光谱相机全指南：多光谱与高光谱技术原理与差异

1. 多光谱与高光谱相机介绍

下一代机器视觉的核心在于光谱成像技术。

多光谱与高光谱相机通过捕捉传统RGB相机无法获取的波长信息，实现了更精细的分析和高维数据解读。

该技术正迅速在农业、医疗、半导体等多个领域得到广泛应用。

本文将通过介绍两种技术的原理、差异及主要应用案例，阐述为何光谱相机成为必需，以及选择时应参考的标准。

文中所述的多光谱与高光谱相机的波长范围及光谱标准，均基于Avaldata相机的规格制定。

光谱成像（Spectral Imaging）是一种利用不同波长范围的光线来分析物体光学特性的技术。

普通相机拍摄的是人眼可见的整个可见光波段，而光谱成像技术则将光线划分为多个波长段进行感测，从而实现对物质特性的分析与分类。

高光谱相机通过棱镜光谱仪技术检测数百个连续的波长段。

光线通过狭缝（slit）限制其位置和大小，随后经过光栅（Grating）进行色散，分散后的光线被传递到传感器上。

以AHS-003VIR为例，可在450nm至1700nm波长范围内采集最多512个波段的光谱数据。

高光谱相机通常一次拍摄仅捕捉分光后的单条线数据，因此为了拍摄所需区域，需要采用Push Broom（推扫式）方式进行拍摄。

Push Broom是高光谱相机中使用的一种线扫描技术，指的是相机或物体移动时，逐行扫描并一次拍摄一条线的数据。

随后随着相机或物体的移动，连续拍摄多条线，最终构建出二维图像及三维数据。

获取的数据如上图所示，以立方体（Cube）形式生成二维图像，立方体数据由x、y、λ（波长）三维组成，其中x为横向，y为纵向，λ为光谱信息。

以本公司产品型号AHS-003VIR（默认参数）拍摄时，生成的立方体数据尺寸为横向640，纵向512，波段512个。

左上角的图表显示了对塑料（PS）拍摄获得的亮度信息。

由于尼龙、PP等其他塑料在不同波长上与PS具有不同的光谱特性，因此可以在特定波段实现区分。

关于塑料材质区分的详细内容，请参考此前博客文章《利用高光谱相机对多种塑料材质进行分类》：

当用户难以自行处理所获取的立方体数据时，可使用多种第三方光谱分析工具（如perClass、Mira等）进行数据分析和分类。

多光谱相机的结构因制造商而异。以AVALDATA的AMS-013VIRLF2为例，其在传感器上添加了滤光片，仅允许部分波长通过。

此外，一次拍摄可获取1200nm、1300nm、1450nm和1600nm四个波段的数据。

每个波段内可拍摄1至32条线，因此一次拍摄最多可采集128条线的数据，同样需要采用Push Broom（推扫式）方式进行拍摄。

一次拍摄可获取4个波段的图像。
多光谱相机查看器支持NDVI（归一化植被指数）功能。

NDVI是定量评估植被活力（生长状态和健康状况）的典型植被指数。
它能够快速识别病虫害损害、生长状况及水分胁迫，并通过NDVI的变化分析作物成熟度。
该技术广泛应用于精准农业、无人机林业监测及城市绿地管理等领域。

多光谱（Multispectral）与高光谱（Hyperspectral）相机均可检测可见光及不可见光（红外、紫外等）中的特定波长，但主要区别在于波段数量与连续性。

多光谱相机选择性地检测4个波段的宽波长范围。该方式通过选取最适用的波段实现高效信息提取。
因其在传感器上附加滤光片，体积小巧且重量轻，适合特定应用场景。
高光谱相机则可检测多达1680个（视型号而定）连续波段，实现更细致、精准的光谱分析。
其优势在于能够识别肉眼或普通相机无法区分的微小物质差异。输出数据为立方体形式，支持ENVI文件格式，并可被支持该格式的第三方软件广泛应用。

项目	RGB相机	多光谱相机 (AMS-013VIRLF2)	高光谱相机 (AHS-052VIR)
光谱波段数量	1个（红、绿、蓝）	4个	1680个（支持合并与特定波段选择）
光谱分辨率	无	中等（宽波段）	非常高（窄波段）
光谱范围	可见光范围 (400–700nm)	1200、1300、1450、1600nm	450~1700nm
图像获取方式	同时获取	Push Broom扫描	Push Broom扫描
传感器结构	Bayer滤镜或3-CMOS结构	带通滤波器	衍射光栅、棱镜
数据格式	2D彩色图像	限定波段数据	3D光谱图像（数据立方体）
优点	价格低廉、通用性强、响应快	可选择性波段分析，结构相对简单	高精度分析与分类
缺点	几乎无光谱信息	光谱分辨率有限	成本高、数据量大、处理复杂