线扫描高光谱相机与Living Optics编码孔径快照式高光谱相机光谱数据比较
线扫描高光谱相机与Living Optics快照式高光谱相机光谱性能对比
成像原理示意图:

本实验在受控照明条件和静态目标环境下,对Living Optics采样编码孔径快照式高光谱相机与线扫描高光谱相机(Specim FX10e)进行了实验室对比测试。
实验旨在定量评估两种相机系统对已知材料光谱反射率(Spectral Reflectance)的真实还原能力,即比较其光谱保真度(Spectral Fidelity)。
为保证测试的准确性和可追溯性,实验采用了以下Spectralon光谱标准反射靶:
·掺铒(Erbium)Spectralon标准靶(序列号:EOAA01-1218-1666)
·掺钬(Holmium)Spectralon标准靶(序列号:HOAA01-0619-3406)
·2%反射率黑色Spectralon标准靶(序列号:02AA01-0720-4248)
·99%反射率白色Spectralon标准靶(序列号:99AA04-0920-4839)
在实验中,掺铒和掺钬Spectralon标准靶分别置于两台相机视场中心,并采用卤素光源(Halogen Illumination)进行均匀照明。
利用掺铒和掺钬材料已知且稳定的特征吸收峰(Absorption Features),分别对两种相机的光谱保真度进行评估,并采用以下两种方法对其光谱性能进行比较:
比较标准光谱库(Library Spectral Reflectance)中的参考光谱反射率与相机实际测量光谱之间的光谱角差异,用于评价测量光谱与标准光谱的整体一致性。
特征吸收峰的波长位置及吸收深度精度
对掺铒和掺钬标准反射靶已知特征吸收峰的中心波长位置和吸收深度进行分析,以评估相机对光谱特征的还原精度。
下表汇总了本次实验的测试结果。
其中,对于平均光谱角差(Mean Spectral Angle)和平均吸收峰位置误差(Mean Absorption Feature Position Error)两项指标而言,数值越小表示性能越好,其理论最优值均为0,即测量结果与标准参考数据完全一致。
反射光谱精度测试结果

在各自原始分辨率条件下,Living Optics相机的表现略优于Specim FX10e。需要注意的是,由于两种相机的光谱通道数量不同,因此光谱角差(SA)评价结果不能简单进行数值上的直接比较,两者之间存在一定差异是符合预期的。


为避免光谱重采样带来的误差,并实现不同光谱通道数量相机之间的直接比较,本实验以掺钬和掺铒Spectralon标准反射靶为对象,对其特征吸收峰的中心波长位置及吸收深度进行了分析。图中蓝色曲线为标准光谱库中的参考光谱,黄色曲线为各相机测量得到的掺钬和掺铒标准靶平均光谱。
对于吸收峰极小值位置而言,其理想评分为0nm,即测得的吸收峰位置与参考光谱完全一致;对于各项比值指标,其理想值为1.0,表示测量得到的吸收峰在深度和宽度方面均与参考光谱完全一致。



对于掺铒(Erbium)和掺钬(Holmium)标准反射靶,采用2%黑色Spectralon标准反射靶和99%白色Spectralon标准反射靶的测量光谱建立反射率转换关系。
对于Macbeth标准色卡(Macbeth ColorChecker),则采用其中黑色色块和白色色块的测量光谱进行反射率校正。
目标的反射率(Reflectance,R)按照以下公式计算:
R=(radiance-black)/(white-black)
其中:
·Radiance:目标测得的光谱辐亮度(Spectral Radiance)
· Black:黑色参考靶(2% Spectralon或Macbeth黑色色块)的光谱辐亮度
·White:白色参考靶(99% Spectralon或Macbeth白色色块)的光谱辐亮度
计算得到的反射率R为归一化后的相对反射率,用于消除光源强度和系统响应等因素的影响,从而实现不同目标之间的光谱比较与分析。
说明
这里的公式实际上是高光谱成像中最常见的两点反射率校正(Two-point Reflectance Calibration),其作用是利用黑、白参考目标对测量数据进行归一化:

其中:
·黑参考用于补偿暗电流、背景辐射和系统零点偏移。
·白参考用于校正光源强度、镜头透过率和相机响应。
经过该校正后,得到的反射率理论范围通常为0~1(或以0%~100%表示),能够更真实地反映目标材料本身的光谱特性,而不受照明条件变化的影响。


为了对光谱质量进行定量评价,本实验采用光谱角(Spectral Angle,SA)作为评价指标,对各系统采集的光谱数据进行比较。
具体而言,将各相机从Macbeth标准色卡各色块以及掺钬(Holmium)、掺铒(Erbium)
Spectralon标准反射靶中提取的光谱,与ASD FieldSpec 4光谱仪测得的参考光谱进行对比分析。
此外,还进一步评估了以下两项指标:
·各特征吸收峰极小值(吸收谷)中心波长与ASD FieldSpec 4参考光谱之间的偏差;
·各特征吸收峰的宽度和深度相对于ASD FieldSpec 4参考光谱的比值。
上述指标用于综合评价相机在波长精度、吸收峰还原能力以及整体光谱保真度方面的性能。两条光谱向量r和s之间的光谱角θ\thetaθ定义如下:

其中:
·r⋅s是这两个向量的点积。
·||r||和||s||分别表示两个光谱向量的欧几里得范数(Euclidean Norm),即向量的模长。需要指出的是,光谱角(Spectral Angle,SA)与参与计算的光谱向量通道数密切相关。
通常情况下,光谱通道数量越少(即光谱向量维度越低),越容易获得较小的光谱角值;相反,当光谱通道数量增加时,由于参与比较的数据维度更高,获得相同水平的低光谱角值会更加困难。
因此,在比较不同高光谱系统的光谱角结果时,应充分考虑各系统光谱通道数量和光谱采样方式的差异,避免仅依据SA 数值大小直接判断系统性能优劣。这样才能对不同系统的光谱保真度进行更加客观、合理的评价。


为了评估相机的波长精度(Wavelength Accuracy),本实验以掺钬(Holmium)和掺铒(Erbium)Spectralon标准反射靶为测试对象,将相机测得的各特征吸收峰极小值(吸收谷)中心波长与标准光谱库(Library Spectra)中的已知参考值进行比较。
通过计算两者之间的偏差,评估相机对光谱特征中心波长的测量精度。
吸收峰极小值位置偏差(Separation of Minima,SSS)定义如下:

其中:
·λ_measured表示测试光谱中该特征吸收峰极小值(吸收谷)对应的波长;
·λ_reference表示标准光谱库(Library)中对应特征吸收峰的参考波长。
吸收峰宽度比(Width Ratio,WWW)定义如下:
其中:
·width_measured表示测试光谱中特征吸收峰的半峰全宽(Full Width at Half Maximum, FWHM)
·width_reference表示标准光谱库中对应特征吸收峰的半峰全宽(FWHM)
吸收峰深度比(Depth Ratio,D)定义如下:
其中:
·depth_measured表示测试光谱中特征吸收峰的深度;·depth_reference表示标准光谱库中对应特征吸收峰的深度。



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指相机空间分辨率, 500万像素的面阵成像能力 |
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