מהי הדמיה היפרספקטרלית?

הדמיה היפרספקטרלית היא המקיפה ביותר מבין שלוש טכנולוגיות עיבוד התמונה הנפוצות. שתי הטכנולוגיות האחרות הן הדמיה אדום-ירוק-כחול (RGB) והדמיה רב-ספקטרלית. כל השלושה אינם פולשניים ואינם הרסניים ומעניקים למהנדסים ולמדענים דרכים שונות לנתח אובייקטים.

הדמיית RGB יכולה להיות מהירה וזולה ליישום ומספקת מידע בסיסי על אובייקט. הדמיה רב-ספקטרלית לוכדת יותר ניואנסים באורכי הגל השונים המרכיבים את הספקטרום הנראה. הדמיה היפרספקטרלית לוכדת מידע מפורט על כל פיקסל על פני ספקטרום רחב בהרבה, בדרך כלל מ-250 ננומטר (ננומטר) עד 15,000 ננומטר ואינפרא אדום תרמי (איור 1).

מולטיספקטרלי מול היפרספקטרלי
הדמיה רב-ספקטרלית היא חידוד והרחבה של הדמיית RGB באמצעות פסי ספקטרום נוספים. הנתונים המתקבלים יכולים להיות מפורטים מספיק כדי לאפשר ניתוח של המאפיינים הפיזיקליים והכימיים הבסיסיים של אובייקט.

הדמיה היפרספקטרלית שונה. הוא משלב הדמיה עם ספקטרוסקופיה. עם הדמיה היפרספקטרלית, הספקטרום של כל פיקסל נקלט בפירוט. הוא מייצר נתונים על התוכן המרחבי והספקטרלי בתמונה. הדמיה היפרספקטרלית תומכת באפיון מפורט של הרכב האובייקט.

מצלמה היפרספקטרלית טיפוסית לוכדת מאות אלפי ספקטרים ​​כדי ליצור קובייה היפרספקטרלית שבה שני מימדים מייצגים את המבנה המרחבי של תמונה, והממד השלישי הוא התוכן הספקטרלי. בנוסף, המידע שנלכד מפורט מספיק כדי להיות מוצג כייצוג רציף ולא בדליים ספקטרליים נפרדים כמו אלה המשמשים להדמיה RGB ורב-ספקטרלית (איור 2).

פיתוח מסחרי של הדמיה היפר-ספקטרלית התאפשר על ידי התקדמות בתחום ההדמיה, כולל היכולת להפריד במהירות את האור המוחזר מאובייקט למרכיביו הספקטרליים באמצעות טכניקות כמו סריקה מרחבית, סריקה ספקטרלית, הדמיה של תמונת מצב וסריקה מרחבית-ספקטרלית. הזמינות של חיישני CMOS ברזולוציה גבוהה הפועלים בקצבי וידאו יחד עם התקדמות במערכות עיבוד תמונה בעלות ביצועים גבוהים הם גם גורמי מפתח.

איך נראית מצלמה היפרספקטרלית?
ישנן מספר דרכים ליצור מצלמה היפרספקטרלית. התגלמות אחת מוצגת ב איור 3 מתחיל בעדשה הממקדת תמונה של האובייקט על חריץ צר המגדיר את קו ההדמיה. הצרות של הרשימה גורמת לעקירת האור, ועדשת הקולימציה משמשת ליישור הקרן ולהסרת השפעת העקיפה. לאחר מכן האור עובר דרך מבנה הרשת-פריזמה של פריזמה-דיפרקציה המפרידה אותו למרכיביו הספקטרליים. לבסוף, עדשה ממקדת את האור המתקבל לחיישן CMOS (לא מוצג) שמייצר את קוביית ההיפר-נתונים. לא מוצג גם מבנה המראה המשמש לסריקת הסצנה ולהפקת סריקות הקו הבודדות.

למה טוב הדמיה היפרספקטרלית?
ניתן לזהות חומרים שונים לפי החתימה הספקטרלית שלהם. אמנם זה התחיל בהדמיה רב-ספקטרלית, אך רמת הפירוט המוגברת המתאפשרת באמצעות הדמיה היפר-ספקטרלית העלתה את היכולת הזו לזיהוי וניתוח חומרים מרחוק. ניתן ליישם הדמיה היפרספקטרלית בקווי ייצור, מטוסים, מל"טים ולוויינים. הוא משמש במגוון רחב של יישומים, כולל אסטרונומיה, חקלאות, גיאולוגיה, הדמיה ביו-רפואית, ניטור סביבתי ועוד.

מצלמות היפרספקטרליות זמינות ממספר ספקים ועברו אופטימיזציה לשימושים ספציפיים, כולל:

• הדמיה היפרספקטרלית משמשת להערכת רמות הבריאות והרכיבים התזונתיים בגידולים המאפשרים לחקלאים ליישם באופן סלקטיבי דשנים ואמצעי הדברת חרקים, להפחית עלויות ולמקסם את התוצאות.
• ניתוח אמנות. בדיקת התוכן הכימי של החומרים בחפץ אמנות יכולה להבטיח שהם תואמים את התקופה ויכולה לתמוך בתיארוך של יצירות אמנות שהתגלו לאחרונה.
• עיבוד מזון. בתעשיית הבשר משתמשים בהדמיה היפרספקטרלית למדידת ההרכב הכימי כדי לקבוע את תכולת החלבון או לזהות עצם, סחוס וחומרים אחרים. הוא משמש גם לתהליכי בקרת איכות כלליים כמו קביעת הבשלות של פירות וירקות.
• היכולת לזהות חומרים באמצעות הדמיה היפרספקטרלית תומכת במיון וניהול אוטומטיים של פריטים ממוחזרים.

<br> סיכום
הדמיה היפרספקטרלית לוכדת ומעבדת מידע על אובייקט על פני טווח רחב של אורכי גל, הנמשכים לרוב מ-250 עד 15,000 ננומטר ואינפרא אדום תרמי. הוא מייצר מידע הרבה יותר ניואנס מאשר הדמיה רב-ספקטרלית ומאפשר ניתוח מפורט יותר של חומרים ותהליכים. מצלמות היפרספקטרליות מסחריות תוכננו עבור מגוון יישומים ספציפיים.

הפניות
יישומים היפרספקטרליים ומחקרי מקרה, RESONON
Line Scan Hyperspectral Imaging Framework עבור פלטפורמות קוד פתוח בעלות נמוכה, חישה מרחוק MDPI
מהי הדמיה היפרספקטרלית?, NIREOS
מהי הדמיה היפרספקטרלית?, SPECIM
מדוע הדמיה היפרספקטרלית אינה מיושמת באופן נרחב וכיצד לשנות זאת?, Netguru