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高光谱成像仪怎么获取图谱?高光谱成像仪图谱怎么分析?

发布时间:2023-06-02
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高光谱成像仪在对样本进行分析时,可以获取样本的高光谱图像,高光谱图像是一个具有“图谱合一”特点的三维数据立方体,而高光谱图像的处理和分析是对样本进行定量和定性分析的重要依据。那么,高光谱成像仪怎么获取图谱?高光谱成像仪图谱怎么分析?

高光谱成像仪在对样本进行分析时,可以获取样本的高光谱图像,高光谱图像是一个具有“图谱合一”特点的三维数据立方体,而高光谱图像的处理和分析是对样本进行定量和定性分析的重要依据。那么,高光谱成像仪怎么获取图谱?高光谱成像仪图谱怎么分析?

高光谱成像仪

高光谱成像仪获取图谱的方式:

根据高光谱图像采集和形成方式的不同,高光谱图像的获取方式可以分为点扫描、线扫描和面扫描三种方式。三种扫描方式的示意图如图所示。

高光谱成像仪获取图谱的方式

点扫描方式图(a)每次只能获取一个像素点的光谱,为获取高光谱图像频繁的移动光谱相机或检测对象,不利于快速检测,因此点扫描方式常用于微观对象的检测。

线扫描方式(b)每次可以获取扫描线上所有点的光谱,因此该方式特别适合于传送带上方的物体的动态检测,因此该方式是水果和蔬菜品质检测时最为常用的图像获取方式。点扫描和线扫描方式是在空间域进行扫描的方式,不同于点扫描和线扫描方式,面扫描是在光谱域进行扫描的方式。

面扫描方式(c)每次可以获取单个波长下完整的空间图像,通过面扫描获取高光谱图像时需要转动滤光片切换轮或调节可调滤波器,因此面扫描方式一般用于所需波长图像数目较少的多光谱成像系统中。

根据光源和光谱相机之间的位置关系不同,高光谱图像的获取方式又可以分为反射、透射和漫透射三种方式。三种高光谱图像获取方式如下图所示。

高光谱成像仪获取图谱的方式01

三种不同的获取方式反映了光和检测对象之间的作用关系,经过不同形式作用后的光承载了丰富的内部和外部信息,根据这些信息便可以对样品进行快速无损检测。

高光谱成像仪图谱分析方法:

1.光谱处理与分析

为了消除光散射、光程畸变和随机噪声对光谱造成的影响,在光谱数据建模前,一般使用光谱预处理技术对光谱进行预处理。平滑、求导、归一化、多元散射校正、傅里叶变换和小波变换是常见的光谱预处理方法。不同的预处理方法具有不同的作用,例如平滑可以用来降低光谱中的随机噪声;对光谱求一阶或二阶导数可以用于移除峰谷重叠和基线漂移,同时也可以根据导数的波峰和波谷选取特征波长;归一化和多元散射校正用于降低由于样本表面形状差异而带来的光散射现象;傅里叶变换和小波变换则可以把数据转换至复数域进行相关的处理。通常情况下,需要根据光谱的数据特点和具体应用选择合理的预处理方法。

光谱数据蕴含着样本的特征信息,不同特征的样本的光谱曲线差异很大。往往需要利用多元分析的方法对样本的特征进行定性或定量的分析。基于多元分类的定性分析一般用于样本缺陷的识别与提取以及安全性的定性判定。基于多元回归的定量分析一般用于样本内部品质和影响安全性的物质含量的定量分析。

2.图像处理与分析

高光谱图像在每一个响应波长处都有一个单色图像,庞大的图像数据大大增加了高光谱图像的采集和处理时间,同时数据存在较大的冗余,且并不是每一个波长处的单色图像都适合于检测。为了实现对样本的快速在线检测,必须挑选适合进行特定品质检测的有效图像。有效图像一般为位于特征波长处的单色图像,其选择方法等同于特征波长的选择,既可以依据原始光谱和预处理光谱曲线的波峰波谷位置进行选取,也可以通过多元分析方法进行选取。

图像处理和分析是实现样本自动检测的关键步骤。图像处理是图像分析和品质检测的前提和基础。图像处理操作的对象是图像,输出的结果则是便于品质分析的特征向量。图像处理包括图像预处理、图像分割和特征提取三个方面。

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