高光谱成像

我们对视觉世界的感知与光和物质独特而特定的相互作用密切相关。这种相互作用随着物质组成和照明光物理特性的变化而变化。在实验室中，通过研究这种相互作用来了解物体的组成是光谱学的基础。在更简单的层面上，传统摄影通过宽带光与视网膜的相互作用提供了对视网膜结构的洞察，这种相互作用由模拟人类视锥细胞敏感度的三通道（红、绿、蓝）传感器检测，因此可以重现眼睛所看到的内容。虽然这种方法在临床上很有用，但其本质上受到限制。通过研究光与组织的波长特异性相互作用，可以获得关于视网膜结构的更详细信息。这对大多数临床医生来说很直观——绿色（无红色）滤光片通常用于裂隙灯生物显微镜检查以突出视网膜出血，部分原因是血液中的血红蛋白是绿光的强吸收体。高光谱成像是这种方法的延伸，它涉及在不同波长的光下获取一系列视网膜图像。以这种方式获取的高维信息有可能改变一系列眼部和全身疾病的生物标志物检测，并推进对病理生理学的理解。

高光谱成像起源于地理空间科学[1]，但经过几十年的发展，其应用已扩展到艺术保护[2]、食品质量与安全控制[3,4]、制药[5]、农业[6]、法医学[7,8]和医学[9,10]等领域。高光谱成像类似于传统摄影，然而它不是使用单一的宽带（白光）闪光，而是在连续的离散波长范围内捕获一系列图像。这些图像随后被堆叠以产生一个称为超立方体的三维数据集，该数据集由两个空间维度（x和y）和一个光谱维度（λ）组成（图1）[11]。超立方体中的每个位置或像素都有其自己的光谱特征（反射率作为波长的函数），指示其组成[12]，并且可以进一步分析以识别各个组分（称为端元）。

已经开发了多种高光谱成像方法[11,13,14,15,16]。由于成像传感器通常收集二维信息，而高光谱成像数据是三维的，因此两个维度是同时捕获的，而第三个维度是通过扫描获得的。空间扫描方法，通常称为推帚式扫描仪，涉及在空间维度上以“扫掠”运动逐点或逐行扫描。这通常导致低帧率和较长的采集时间[14]。