高光谱VS多光谱：你选对了吗？

高光谱相机和多光谱相机之间的主要区别在于它们所记录的波段数量以及波段的宽度，即光谱分辨率。





根据标准定义，高光谱相机能够记录超过100个波段，而多光谱相机则能记录更少的波段。然而，这个定义并没有考虑到光谱范围的宽度或者采样率的因素。这意味着，如果一个相机能够覆盖400nm-600 nm的光谱范围并且可以记录50个波段，那么它就被归类为多光谱相机；而如果同样的相机能够覆盖400nm-800 nm的光谱范围，并且具有相同的采样率（即能够记录100个波段），那么它就会被归类为高光谱相机。

本文更加关注光谱分辨率（半峰全宽）方面，强调相机区分两个连续光谱谱峰的能力。

高光谱成像涉及捕获和分析来自电磁波谱中大量狭窄且连续的波段数据，从而为图像中的每个像素生成高分辨率的光谱。因此，高光谱相机可以提供平滑的光谱。相比之下，多光谱相机所提供的光谱呈现出阶梯状或者锯齿状，无法精确地描绘光谱特征。

光谱成像技术提供的数据比多光谱成像更为详细，因此可以更精确地分析和识别各种材料和物质。然而，由于光谱分辨率的限制，多光谱成像可能无法准确区分相近的材料。

市场上大多数多光谱相机的光谱范围受限于400nm-1000 nm之间，波段数量通常为4-5个。这些限制对于多种应用具有重要影响。

为了说明高光谱相机相较于多光谱相机的优势，我们研究了从杏仁中分离杏仁壳的过程。这是一个典型的应用，需要高度准确地识别外观非常相似的不同材料的能力。

高光谱相机相比多光谱相机在光谱范围方面具有显著优势。

反射、吸收和发射特性形成的光谱与待测材料的分子组成密切相关。表1列出了常见物质分子键的光谱共振频率，这是由于共振频率产生的光谱指纹效应。

根据表格数据，许多应用需要使用700nm-2500nm的光谱范围。特别是与食品质量评估和塑料分选相关的应用，1100nm-1700nm的光谱范围是必需的。然而，限制在400nm-1000nm范围内的多光谱相机不适用于这些应用。

关于高光谱成像与RGB相机对比的研究显示，RGB相机在分选坚果和开心果时表现不佳。相比之下，Sinespec SP130表现出较好的性能，而Sinespec SP160A具有最高的分选精度。

高光谱相机相比多光谱相机在波段数量方面具有优势。考虑到这一点，我们利用Sinespec SP160A相机对杏仁和杏仁壳进行了比较研究。在第一个数据集中，我们涵盖了900nm-1700nm的光谱范围并记录了224个波段，而在第二个数据集中，我们仅使用了28个合并波段（即将连续的光谱波段进行合并）来模拟多光谱相机的效果。

根据图1和图2所示，与仅使用28个波段描述的光谱相比，与224个波段数据集相关的光谱更加平滑。在高光谱数据中，还可以识别微小但重要的光谱差异，以实现将杏仁与杏仁壳进行区分。

换句话说，由于只能获取28个波段的信息，因此无法获得区分杏仁和杏仁壳所需的完整光谱信息。

图1展示了使用224个波段和28个波段描绘的杏仁壳和杏仁的光谱情况。

图2显示了在使用224个和28个波段条件下，通过Sinespec SP160A采集到的杏仁的光谱。紫色圆圈突出显示了由于杏仁中存在油脂而杏仁壳中不存在油脂所导致的光谱差异。

一些预处理方法也不适用于多光谱数据，例如，Savitzky-Golay等导数或平滑算法需要连续光谱才能发挥良好效果，而多光谱传感器无法提供连续光谱。

根据所述，通过构建两个模型来说明与能否准确描绘光谱特征相关的要点。高光谱模型覆盖了224个波段，比仅覆盖28个波段的多光谱模型更准确。在高光谱数据中，边缘效应消失，甚至能够正确分类最小的杏仁壳碎片。

图3展示了杏仁和杏仁壳在RGB、多光谱（28个波段）和高光谱（224个波段）下的图像，其中绿色代表杏仁，蓝色代表杏仁壳。

本研究选择了28个光谱波段来模拟多光谱相机。然而，典型多光谱相机涵盖的光谱波段明显更少，这进一步降低了它们描绘精细光谱特征的能力。

在高光谱成像与多光谱成像之间如何作出选择呢？

高光谱成像技术和多光谱成像技术都在各种研究、工业和遥感应用中广泛使用，用于捕获和分析电磁波谱。这两种技术互补性强，具体选择取决于应用要求和现有数据的级别。

如果应用需要处理的光谱波段较为广泛，且所需的光谱分辨率超出了多光谱成像技术的能力范围，那么高光谱相机便是理想的解决方案。

对于不需要涵盖整个光谱范围的应用，定制的多光谱相机可以像高光谱相机一样表现出色，前提是用户清楚知道在检查或分析过程中必须涵盖的选定光谱波段数量。然而，如果用户对应用的光谱要求不了解或这些要求非常复杂，那么最好采用高光谱相机来收集和分析数据。

高光谱相机还具备更大的灵活性，使用户能够在未来对设备进行升级，以便适应新的杂物或材料的分选需求。在使用Sinespec SPX相机时，用户可以自由选择相关的波段。实际上，Sinespec SPX高光谱相机可以转换为多光谱相机，但多光谱相机无法实现这一转换。

在决定高光谱相机和多光谱相机的选择时，价格是一个重要的考虑因素。一般情况下，高光谱相机的价格高于多光谱相机，并且需要更高的处理能力。但在某些特殊情况下，如需要定制大量波段的多光谱相机，这一情况可能会发生变化。