Hva er hyperspektral avbildning?

Hyperspektral avbildning er en teknikk som tilfører en fargerik tredje dimensjon til et reflektert bilde som inneholder målets spektrale data. Den kan brukes i applikasjoner som topografisk analyse av mineralforekomster eller gårder, militær overvåking, medisinsk vevsanalyse og arkeologisk kartlegging. Hyperspektral avbildning gir et vell av lys- og komposisjonsdata fra bildesensorer i felt, på laboratoriet og til og med i verdensrommet.

Spektrale avbildningsanalyser refleksjonsspektre eller data om lysbølgelengde. Den kan bruke teknologi som reflekterende speil, prismer, linser og lyssensorer, omtrent som komponentene og CCD-chipene i et digitalt kamera. Kombinert med ekstern avbildningsteknologi brukes spektral avbildning for å måle bølgelengder til det elektromagnetiske spekteret spredt av et målmateriale. Enheter som kalles spektrometre og spektroradiometre merker variasjoner i energibølgelengden til lyset som reflekteres fra et mål og lar observatører bestemme sammensetningen av materialet eller landskapet.

Hyperspektral avbildning bruker moderne datakraft for å kombinere data fra mange bilder og legge til den tredje dimensjonen av spektraldata direkte til bildet. Dette datasettet er stablet i en "hyperspektral kube", som en bunke med stillbilder, der hver piksel inneholder sine spektrale data. Multispektral avbildning kombinerer data fra titalls eller hundrevis av elektromagnetiske (EM) bånd, men hyperspektrale terninger kan behandle data fra tusenvis av bånd.

Multispektral avbildning benytter vanligvis data fra flere sensorer, mens hyperspektrale data ofte blir samlet som et sett sammenhengende bånd fra en enkelt sensor. Jo flere data, jo tydeligere er bildet. Jo tydeligere bilde, jo lettere er det å bestemme ut fra hvilket stoff eller hvilke stoffer subjektet er laget.

Noen bruksområder for hyperspektral avbildning inkluderer kjemisk analyse, fluorescensmikroskopi, termisk avbildning, arkeologisk funn og rettsmedisinske undersøkelser. Medisinsk hyperspektral avbildning trekker ut visuelle bølgelengder i et romlig område og syntetiserer skivene til et "topografisk kart" som er klar for klar medisinsk analyse av vevets egenskaper for forskjellige diagnoser eller forskningsformål. Denne bildeteknologien kan fange opp mer av EM-båndet enn synlig lys, inkludert infrarød og ultrafiolett bølgelengde, slik at den kan forbedre informasjonen som ellers kan bli sett av det blotte øye. Alle materialer inneholder spektrale signaturer som kan gi viktige ledetråder for en mengde applikasjoner på mange felt.

For eksempel ved å forstå forskjeller i kjemisk sammensetning av jord og plantevekst, kan rettsmedisinske etterforskere finne andre ellers ukjente graver. Dette er fordi nedbrytning skiller refleksjonsspektre for plantevekst fra omgivelsene. Enkelt sagt, den ekstra klorofylen som er inneholdt i planter som er befruktet ved nedbrytning, gjør at de skiller seg ut mye mer synlig i hyperspektrale data enn med det blotte øye.

Fjernmåling og digital bildebehandling finner nye applikasjoner fortløpende. Spesielle biblioteker som inneholder kjente spektraldata av materialer, har i økende grad blitt gjort tilgjengelig for forskere og sivile av organisasjoner som USAs National Aeronautics and Space Administration (NASA). Nye applikasjoner for denne teknikken er kontinuerlig utviklet i mange bransjer. Landbruksbruk kan omfatte bestemmelse av plantesorter, vann- og næringsforhold og tidlig påvisning av sykdom. Etter hvert som teknologien blir mer tilgjengelig for publikum, forventes det at nye applikasjoner kontinuerlig vil bli utviklet for stor fordel i forhold til den relativt begrensede analytiske kraften til ettpunktsspektroskopi.

Termisk avbildningsteknologi har lenge vært brukt i militær eller luftbåren overvåking. Av denne grunn er det utviklet spesielle teknikker for å hindre denne teknologien for å maskere varmesignaturene til bakkekrefter fra luften. Hyperspektral bildebehandling kan beseire disse motmålene med sin mengde spektrale båndmålinger, og tilbyr presisjonsanalyse som kan avdekke spektrale “fingeravtrykk” på målet.

Hele spekteret er samlet for hver piksel med informasjon, så observatøren krever ingen forkunnskaper om et materiale for å gjøre en analyse. Databehandling kan omfatte alle tilgjengelige data for en fullstendig analyse av en prøve. Dette krever dedikerte databehandlingsressurser, inkludert kostbart sensitivt utstyr og en stor kapasitet på datalagring. En hyperspektral kube representerer flerdimensjonale datasett som krever hundrevis av megabyte hver for å behandle.