẩm: xác định và định lượng thành phần hóa học của các sản phẩm thực phẩm, cung cấp thông tin về dinh dưỡng, tỷ lệ chất béo, hàm lượng

đường và độ tươi

Phân loại rác thải: Phân loại và tách riêng các vật liệu nguy hiểm như nhựa, hàng dệt may, kim loại, thủy tinh, giấy, bìa cứng và amiăng

Dược phẩm: để đảm bảo chất lượng thành phần hóa học của dược phẩm

Khai thác và dầu khí: phân tích khoáng sản nhanh chóng, đáng tin cậy đối với lõi và các mẫu địa chất khác

Pháp y: thu thập bằng chứng từ hiện trường vụ án, chẳng hạn như máu và cặn thuốc súng

Thương mại hóa siêu quang phổ

Theo báo cáo thị trường gần đây, thị trường hình ảnh siêu phổ toàn cầu dự kiến sẽ tăng trưởng với tốc độ tăng trưởng kép hàng năm (CAGR) là 8,2% từ năm 2020 đến năm 2027, đạt 3,52 tỷ đô la vào năm 2027. Châu Á - Thái Bình Dương và Châu Âu dự kiến sẽ là những khu vực tăng trưởng nhanh nhất với CAGR lần lượt là 9,3% và 8,5%.

Các động lực chính là nhu cầu ngày càng tăng đối với phân tích vật liệu chính xác và đáng tin cậy, sự phát triển của các công nghệ mới (ví dụ: trí tuệ nhân tạo kết hợp với sự phát triển của các hệ thống hình ảnh chi phí thấp) và nhu cầu ngày càng tăng đối với các ứng dụng cảm biến từ xa. Các ứng dụng chính sẽ dành cho chẩn đoán y tế, thị giác máy công nghiệp, giám sát môi trường và giám sát quân sự.

Các loại siêu quang phổ

Máy ảnh siêu quang phổ có thể thu thập thông tin để tạo thành khối dữ liệu 3D theo năm cách chính

Whiskbroom (quét điểm) chụp từng pixel một. Một hình ảnh được tạo thành khi máy ảnh quét mẫu và chứa tất cả thông tin quang phổ của nó. Mặc dù quá trình thu

thập hình ảnh tốn nhiều thời gian, nhưng phương pháp này tạo ra độ phân giải quang phổ rất cao.

Quét đẩy (quét đường) đo quang phổ liên tục, từng dòng pixel một, hiện là con đường chính thống và trưởng thành nhất về mặt công nghệ để tiến tới công nghệ siêu

quang phổ. Nó được sử dụng rộng rãi trong kiểm soát chất lượng công nghiệp và nghiên cứu khoa học, cảm biến từ xa, v.v. Công nghệ này ổn định và toàn diện, và

các sản phẩm rất trưởng thành.

Phổ biến đổi Fourier (FT) là một phương pháp khác để đo quang phổ liên tục. Phương pháp này kết hợp cảm biến hình ảnh đơn sắc với máy đo giao thoa và có thông

lượng sáng cao hơn các hệ thống quét đẩy, nhưng chỉ phù hợp để chụp ảnh các cảnh tĩnh.

Quét quang phổ thu thập tất cả thông tin không gian cho một bước sóng nhất định, từng bước sóng một. Mặc dù mỗi hình ảnh đều nhanh, nhưng quét quang phổ

chậm tạo ra các khối do thời gian cần thiết để thay đổi bước sóng.

Máy ảnh siêu quang phổ nhanh chụp video siêu quang phổ. Chúng thường cung cấp độ phân giải quang phổ và không gian hạn chế và giống một máy ảnh đa quang

phổ hơn, nhưng chúng nhanh và lý tưởng để chụp ảnh các vật thể chuyển động.

Tất nhiên, công nghệ đang thay đổi nhanh chóng và có nhiều kỹ thuật mới nổi lên, chẳng hạn như mạng 2D, hình ảnh tính toán quang phổ, tất cả đều được xử lý bằng

nhiều thuật toán hậu xử lý và tất cả đều thiếu sót hoặc hạn chế theo cách này hay cách khác trong các lĩnh vực ứng dụng hiện tại của chúng.

Giới thiệu về Nhà sản xuất Hyperspectral

1. CHNSpec
   

2. Mẫu vật

3. Tường đầu

4. sự cộng hưởng

Nhìn về phía trước

Mặc dù HSI tạo ra độ phân giải cao hơn nhiều so với các hệ thống MSI, nhưng nó có nhược điểm là chi phí và tính phức tạp. Các khối siêu phổ là các tập dữ liệu đa chiều,

lớn và việc phân tích dữ liệu siêu phổ đòi hỏi phải xử lý nhanh, các máy dò nhạy và dung lượng lưu trữ dữ liệu lớn. Các yếu tố này làm tăng đáng kể chi phí và tính phức

tạp của việc thu thập và xử lý dữ liệu siêu phổ. Ví dụ, trong các ứng dụng không gian, một vấn đề lớn là làm thế nào để lập trình các vệ tinh siêu phổ để tự phân loại dữ

liệu và chỉ truyền các hình ảnh quan trọng, vì việc truyền và lưu trữ lượng lớn dữ liệu có thể khó khăn và tốn kém.

Tương tự như vậy, đối với các ứng dụng công nghiệp, quyết định sử dụng lưu trữ hình ảnh cục bộ hay từ xa và đầu ra dữ liệu có thể ảnh hưởng đến tốc độ của ứng dụng,

vốn phải theo kịp sản xuất. Các vấn đề khác bao gồm xác định đúng bước sóng, chọn đúng camera có độ phân giải quang phổ và không gian phù hợp và chọn chiếu

sáng có cường độ đủ ở các bước sóng quan trọng. Và vì HSI thường yêu cầu trình độ hiểu biết vật lý cao nên phần mềm cần phải trực quan nhất có thể và hỗ trợ tạo

phân loại vật liệu dễ dàng.

Để giải quyết những vấn đề này, quá trình phát triển công nghệ HSI cho đến nay đã chia sẻ một mục tiêu chung: giảm độ phức tạp và giúp các ứng dụng công nghiệp

HSI trở nên dễ dàng hơn, nhanh hơn và rẻ hơn bao giờ hết.

Trong vài năm tới, khi công nghệ HSI trở nên ít phức tạp hơn và rẻ hơn, công nghệ này chắc chắn sẽ chuyển sang các ứng dụng hình ảnh chính thống vì đây là công

nghệ duy nhất có độ phân giải quang phổ và không gian đủ để đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng về phân tích vật liệu chính xác và đáng tin cậy. Nhiều ngành công

nghiệp. Tiếp theo là mở rộng các ứng dụng HSI sang các ngành công nghiệp mới như nông nghiệp, giám sát môi trường và y sinh học. Công nghệ HSI dự kiến sẽ đóng

vai trò quan trọng trong các thị trường này vì nhu cầu phân tích vật liệu chính xác hơn tiếp tục tăng. Ngoài ra, sự phát triển của cảm biến từ xa và máy bay không

người lái dự kiến sẽ thúc đẩy nhu cầu về công nghệ HSI trong các ứng dụng giám sát và lập bản đồ môi trường. Khi công nghệ HSI tiếp tục phát triển, nó có tiềm năng

cách mạng hóa cách chúng ta hiểu và phân tích vật liệu, cung cấp những hiểu biết và cơ hội mới cho nhiều ngành công nghiệp.

Công nghệ siêu quang phổ là một công cụ có tiềm năng tác động tích cực đáng kể đến cuộc sống sản xuất của chúng ta. Cho dù được sử dụng để thúc đẩy phát triển

bền vững, cải thiện sức khỏe cộng đồng hay tăng cường an toàn và an ninh, công nghệ tiên tiến này đang giúp chúng ta nhìn thế giới theo những cách mới thú vị và

truyền cảm hứng để chúng ta giải quyết một số thách thức mà nhân loại đang phải đối mặt.