光譜學(xué)為了解光與物質(zhì)之間的相互作用提供了寶貴的見(jiàn)解，并被用于廣泛的應(yīng)用中。傳統(tǒng)上，光譜儀用于對(duì)比色皿中的小樣本進(jìn)行離散測(cè)量，或者可能在固定位置監(jiān)測(cè)化學(xué)過(guò)程的進(jìn)展。然而，隨著新的相機(jī)技術(shù)和先進(jìn)的圖像處理算法的出現(xiàn)，大量新的光譜成像技術(shù)開(kāi)辟了新的應(yīng)用領(lǐng)域，并在某些情況下取代了傳統(tǒng)的單點(diǎn)監(jiān)測(cè)光譜儀。

單點(diǎn)光譜

研究皮膚、肌肉和其他組織中微血管血流和氧合的測(cè)量。這些測(cè)量是從皮膚或其他組織表面的單個(gè)離散位置進(jìn)行的。監(jiān)測(cè)這些局部點(diǎn)的變化提供了有關(guān)醫(yī)療或藥物干預(yù)期間血流動(dòng)力學(xué)的有用信息。然而，組織灌注存在很大的異質(zhì)性，因此灌注成像技術(shù)的發(fā)展使我們能夠更好地了解微血管流量和氧合作用的分布。這與光譜學(xué)的情況類似。在很多情況下，單點(diǎn)光譜儀測(cè)量提供有價(jià)值的數(shù)據(jù)。然而，新的光譜成像技術(shù)正在增進(jìn)我們的理解并帶來(lái)新的見(jiàn)解。最初開(kāi)發(fā)用于提供衛(wèi)星和飛機(jī)光譜圖像的高光譜成像儀現(xiàn)在也越來(lái)越多地用于醫(yī)學(xué)研究、機(jī)器視覺(jué)、食品科學(xué)、材料分析以及農(nóng)業(yè)和礦物學(xué)遙感。

遙感中的光譜成像

光譜學(xué)在植物科學(xué)和農(nóng)業(yè)中廣泛用于植物健康的一般評(píng)估或植物病害的檢測(cè)和鑒定。許多研究人員在野外使用便攜式光譜儀在原位對(duì)單個(gè)植物葉片進(jìn)行采樣。通常，光合作用活躍的植物吸收紅光并反射綠光和近紅外光。測(cè)量 350 至 2500nm 寬光譜范圍的便攜式光譜儀可以計(jì)算各種光譜衍生的植物指數(shù)，這些指數(shù)指示植物健康或葉綠素或氮含量等指標(biāo)。然而，小樣本葉子的測(cè)量值不一定代表整個(gè)田地。

一張標(biāo)準(zhǔn)彩色 (RGB) 航拍照片可以提供整個(gè)田地的圖像，其中包括在其他方面健康的植物田地中的變色葉子區(qū)域，但是基于簡(jiǎn)單的 RGB 彩色照片的解釋非常有限。使用安裝在 UAV(無(wú)人飛機(jī))上的相機(jī)進(jìn)行高光譜成像是一種更強(qiáng)大的技術(shù)。它將看到圖像的好處與光譜學(xué)提供的豐富數(shù)據(jù)信息相結(jié)合，因?yàn)樗趫D像中的每個(gè)點(diǎn)(像素)獲取整個(gè)光譜。多光譜成像也提供圖像，但每個(gè)像素僅包含來(lái)自少數(shù)光譜帶的數(shù)據(jù)。使用高光譜或多光譜成像之間的選擇取決于手頭的工作?；谥参锷L(zhǎng)指數(shù)的與一般植物健康相關(guān)的圖像通?？梢曰趲讉€(gè)光譜帶生成，因此可以通過(guò)多光譜成像來(lái)解決。然而，依賴于光譜特征更細(xì)微差異的應(yīng)用需要更精細(xì)解析的高光譜數(shù)據(jù)。因此，為了識(shí)別樹(shù)種或區(qū)分患病和健康作物之間更細(xì)微的差異，高光譜成像是更合適的技術(shù)。

在遙感應(yīng)用中使用光譜成像比單點(diǎn)光譜技術(shù)有明顯的優(yōu)勢(shì)。然而，這些技術(shù)是高度互補(bǔ)的。機(jī)載攝像機(jī)提供的信息可以通過(guò)地面上的單點(diǎn)測(cè)量(所謂的“地面實(shí)況”)進(jìn)行有效驗(yàn)證。此外，這兩組數(shù)據(jù)將越來(lái)越多地與地球觀測(cè)衛(wèi)星提供的高光譜圖像結(jié)合使用。這將導(dǎo)致在多個(gè)空間和光譜分辨率級(jí)別上獲得有關(guān)作物健康和環(huán)境問(wèn)題的更詳細(xì)信息。

機(jī)器視覺(jué)中的光譜成像

機(jī)器視覺(jué)是另一個(gè)受益于光譜成像部署增加的領(lǐng)域。大多數(shù)材料可以通過(guò)它們與光的相互作用(反射率、透射率或吸光度)來(lái)識(shí)別。不同的光譜特征可用于識(shí)別材料或?qū)⑻囟ú牧媳舜朔珠_(kāi)。單點(diǎn)光譜儀測(cè)量可能很有用，但光譜成像可以檢查不同材料的空間分布。通過(guò)識(shí)別正?？梢?jiàn)波長(zhǎng)范圍之外的光譜特征，光譜成像還可以超越傳統(tǒng) RGB 相機(jī)的功能。覆蓋可見(jiàn)光和近紅外波長(zhǎng)范圍的寬帶光譜成像可用于區(qū)分不同塑料、識(shí)別藥品或?qū)κ称焚|(zhì)量進(jìn)行分級(jí)。

在機(jī)器視覺(jué)中采用光譜成像將取決于它帶來(lái)的好處、設(shè)備成本和易于實(shí)施之間的平衡。光譜成像硬件和軟件的進(jìn)步將有助于簡(jiǎn)化易用性。成本在某種程度上取決于是否需要多光譜或超光譜數(shù)據(jù)。在變量數(shù)量有限的受控環(huán)境中，多光譜成像的應(yīng)用可以降低成本。然而，在需要檢測(cè)材料或產(chǎn)品質(zhì)量的細(xì)微差異的情況下，可能需要高光譜成像。

醫(yī)學(xué)成像中的光譜成像

回到醫(yī)學(xué)和外科領(lǐng)域的應(yīng)用，光譜成像可以在幾個(gè)領(lǐng)域提供主要優(yōu)勢(shì)。已經(jīng)提到的微血管組織氧合成像，但在內(nèi)窺鏡檢查、非侵入性疾病診斷和圖像引導(dǎo)微創(chuàng)手術(shù)中也有應(yīng)用。

實(shí)時(shí)光譜成像在圖像引導(dǎo)手術(shù)和癌癥診斷方面具有巨大潛力。在手術(shù)室中，癌變組織通常無(wú)法與健康組織區(qū)分開(kāi)來(lái)。然而，光譜成像有可能區(qū)分健康組織和癌變組織之間的光譜差異，并在手術(shù)過(guò)程中實(shí)時(shí)對(duì)不同組織進(jìn)行分類。這提供了通過(guò)在分子和組織水平上提供彩色編碼圖像來(lái)增強(qiáng)外科醫(yī)生視力的潛力。這反過(guò)來(lái)可能導(dǎo)致在不傷害鄰近正常組織的情況下最大限度地去除腫瘤。

那么光譜成像是未來(lái)嗎?光譜成像的好處是顯著和廣泛的。隨著硬件技術(shù)、圖像分析方法和計(jì)算能力的進(jìn)步，希望光譜成像在眾多應(yīng)用中發(fā)揮重要作用，而不僅僅是這里提到的幾個(gè)例子。光譜成像檢測(cè)人眼或普通 RGB 機(jī)器視覺(jué)相機(jī)可能錯(cuò)過(guò)的物體的能力不可低估。