高光谱成像虽然已经存在了几十年，但在大部分时间里，它仅限于少数领域和应用。然而，近年来，随着光学设计、成像技术、计算技术、新型压缩方法以及行业生态系统的日趋成熟，这种情况开始发生变化。

下一代高光谱成像相机有望将这项技术从实验室带到普通人手中，从而创造广泛的应用场景。新型相机以更坚固耐用、更便携的外形提供实时高光谱数据，同时价格也更低。

这使得从RGB计算机视觉系统升级到高光谱系统成为可能，并通过基于高光谱数据集的本地运行计算机视觉算法实时提供高级洞察。此外，还可以根据性能需求，用更具成本效益的系统取代昂贵的高光谱成像相机。

如今市面上高光谱相机的选择越来越多，为了找到适合您用例的平衡点，您需要了解哪些性价比方面的信息？在本文中，我们将探讨高光谱相机的性能以及影响其定价的关键因素，并为您提供一些建议，帮助您找到最适合自己的相机。 

01 •  高光谱成像相机性能因素

高光谱成像相机的性能取决于诸多因素。这些因素量化了与最终数据集质量以及相机部署可行性相关的各个方面。

光谱范围 

光谱范围描述了高光谱相机能够捕捉的波长范围。传统的 RGB 相机仅覆盖电磁波谱的可见部分，而高光谱相机通常能够延伸到红外光谱。通过捕捉可见光谱以外的光线，可以揭示与不同材料特性相关的新光谱特征，从而实现新的应用场景。

下面列出了高光谱成像相机的典型光谱范围以及它们可以检测的属性示例。

• 可见光（VIS）≈400–700 nm：检测视觉瑕疵或深度颜色信息
• 可见-近红外（VIS-NIR）≈400–1000 nm：返回与医学诊断、植物健康和矿物质相关的新见解
• 短波红外 (SWIR) ≈900–2500 nm：对湿度、化学键和材料类型的敏感性增强
• 中波红外 (MWIR) ≈3–5 µm： MWIR 范围内的吸收特征可用于识别某些气体，以进行环境监测或跟踪工业过程
• 长波红外 (LWIR) ≈8–12 µm：捕获热辐射以检测温度变化
• 全光谱，结合 VIS、NIR 和 SWIR：提供所有三个光谱范围的检测能力

虽然VIS和VIS-NIR波长可以用低成本且易得的硅成像仪（例如CMOS或CCD传感器）捕获，但捕获更长的红外波长则需要更昂贵的探测器。其中一些探测器还需要冷却以降低噪音水平，这导致价格大幅上涨，并影响其部署方式。

光谱分辨率

光谱分辨率决定了高光谱相机区分不同波长的能力。光谱分辨率是一个至关重要的参数，它决定了相机能否捕捉到特定特征并揭示图像中物质的新信息。

高光谱分辨率相机能够更准确地输出大量窄带，从而重现到达传感器的原始光波长。相比之下，低光谱分辨率相机利用的波段较少、波段较宽，会丢失大量原始波长数据。

光谱分辨率由光谱范围、波段数量及其宽度定义。通常，相机波段的宽度会在整个光谱范围内变化，制造商会以纳米 (nm) 为单位提供光谱范围内不同点的分辨率值。

相机的最终光谱分辨率取决于所采用的光线捕捉技术。一般来说，更高的光谱分辨率是有利的，但价格也更高。然而，更高的光谱分辨率也会带来一些弊端，它会导致数据集更大，并且由于每个光谱带包含的光子更少，噪声水平也会更高。

空间分辨率

最终图像包含多少像素？空间分辨率决定了图像中可分辨的最小细节。通常，空间分辨率越高，高光谱相机的价格也就越高。

根据成像技术的不同，空间分辨率可能比像素数量和大小的简单值更复杂。一些快照式高光谱相机利用两个传感器同时输出 RGB 和高光谱图像。在这些情况下，高光谱数据将从整个图像中采样，而不是像扫描式相机那样进行逐像素分析。

帧速率

快照相机提供的空间分辨率一般数据相对较低，帧率一般也比较慢。帧速率决定了相机输出高光谱图像的速度。帧速率通常以每秒帧数或赫兹 (Hz) 为单位。 

新型快照系统可以提供视频级的帧率，使一系列实时监控系统能够捕捉移动物体的高光谱数据，比较适合动态场景的监控。相比之下，扫描高光谱相机的帧率很高。这使得扫描高光谱适合产线以及科研场景。

敏感度

灵敏度衡量的是进入相机的光子被传感器记录的概率。该参数取决于光的波长、传感器和光学元件。灵敏度越高的相机，其在低光照条件下的使用可能性就越大，因为每个光子被记录的可能性就越大。在较高的帧速率下，捕捉构成图像的光的积分时间明显较短，因此灵敏度至关重要。

灵敏度还会影响与图像质量相关的参数，例如

信噪比 (SNR)：信号相对于背景噪声的强度。

动态范围：可测量光强度的最大值与最小值之比。动态范围宽意味着相机能够准确捕捉明亮和黑暗区域。

照明

生成高质量高光谱数据所需的照明条件。要充分利用高光谱相机的整个光谱范围，通常需要宽带光源。然而，对于目标光谱范围较小的用例，可以使用波长范围更窄、聚焦性更强的光源。

一些高光谱相机需要固定的光照条件（例如强度、波长范围和均匀性）才能输出有意义的数据，而另一些则更加灵活。VIS、VIS-NIR 和 SWIR 的典型光源是卤素照明，而捕捉较短波长的红外辐射则需要热照明。同样，由于捕捉光线的积分时间更短，因此照明对于更快的帧速率至关重要。

对于线扫描高光谱相机，只需要寻找均匀稳定的线光源即可，技术难度比较低。

对于面成像的高光谱，全幅的均匀照明是必须的，这可能会导致光源的成本快速上升。

易用性

使用高光谱成像相机时需要克服许多挑战，包括：

• 校准这些复杂的设备，以返回准确可靠的数据，从而轻松进行跨帧比较。这个过程非常耗时，需要具备该领域的技术专业知识以及对所用特定相机的了解。
• 高光谱相机处理的数据集比 RGB 或多光谱系统大得多，因此需要高带宽、处理能力和大量存储空间。
• 要解读庞大而复杂的数据集并进行有意义的分析，需要先进的算法和对光谱分析的理解。这使得大多数高光谱相机非专业人士难以操作。
• 控制环境条件（照明、背景等）以提供可重复的数据集，这些数据集不含伪影，也不受高噪音的影响。
• 帧速率低，尤其是对于采用扫描技术的相机而言，会使高光谱系统不适合实时分析或捕捉动态场景。采集速度也会影响校准。由于帧间等待时间延长，检查性能、测试新参数或调整实验设置所需的时间会显著延长。 

高光谱相机的易用性决定了它在现实世界中的表现以及该技术的适用人群。整体易用性取决于硬件（成像方法、光学设置、本地计算等）和供应商提供的软件功能。高光谱成像供应商通常会提供工具来简化一系列功能，包括校准和数据分析。

尺寸重量和功率 (SWaP)

相机的尺寸、重量和功率 (SWaP) 与易用性息息相关，决定了高光谱设备的移动和运行是否方便。这些因素对于资源较为受限的航空遥感系统尤为重要。然而，SWaP 在高光谱相机的便携性和部署方面也起着至关重要的作用。它是否仅限于实验室使用，还是可以移动到现场使用，都与 SWaP 息息相关。 

02 • 影响高光谱相机价格的关键因素

与大多数行业一样，高光谱成像也体现了物有所值。性能越好、规格越高，高光谱相机的价格就越高。  虽然说性能越高价格越高，这很容易理解，但某些因素会因它们对高光谱相机的影响方式而显著影响定价，这其中就包括扫描方法、传感器和软件生态系统。

成像方法

成像方法是指如何捕获图像以及相机如何将入射光转换为高光谱帧。高光谱成像方法包括：

推扫式（线扫描）：最经典的扫描方式，一次捕获一行像素。推扫式相机虽然提供高光谱分辨率，但它们是通过扫描图像来实现的。，光学设计精密而且复杂，产品形态丰富，易用性强。

快拍：一次性捕获所有数据，实现实时光谱分析。此外，由于光学系统更简单，便于在野外使用。然而，快拍高光谱相机的速度是以牺牲光谱分辨率为代价的。与同等的推扫式系统相比，快拍相机输出的波段更少。

可调谐滤波器：集成电子控制滤波器，一次捕获单个波长。常见的滤波器包括AOTF（声光可调谐滤波器）和LCTF（液晶可调谐滤波器）。虽然这种方法相对经济实惠且结构紧凑，但一次仅捕获一个波长会导致帧速率较低。

扫帚式（点扫描）：扫帚式相机是推扫式相机的前身，由于逐像素扫描场景，现在被认为速度极慢。它确实可以生成高光谱分辨率图像，但在现代应用中很少使用。

傅里叶变换成像：使用干涉法捕获光谱数据，类似于 FTIR（傅里叶变换红外光谱）。基于傅里叶变换成像的高光谱成像非常笨重，目前尚不适合在实验室外使用。

传感器

传感器决定了高光谱相机的光谱范围。虽然可见光和可见近红外（VIS）光谱可以依赖价格低廉的CMOS传感器，但要将光谱范围进一步扩展至红外区域，则需要基于非硅半导体的更昂贵的传感器。例如，砷化铟镓（InGaAs）和碲化汞镉（MCT）传感器。

探测红外光谱深处的低波长光也需要冷却。这些光子能量较低，因此在热噪声环境下更难探测到。为了降低热噪声，必须引入冷却措施。虽然冷却可以提高性能，但也会使相机设计复杂化，显著增加价格，并可能限制高光谱系统的部署。

一些快照相机现在采用双传感器设计，可同时输出 RGB 帧和高光谱数据集。这使得用户能够快速地可视化和解读图像，同时更容易调整和聚焦于感兴趣的特定区域进行光谱分析。此外，计算机视觉系统可以基于同一场景的颜色和光谱数据进行训练。

软件生态系统

相机配套的软件生态系统决定了它在现实世界中的实际使用方式。需要进行特定的数据处理和分析，将原始传感器输出转换为光谱，然后在此基础上构建针对不同用例的自动化计算机视觉模型。这些模型需要能够理解或至少对光谱特征进行分类，才能提供有意义的计算机视觉功能。

高光谱相机可以配备不同级别的软件功能，以简化其与不同用例的集成。这包括功能有限的专业高光谱相机专用软件，以及带有 API 的SDK开发套件，允许开发人员构建自己的工具并将其集成到现有程序中。此外，更昂贵的系统通常提供交钥匙软件功能，例如实时分类或分选模型，以简化相机的使用。  

03 • 找到适合您需求的高光谱相机

高光谱相机是复杂的设备，其性能和价格受诸多因素影响。然而，在为您的应用找到合适的选择时，您可以通过“基于需求的分析”来简化决策。您需要确定能够帮助您实现目标的最重要的性能因素。这包括考虑以下因素：

• 您正在寻找的光谱特征以及区分它们所需的分辨率
• 执行此分析所需的速度以及所需的相关帧速率
• 捕获图像的条件，例如环境和光照条件。

基于需求的分析结果应该能够反映出您的用例所需的性能底线。考虑到这一点，您可以探索性能和价格之间的权衡，以找到最佳的高光谱相机选择。追求市面上最高规格的高光谱相机很容易。然而，这往往会导致资金浪费，因为相机的性能超出了您的需求。

不同行业需要考虑的高光谱相机性能因素包括：

• 农业：需要中等光谱分辨率。飞行器最适合使用推扫式相机，速度快效率高，光谱质量好。
• 质量控制：在各行各业的质量控制和用例分选中，优先考虑高帧率和实时处理，而非光谱分辨率。高光谱系统可能只需要区分固定数量的已知光谱特征，但必须做出实时决策。
• 医疗保健：目前仍处于概念验证研究阶段，但从高光谱数据集得出错误结论的风险可能会带来严重后果。因此，医疗保健用例通常需要更高的光谱和空间分辨率。
• 国防安全：宽光谱范围和高光谱分辨率可检测伪装威胁，高帧率可进行实时分析。

转自：撸陆

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