MV.C機(jī)器視覺高光譜成像系統(tǒng)及其應(yīng)用

高光譜成像技術(shù)是近些年來迅速發(fā)展起來的、一種全新的影像分析檢測技術(shù),它是集圖像傳感器、精密光學(xué)，精密機(jī)械、計(jì)算機(jī)信息處理技術(shù)于一體的綜合性技術(shù)。在高光譜數(shù)據(jù)采集過程中,成像光譜儀以納米級(jí)的光譜分辨率,以幾十或幾百個(gè)波段對(duì)檢測目標(biāo)成像,形成海量數(shù)據(jù)的數(shù)字影像集（也稱數(shù)據(jù)立方體Data Cube），實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的光譜信息、空間信息及輻射信息的同步獲取,因而在目標(biāo)檢測和目標(biāo)識(shí)別領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用價(jià)值和廣闊的發(fā)展前景。

高光譜成像相比傳統(tǒng)的影像技術(shù)有以下的優(yōu)點(diǎn)

在相應(yīng)的光譜范圍內(nèi)，具有上百個(gè)光譜通道的影像數(shù)據(jù)，影像上每一個(gè)像元的灰度值，按照波長排列都可以得到一條相應(yīng)的光譜曲線,真正實(shí)現(xiàn)了圖譜合一。較高的光譜分辨率，可反映目標(biāo)細(xì)微的光譜特征,使得對(duì)目標(biāo)的定量分析和化學(xué)分析成為可能。海量的光譜數(shù)據(jù)，配合以特定光譜分析算法，可實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)影像分析技術(shù)無法達(dá)及的分析結(jié)果。

當(dāng)前,高光譜成像及其應(yīng)用呈現(xiàn)如下發(fā)展態(tài)勢:成像光譜范圍從最初的可見光向近紅外、中紅外和熱紅外波段范圍拓展,其應(yīng)用領(lǐng)域從最初的礦物識(shí)別、環(huán)境監(jiān)視、植被分類、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)、軍事偵察逐漸向星球探測、天體物理以及食品安全、文物保護(hù)、法庭科學(xué)等領(lǐng)域拓展。高光譜圖像包含了豐富的光譜、空間和輻射等信息,且具有光譜接近連續(xù)、圖譜合一的特性,為復(fù)雜目標(biāo)分類識(shí)別和精細(xì)分析提供了可能。

高光譜成像技術(shù)想要在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用存在諸多的門檻，比如高光譜數(shù)據(jù)的獲得方式，以及三維影像立方體的海量數(shù)據(jù)，對(duì)分析算法、過程控制、計(jì)算機(jī)性能都有很高的要求，導(dǎo)致多年來高光譜成像技術(shù)多局限于實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用。眾所周知，機(jī)器視覺領(lǐng)域常用的黑白、彩色相機(jī)以及3D相機(jī)，它們都能實(shí)現(xiàn)對(duì)檢測目標(biāo)的實(shí)時(shí)分析和分類。但是，這對(duì)于具有海量信息的高光譜數(shù)據(jù)來講，無論是從它的數(shù)據(jù)傳輸，還是從它的分析算力方面，都是巨大的挑戰(zhàn)。

美國Headwall Photonics公司首次將光譜成像技術(shù)與機(jī)器視覺應(yīng)用結(jié)合起來，MV.C 實(shí)時(shí)分類的高光譜成像儀（如下圖）是美國Headwall公司專為生產(chǎn)流水線的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)高光譜檢測應(yīng)用，打造的一套完整的解決方案。

通過MV.C 內(nèi)置的機(jī)器學(xué)習(xí)算法，用戶可先采集檢測樣品的高光譜數(shù)據(jù)，與檢測樣品對(duì)應(yīng)的理化指標(biāo)建立對(duì)應(yīng)的關(guān)系，并對(duì)各類檢測樣本進(jìn)行訓(xùn)練學(xué)習(xí)，以交互的方式獲得監(jiān)督分類模型后，上傳分類模型到高光譜儀的模型庫中，MV.C 高光譜儀便能利用已有模型對(duì)流水線上的產(chǎn)品進(jìn)行快速的實(shí)時(shí)分析和分類。

在產(chǎn)業(yè)制造領(lǐng)域，MV.C 實(shí)時(shí)分類的高光譜成像儀將會(huì)開拓出嶄新的應(yīng)用市場，并為中國工業(yè)制造4.0添磚加瓦。

MV.C高光譜實(shí)時(shí)分類系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢

1)   像差校正型的凸面反射光柵，反射式光學(xué)設(shè)計(jì)，完全消色差，是高質(zhì)量光譜數(shù)據(jù)的保障；2)   嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，內(nèi)置高性能中央處理器(CPU)和圖形處理器 (GPU)，系統(tǒng)集成各個(gè)復(fù)雜功能于一體，配備專有的機(jī)器學(xué)習(xí)及實(shí)時(shí)分類軟件，將復(fù)雜的原始影像立方體，轉(zhuǎn)化為可操作的數(shù)據(jù)，配有雙網(wǎng)線接口可直接共享數(shù)據(jù)；3)   擁有IP67防護(hù)等級(jí)，能適應(yīng)嚴(yán)苛的工業(yè)環(huán)境，具有更高的可靠性和穩(wěn)定性。4)   Gig-E接口，Web UI，支持遠(yuǎn)程部署，可通過局域網(wǎng)共享分類模型。

以下是MV.C機(jī)器視覺高光譜成像儀在實(shí)際生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

示例一：如下圖，先進(jìn)行對(duì)樣本的學(xué)習(xí)，建立分類模型。然后導(dǎo)入分類模型后，把不同含糖量的柑橘用不同顏色標(biāo)記。

在線監(jiān)測不同含糖量的柑橘

示例二：組氨酸含量過高魚類，被食用后會(huì)導(dǎo)致中毒，所以在線檢測魚類中組氨酸的含量并加以區(qū)分就顯得非常重要。如下圖，是我們對(duì)一些含不同含量組氨酸的樣本魚進(jìn)行檢測后建立的模型，將該分類模型導(dǎo)入MV.C中后，即可對(duì)傳送帶上的大量魚肉進(jìn)行在線檢測和分類。

示例三：化妝品攪拌調(diào)和程度的過程監(jiān)控

圖中綠色光譜范圍是化妝品配方比例正確時(shí)的光譜區(qū)間，紅色譜線是正在攪拌中的化妝品配方比例反演的曲線，通過將測得的結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的反饋，不斷調(diào)控不同化學(xué)成分添加的比例，當(dāng)紅色的光譜曲線落入綠色的光譜范圍內(nèi)時(shí)，即是配方比例正確的時(shí)候。

根據(jù)不同的應(yīng)用需求，我們可建立各類的學(xué)習(xí)模型，如：肉制品評(píng)級(jí)，藥品組份比例，高分子材料分析分類，煙草品質(zhì)評(píng)級(jí)等模型，以及中藥劑攪拌混合的過程控制等。