高光譜成像儀作為精密的光學(xué)儀器，它融合了傳統(tǒng)的成像和光譜技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)獲取被檢測物體的空間信息和光譜信息，具有圖譜合一的特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)分選、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、色差檢測、食品檢測、醫(yī)學(xué)制藥、文物保護(hù)、刑偵檢測、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域。本文對高光譜成像儀的光譜圖像數(shù)據(jù)獲取方式及處理方法做了介紹。
高光譜成像儀光譜圖像數(shù)據(jù)獲取方式：
根據(jù)高光譜圖像采集和形成方式的不同，高光譜圖像的獲取方式可以分為點(diǎn)掃描、線掃描和面掃描三種方式。三種掃描方式的示意圖如圖所示。
點(diǎn)掃描方式圖（a）每次只能獲取一個(gè)像素點(diǎn)的光譜，為獲取高光譜圖像頻繁的移動光譜相機(jī)或檢測對象，不利于快速檢測，因此點(diǎn)掃描方式常用于微觀對象的檢測。
線掃描方式（b）每次可以獲取掃描線上所有點(diǎn)的光譜，因此該方式特別適合于傳送帶上方的物體的動態(tài)檢測，因此該方式是水果和蔬菜品質(zhì)檢測時(shí)最為常用的圖像獲取方式。點(diǎn)掃描和線掃描方式是在空間域進(jìn)行掃描的方式，不同于點(diǎn)掃描和線掃描方式，面掃描是在光譜域進(jìn)行掃描的方式。
面掃描方式（c）每次可以獲取單個(gè)波長下完整的空間圖像，通過面掃描獲取高光譜圖像時(shí)需要轉(zhuǎn)動濾光片切換輪或調(diào)節(jié)可調(diào)濾波器，因此面掃描方式一般用于所需波長圖像數(shù)目較少的多光譜成像系統(tǒng)中。
根據(jù)光源和光譜相機(jī)之間的位置關(guān)系不同，高光譜圖像的獲取方式又可以分為反射、透射和漫透射三種方式。三種高光譜圖像獲取方式如下圖所示。
三種不同的獲取方式反映了光和檢測對象之間的作用關(guān)系，經(jīng)過不同形式作用后的光承載了豐富的內(nèi)部和外部信息，根據(jù)這些信息便可以對樣品進(jìn)行快速無損檢測。
高光譜成像儀光譜圖像數(shù)據(jù)處理與分析方法：
高光譜成像采集的三維數(shù)據(jù)塊能夠提供被檢樣品內(nèi)外部豐富的成分含量信息，但由于高光譜數(shù)據(jù)具有波段多、分辨率高、數(shù)據(jù)維度高、冗余性強(qiáng)等特點(diǎn)，因此必須采取合適的的數(shù)學(xué)算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析。通常高光譜圖像處理的流程一般包括：高光譜圖像的獲取、圖像的校正，圖譜信息的提取、數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)降維和特征變量提取、模型建立、結(jié)果分析等幾個(gè)方面。總結(jié)以上的幾個(gè)方面，可以將其分成三個(gè)方面：高光譜圖像校正、光譜數(shù)據(jù)降維以及檢測模型構(gòu)建。
1.高光譜圖像校正和光譜預(yù)處理
在高光譜圖像采集過程中，由于圖像是未經(jīng)校正的原始圖像，在圖像的的采集過程中由于相機(jī)中的暗電流的存在會對采集系統(tǒng)產(chǎn)生一定的影響，使得采集的高光譜圖像穩(wěn)定性較差，另一方面由于原始高光譜圖像數(shù)據(jù)是光子的強(qiáng)度信息，需要通過反射校正來獲取相對反射率。因此對高光譜進(jìn)行黑白版校正是數(shù)據(jù)分析前一個(gè)必要的過程。另外，由于在光譜信息采集的過程中存在光散射、檢測物圖像不規(guī)則以及隨機(jī)噪聲等不利因素，會使光譜曲線出現(xiàn)不平滑，信噪比較低等問題，所以在進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析之前都會進(jìn)行數(shù)據(jù)的預(yù)處理，常用的預(yù)處理方法有平滑、歸一化、求導(dǎo)、多元散射校正、傅里葉變換、小波分析等，通過預(yù)處理后的數(shù)據(jù)不僅提高了曲線的平滑性和信噪比，而且對后續(xù)所建模型的準(zhǔn)確性也有一定的提升。
2.高光譜數(shù)據(jù)降維
由于高光譜采集的數(shù)據(jù)塊通常含有幾百甚至上千個(gè)波段的光譜信息，這就造成了過高維度的光譜信息和數(shù)據(jù)較大的冗余性，不僅使得計(jì)算過程繁瑣，而且還會降低無損檢測模型的準(zhǔn)確性，因此在建模前對高光譜數(shù)據(jù)塊進(jìn)行降維處理是進(jìn)行數(shù)據(jù)分析的重要一步。查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前應(yīng)用較多的降維處理方法主要有以下幾種：主成分分析法、獨(dú)立成分分析法、遺傳算法以及最小噪聲分離法等[19-22]，通過相應(yīng)的降維算法處理后，大量的冗余信息被去除，并且特征波段和圖像被提取，這些對于簡化計(jì)算過程和提高模型的準(zhǔn)確性發(fā)揮著重要的作用。
3.檢測模型的構(gòu)建
通過對降維處理后的圖譜數(shù)據(jù)進(jìn)行建模，可將圖譜信息和待測品質(zhì)關(guān)聯(lián)起來，目前常用的一些化學(xué)計(jì)量學(xué)建模方法有偏最小二乘法、支持向量機(jī)、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、多元線性回歸法，線性判別分析，F(xiàn)isher判別分析等算法，通常的做法是應(yīng)用多種建模方法，最后比較不同建模方法建模集和預(yù)測集結(jié)果來選出最優(yōu)模型，因此建模方法不是固定的，而是根據(jù)不同的數(shù)據(jù)類型選用不同的建模算法，不匹配的建模方法通常會對結(jié)果準(zhǔn)確性會產(chǎn)生較大的影響。而對于降維后的圖像維，通常采用相應(yīng)的數(shù)字圖像處理技術(shù)對圖像進(jìn)行分割處理，從處理后的圖像中提取特征參數(shù)建立模型，進(jìn)而對被測樣本表面缺陷或殘留物進(jìn)行檢測和識別。
