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【科普】高光譜成像——認(rèn)識世界的新視角
發(fā)布時間：2021-02-22
一、高光譜是什么
一種物質(zhì)區(qū)別于其他物質(zhì)的本質(zhì)在于其分子、原子的種類及排列方式。當(dāng)電磁波入射到物質(zhì)的表面，物質(zhì)內(nèi)部的電子躍遷，原子、分子的震動、轉(zhuǎn)動等作用各不相同，從而在不同的波長具有特有的吸收和反射特征。簡單來說，每種物質(zhì)有自身特有的光譜曲線，因此根據(jù)吸收或者反射的光譜便能確定物質(zhì)的種類。
高光譜成像技術(shù)便是基于此種原理。高光譜成像技術(shù)通過獲取大量連續(xù)窄波段（通常小于10 nm）的物體光譜信息，將光譜信息與普通成像信息相結(jié)合，最終將數(shù)據(jù)合成為光譜連續(xù)的圖像數(shù)據(jù)。為方便理解，我們可以認(rèn)為是在普通二維圖像上增加一維的連續(xù)光譜信息，即三維數(shù)據(jù)（x,y,λ），x和y表示二維圖像坐標(biāo)，λ表示光譜信息，其中光譜曲線的形態(tài)可以幫助確定物質(zhì)的種類。
如圖1所示，左圖表示整個三維數(shù)據(jù)，右圖表示這四種物質(zhì)具體對應(yīng)的光譜曲線：
圖1 | 高光譜圖像示意圖
來源：公開網(wǎng)絡(luò)資料
從了解成像技術(shù)的發(fā)展歷史入手可以幫助更好地理解高光譜成像技術(shù)。第一個階段是灰度圖像，可以認(rèn)為是全色波段，或者是單波段，無法顯示物體的色彩，也就是黑白照片。第二階段是彩色圖像階段，彩色圖像是選定紅綠藍(lán)三個特定波長的光譜信息，獲取圖像信息后進(jìn)行合成得到的。第三個階段是多光譜圖像，在彩色圖像的基礎(chǔ)上進(jìn)一步增加了一定波段的光譜信息，通常通過由特定波段的濾光片組成的多光譜系統(tǒng)獲得。第四個階段是高光譜圖像，即進(jìn)一步收窄波段寬度，提高單位波段數(shù)量，形成連續(xù)的光譜信息。整個成像技術(shù)的發(fā)展史可以認(rèn)為是光譜信息不斷豐富的過程。
圖2 | 成像技術(shù)的發(fā)展
來源：公開網(wǎng)絡(luò)資料
高光譜成像技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩個層面：第一，信息豐富程度大幅度提高，相對于傳統(tǒng)的成像技術(shù)，其進(jìn)一步提供了光譜信息，更方便結(jié)合光譜特征對物體進(jìn)行分類和研究；第二，波段間隔小，更方便于波段之間進(jìn)行數(shù)據(jù)的互相校正，提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。
但是高光譜成像目前還面臨很多問題，特別是帶來了數(shù)據(jù)處理方面的挑戰(zhàn)：第一，數(shù)據(jù)量大幅增加，對計算能力要求相應(yīng)提升；第二，數(shù)據(jù)中存在大量過剩信息，波段間數(shù)據(jù)相關(guān)性高，處理不好反而會影響分類精度；第三，常規(guī)圖像的處理模型和方法難以適應(yīng)高光譜數(shù)據(jù)的處理及應(yīng)用。
二、主要技術(shù)路線
由于高光譜成像獲得是三維數(shù)據(jù)，而傳統(tǒng)的成像方式只能獲得二維的平面數(shù)據(jù)，因此成像方式也相應(yīng)進(jìn)行了改變，在發(fā)展過程中主要出現(xiàn)了四種方法：揮掃式（Whiskbroom）、推掃式（Pushbroom）、凝視式（Staring）以及快照式（Snapshot）。
圖3 | 四種主要的高光譜成像方式
來源：Journal of Biomedical Optics
1）揮掃式成像（Whiskbroom）
揮掃式成像，又被稱為點(diǎn)掃描式。顧名思義，該成像方式每次只對一個點(diǎn)的光譜信息（λ）進(jìn)行測量，該點(diǎn)的反射光經(jīng)過棱鏡散射后，只需一個線陣傳感器便可以完成信息的記錄，再通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)測量點(diǎn)在物體表面的橫向和豎向的移動，從而完成對整個表面的光譜信息的描繪。該技術(shù)最早被衛(wèi)星用于遙感探測，后來又被廣泛用于機(jī)載系統(tǒng)。
2）推掃式成像（Pushbroom）
推掃式成像是基于揮掃式成像的改進(jìn)，該成像技術(shù)每次完成一條線對應(yīng)的光譜信息的測量，也就是說同時獲取一維的空間信息（y）和光譜信息（λ）。該線陣的光線相繼通過光譜儀的前置狹縫、透鏡及投射光柵變?yōu)殡S波長展開的單色光，需要一個面陣傳感器完成信息的記錄，再通過機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)測量線在物體表面的單向移動，從而完成對整個表面的光譜信息的描繪。目前推掃式成像是最為成熟的高光譜成像方式。
3）凝采式成像（Staring）
凝采式成像不使用光柵或者棱鏡，通常使用濾波器（例如可調(diào)諧濾波器、可變干涉濾波器、線性可變?yōu)V波器等），物體的反射光通過濾波器后只產(chǎn)生一段窄波段的光譜信息，然后通過面陣傳感器進(jìn)行記錄，從而一次性獲得具有完整空間信息的單波段二維灰度圖像（x, y）的光譜。之后通過調(diào)整濾波器的輸出波長，獲得各段窄波段下的光譜信息圖像，最終拼成最終的三維信息。簡單來說，推掃式成像就是在一個時間點(diǎn)獲得一條線的完整光譜信息，通過時間完成另一個空間維度的信息補(bǔ)充，凝采式成像就是在一個時間點(diǎn)獲得一個面的單一窄波段的光譜信息，通過時間完成各波段的拼接。由于在不同波段下可以使用不同的曝光，因此凝采式成像具備更高的動態(tài)范圍。
4）快照式成像（Snapshot）
快照式成像通過各種方式將目標(biāo)物體的三維數(shù)據(jù)以降維的形式呈現(xiàn)在探測器上，然后利用對應(yīng)的重建算法將探測器上獲得的數(shù)據(jù)還原為三維數(shù)據(jù)，旨在通過一次曝光便在面陣探測器上記錄完整的空間和光譜信息，其完全不需要掃描的過程。目前主要在研究的方法包括計算光譜成像、基于微透鏡陣列以及計算層析型高光譜成像三大類。這種成像方式內(nèi)部不存在移動部件或者動態(tài)調(diào)節(jié)組件，具備抗干擾能力強(qiáng)、成像速度快的優(yōu)勢，適用于移動較快的物體或者實(shí)時監(jiān)測。另外，從理論上看，快照式成像在未來更容易實(shí)現(xiàn)成本的降低和相機(jī)體積的縮小，極大提高便攜性，更易在室外進(jìn)行使用。但目前技術(shù)仍處于實(shí)驗(yàn)室階段，面臨分辨率、硬件設(shè)計、數(shù)據(jù)計算等多方面的問題，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)和應(yīng)用。
表1 | 四種高光譜成像方式對比
來源：Review of spectral imaging technology in biomedical engineering
對比來看四種成像方式各有優(yōu)劣，不同場景適用的方式不同。
推掃式成像是目前研究和商用最為成熟的成像方式，凝采式成像相較來說應(yīng)用少一些。推掃式成像需要掃描一維空間，因此尤其適合于流水線檢測、無人機(jī)機(jī)載掃描等移動物體的掃描，但是在掃描靜止物體時不如凝采式成像方便，凝采式成像系統(tǒng)無需在內(nèi)部集成移動組件，且更容易實(shí)現(xiàn)體積的縮小。
快照式成像目前技術(shù)還不夠成熟，尤其是受限于分辨率不足的瓶頸，但卻是未來最具潛力的成像方式，其致力于在芯片層面解決光學(xué)層面的問題，因此能夠大幅度減小體積，且借助成熟的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)能夠?qū)崿F(xiàn)量產(chǎn)成本的大幅降低，最有可能將高光譜相機(jī)從一個工業(yè)實(shí)驗(yàn)設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)橐粋€消費(fèi)電子產(chǎn)品，開拓更多應(yīng)用領(lǐng)域。
三、主要應(yīng)用
與光譜儀的定位不同，高光譜成像不只是為了獲得物體的光譜信息從而進(jìn)行物質(zhì)分析，而是基于二維空間的基礎(chǔ)上增加光譜信息，即只有當(dāng)需要進(jìn)行空間層面的分析時，才會需要用到高光譜成像，否則僅需要成本更低的光譜儀便可以勝任。
由于高光譜成像在地面目標(biāo)識別方面的優(yōu)勢，其最早被應(yīng)用于軍事領(lǐng)域，并逐漸取代多光譜成像，成為主要的偵查手段。后來逐漸從軍用轉(zhuǎn)向民用，應(yīng)用領(lǐng)域逐漸擴(kuò)展到生命科學(xué)和診斷、地質(zhì)調(diào)查、植被遙感、農(nóng)業(yè)監(jiān)測、大氣遙感、水文學(xué)、災(zāi)害環(huán)境遙感、垃圾分選等等。
1） 不同波長應(yīng)不同應(yīng)用方向
由于技術(shù)限制，目前單一高光譜相機(jī)僅能測量有限的波長范圍。業(yè)界通常將其分為紫外UV(200-400nm)、可見VIS(380-800nm)、可見-近紅外VNIR(400-1000nm)、近紅外NIR(900-1700nm)、短波紅外SWIR(970-2500nm)、中紅外MWIR(3-5μm)、遠(yuǎn)紅外LWIR(8-12μm)。
圖4 | 光譜分類
來源：網(wǎng)絡(luò)公開資料
也正是由于這種限制，在實(shí)際應(yīng)用中，會根據(jù)物體的光譜特征，選擇最合適的波長范圍，不同波段的產(chǎn)品分別對應(yīng)有不同的應(yīng)用場景：
2.）目前應(yīng)用程度
整體來看，目前高光譜成像的實(shí)際應(yīng)用仍處于早期階段。應(yīng)用相對成熟的主要是在軍事領(lǐng)域，在民用領(lǐng)域許多應(yīng)用方向仍在研究和探索中，例如特定物體的分選、水污染及大氣環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)業(yè)、地質(zhì)監(jiān)測以及醫(yī)療等相關(guān)領(lǐng)域。
a）分選
目前的物體分選很多都是在可見光的范圍下通過機(jī)器視覺實(shí)現(xiàn)的，但是有很多物質(zhì)無法在可見光的條件下進(jìn)行區(qū)分。例如在垃圾分選中，往往存在多種構(gòu)成成分區(qū)別很大的塑料，但外觀上區(qū)別不大，無法通過傳統(tǒng)的機(jī)器視覺進(jìn)行識別，通過高光譜分析便能有效對其構(gòu)成成分進(jìn)行分析從而進(jìn)行區(qū)分。再例如在食品分選中，高光譜成像能夠有效區(qū)分出食品表面肉眼不可見的菌落，從而實(shí)現(xiàn)對新鮮度的判斷。
b）水污染環(huán)境監(jiān)測
高光譜成像可以有效觀測水體中葉綠素、浮游生物、沉積性懸浮物等分布情況，從而判斷富營養(yǎng)化和藻類爆發(fā)等水污染中的常見問題，具有能夠同時進(jìn)行大范圍水質(zhì)監(jiān)測、動態(tài)跟蹤污染情況等優(yōu)勢，正在成為水環(huán)境保護(hù)中越來越重要的監(jiān)測手段。
c）大氣環(huán)境監(jiān)測
高光譜成像是大范圍監(jiān)測污染氣體以及溫室氣體的重要手段。二氧化硫和氮氧化物等主要污染氣體和二氧化碳、甲烷等溫室氣體在紫外、可見、近紅外、紅外等波段存在比較強(qiáng)的特征吸收帶，因此通過使用對應(yīng)波段的高光譜數(shù)據(jù)便能夠?qū)怏w的成分進(jìn)行定量分析，判斷該地區(qū)的污染情況。
c）農(nóng)業(yè)
葉片中的葉綠素含量很大程度上決定了植物的反射光譜特征，因此生長正常的植物具有典型的光譜特征，通過分析光譜圖像便可以很容易地發(fā)現(xiàn)病蟲害、生長不良等問題，精確監(jiān)控作物的生長狀態(tài)，從而及時進(jìn)行解決。
d）地質(zhì)監(jiān)測
從上世紀(jì)80年代以來，得益于衛(wèi)星遙感技術(shù)的發(fā)展，高光譜技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用于地質(zhì)研究中。在高光譜的分辨率下，能夠?qū)Ρ砻娴V物進(jìn)行特征分析，進(jìn)而在礦物成分識別、地質(zhì)成因環(huán)境探測、成礦預(yù)測、油氣資源滲漏檢測等相關(guān)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
e）醫(yī)療
患病的機(jī)體和組織細(xì)胞表現(xiàn)出不同的光譜特征，醫(yī)生能夠通過高光譜成像更快、更準(zhǔn)確地檢測原來難以確定病灶的部位，從而為患者針對性地定制更有效的治療方式。相較于超聲、射線等傳統(tǒng)醫(yī)學(xué)影像檢測手段，高光譜成像技術(shù)對人體完全無傷害，靈敏度高且操作簡單，正在成為越來越多醫(yī)學(xué)研究關(guān)注的重點(diǎn)，為疾病的發(fā)病機(jī)理、組織病變、疾病診斷與治療、藥物效果評價等研究方向提供了新的思路和方法。
四、市場規(guī)模
得益于工業(yè)數(shù)字化、物聯(lián)網(wǎng)等需求的提升，越來越多的工業(yè)應(yīng)用開始尋求自動化解決方案，以獲取更高的經(jīng)濟(jì)效益。基于高光譜成像系統(tǒng)這種新興“傳感器”的行業(yè)解決方案也逐漸開始進(jìn)入人們的視野，目前大多還處在行業(yè)驗(yàn)證和試用階段。
據(jù)Mordor Intelligence和BG research統(tǒng)計，高光譜成像市場處于早期成長階段，2020年全球市場規(guī)模為1.45億美元，保守預(yù)計到2024年將進(jìn)一步增長到2.89億美元，復(fù)合年增長率達(dá)到14.9%。若基于芯片的高光譜相機(jī)能夠量產(chǎn)商用，則市場規(guī)模將進(jìn)一步爆發(fā)。
基于細(xì)分產(chǎn)品來看，在高光譜成像市場中以高光譜相機(jī)為代表的硬件設(shè)備占據(jù)最大的市場份額，產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因在于：第一，目前行業(yè)仍處于早期階段，解決方案提供不完善，主流的商業(yè)模式仍停留在簡單的硬件銷售層面，后續(xù)開發(fā)和使用一般交由用戶完成；第二，高光譜相機(jī)由于硬件成本較高，單機(jī)銷售價格居高不下，普遍不低于10萬元/臺，相比較起來提供的解決方案價格更低，因此占據(jù)份額更低。然而這兩點(diǎn)都不利于高光譜成像市場的長遠(yuǎn)發(fā)展，未來隨著高光譜相機(jī)硬件成本價格的下降以及軟件算法的完善，市場規(guī)模將進(jìn)一步擴(kuò)大，硬件設(shè)備所占據(jù)的市場份額也將逐步下降。
基于技術(shù)路線來看，目前在揮掃式成像、推掃式成像、凝視式成像以及快照式成像四種技術(shù)路線中，推掃式成像是最為成熟易用的解決方案，目前占據(jù)最大的市場份額。短期內(nèi)由于高光譜成像硬件設(shè)備價格難以下降，只能應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)等實(shí)用價值更直接的領(lǐng)域，而且推掃式成像極其適用于工廠的流水線式作業(yè)以及無人機(jī)的區(qū)域監(jiān)測，推掃式成像在短期內(nèi)仍然是最主流的技術(shù)路線。未來隨著快照式成像技術(shù)的發(fā)展，高光譜相機(jī)有望實(shí)現(xiàn)硬件成本的大幅度下降，在消費(fèi)級市場爆發(fā)出巨大的應(yīng)用潛力，在遠(yuǎn)期實(shí)現(xiàn)更快的增長速度。
基于終端需求分類來看，各個應(yīng)用方向的市場占比平均，應(yīng)用已經(jīng)較為成熟的地質(zhì)行業(yè)的市場規(guī)模占比最高，達(dá)到23%，其次是醫(yī)療市場以及安防市場。食物監(jiān)測、廢物回收、農(nóng)業(yè)等方面的應(yīng)用目前多處于應(yīng)用開發(fā)和驗(yàn)證階段，未來市場份額占比將逐步提高，產(chǎn)生更大的應(yīng)用價值。
圖5 | 高光譜成像市場構(gòu)成情況
來源：公開資料整理
五、市場格局
由于高光譜成像系統(tǒng)需要極深的技術(shù)積累，目前發(fā)達(dá)國家的高光譜成像系統(tǒng)產(chǎn)品普遍處于較先進(jìn)水平。國外成熟公司擁有更為成熟的設(shè)備，強(qiáng)大的研發(fā)能力，整體水平優(yōu)于國內(nèi)企業(yè)。國外知名度高的廠商憑借良好的產(chǎn)品和口碑長期占據(jù)絕大多數(shù)的市場份額。
世界大型高光譜成像系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)主要集中在北美和歐洲，主要生產(chǎn)廠商包括美國的Headwall Photonics、Ocean Optics、Resonon、Surface Optics、康寧（并購NovaSol）、Brimrose，加拿大的ITRES、Telops，芬蘭的Specim，歐洲微電子研究中心（IMEC），挪威納斯克電子光學(xué)公司（Norsk Elektro Optikk AS）等。
國內(nèi)關(guān)于高光譜成像系統(tǒng)的研究主要集中在軍事機(jī)構(gòu)和部分高校研究機(jī)構(gòu)，例如中科院光電院、上海光機(jī)所、長春光機(jī)所等等。目前著手于商用的廠商相對較少，大部分公司的產(chǎn)品的核心部件（分光儀等）仍然采購自國外技術(shù)成熟的公司，在國內(nèi)完成組裝并通過更高的性價比實(shí)現(xiàn)市場的開拓。
深圳中達(dá)瑞和
成立于2005年，主要業(yè)務(wù)包括液晶光電子、高光譜成像系統(tǒng)研發(fā)制造以及相關(guān)信息化解決方案和服務(wù)。其自主研發(fā)了基于液晶可調(diào)諧濾波器的高光譜成像儀、智能高光譜分析系統(tǒng)等產(chǎn)品，擁有完全自主知識產(chǎn)權(quán)，產(chǎn)品及服務(wù)同樣在公安刑偵、精準(zhǔn)農(nóng)林、偽裝識別、采礦勘探、遙感遙測、工業(yè)檢測、文物鑒定、醫(yī)學(xué)醫(yī)療、環(huán)境檢測等多個等領(lǐng)域得以成功應(yīng)用。2018年曾獲恒益天澤資本投資。
六、行業(yè)發(fā)展目前遇到的困境
高光譜成像系統(tǒng)的商用雖然已經(jīng)發(fā)展了近三十年，但現(xiàn)在市場仍處于早期的發(fā)展探索階段，仍未在各行業(yè)得到廣泛的使用。這其中主要面臨的困難包括：
1）高光譜成像系統(tǒng)硬件成本居高不下。由于目前高光譜成像系統(tǒng)以推掃式成像、凝視式成像兩種技術(shù)路線為主，但是推掃式成像需要用到光柵和棱鏡，凝視式成像需要用到濾波器，兩條技術(shù)路線的硬件成本都難以在短期內(nèi)快速降低。整個系統(tǒng)的生產(chǎn)成本和售價高高在上，商用客戶采用該系統(tǒng)產(chǎn)生的額外效益難以覆蓋其使用成本，無法被客戶所接受。這導(dǎo)致高光譜成像系統(tǒng)長時間只能應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室研究，下游客戶局限于各大高校和研究所，市場規(guī)模有限。
2）缺少易用的整體解決方案。由于高光譜成像系統(tǒng)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量體量巨大，且數(shù)據(jù)中噪聲多，處理過程復(fù)雜，對軟件算法提出了極高的要求。然而由于目前實(shí)際應(yīng)用較少，大多數(shù)研究只停留在實(shí)驗(yàn)論證階段，未能形成成熟易用的解決方案，下游客戶在使用過程中需要耗費(fèi)巨大的時間、資金和精力去開發(fā)適合自己需求的系統(tǒng)，極大降低了嘗試意愿。至于體量廣闊的消費(fèi)級市場，則更需要一款簡單易用的“傻瓜式”配套程序才能具備入圍機(jī)會。
正式由于這些發(fā)展瓶頸的存在，才使得這個行業(yè)充滿更多不確定性，為后來的創(chuàng)業(yè)企業(yè)帶來彎道超車的機(jī)會。行業(yè)未來的破局點(diǎn)正是在于以上待解決的問題。
1）急需降低生產(chǎn)成本的硬件設(shè)計方案。從原材料層面上看，推掃式成像和凝視式成像硬件成本難以在短期內(nèi)降低，體積也難以進(jìn)一步縮小，應(yīng)用場景受到明顯的限制。目前來看，最具備技術(shù)突破潛力的當(dāng)屬快照式成像，借助于成熟的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈，最有可能實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)成本的大幅降低，降低應(yīng)用門檻。目前包括清華大學(xué)、劍橋大學(xué)、普林斯頓大學(xué)均已公布相關(guān)研究成果，致力于在更小的芯片體積上實(shí)現(xiàn)更高的成像精度。
2）解決方案提供商的地位將逐漸提高。高光譜成像系統(tǒng)的硬件已經(jīng)經(jīng)歷了多年的發(fā)展，參數(shù)規(guī)格已滿足基本需求，雖然成本難以快速降低，但是在很多對成本不是很敏感的行業(yè)已具備實(shí)用價值。解決方案提供商扮演起“臨門一腳”的重要角色，需要其深入到客戶的實(shí)際應(yīng)用場景，開發(fā)出對應(yīng)的解決方案，長期以后形成積累，掌握行業(yè)的話語權(quán)。
七、思考及展望
1）高光譜成像系統(tǒng)作為一種功能進(jìn)一步升級的“圖像傳感器”，能夠在二維圖像的基礎(chǔ)上增加高光譜信息，有效提升了可識別的信息量，從而幫助對物質(zhì)種類進(jìn)行識別。與傳統(tǒng)“機(jī)器視覺”相比，基于高光譜技術(shù)的識別不僅能夠更精確地區(qū)分不同物體，甚至能夠?qū)崿F(xiàn)無法通過外觀進(jìn)行分辨的物體識別。在物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的大背景下，未來將成長為一種重要的終端傳感設(shè)備，豐富萬物互聯(lián)的世界。
2）未來高光譜成像破局的關(guān)鍵在于整體系統(tǒng)成本的降低。雖然目前基于推掃式、凝視式技術(shù)的高光譜成像系統(tǒng)的成本正在不斷降低，開始逐步打開市場，但是距離實(shí)現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用仍有較大距離。未來只有芯片級的高光譜成像技術(shù)得到推廣后，高光譜成像才能從高端工業(yè)應(yīng)用走向消費(fèi)級應(yīng)用，走進(jìn)大眾的日常生活，有效幫助改善生活質(zhì)量，從而帶動市場規(guī)模的爆發(fā)。
*本文來自上海北外灘金融研究院，僅供學(xué)術(shù)交流與應(yīng)用研究*
