多光谱摄影  

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多光谱摄影 

使用普通数码相机拍摄的光谱大约在 400 到 750 nm 之间,大致对应于人类视觉范围的感知极限。由于人类视觉系统通常用视网膜中三种不同类型的感光器记录颜色(即不同的波段),普通数码相机的设计也是如此,记录三种“原色”(对我们人类而言)红色、绿色和蓝色的方式接近人类视觉系统的灵敏度。

人眼对不同波长的敏感度实际上并不像上述过度简化所暗示的那样明确。例如,人类视网膜中三种(或偶尔四种)不同类型的视锥细胞在光谱灵敏度方面有很大的重叠,以及整个视网膜的不同地形分布和密度。由于周围神经系统和中枢神经系统都进行了大量的后处理,因此人类视觉系统实际上可以将三种“原色”及其各自的波段区分开来。这可能涉及来自不同锥体类型的信号水平的对立以及神经系统在执行此后处理时做出的许多“假设”。

当然,其他生物通常通过对不同波长范围敏感的光感受器来感知光,而它们的神经系统则以与人脑不同的方式处理眼睛和其他光敏器官记录的数据。例如,许多鸟类拥有四种对不同波段敏感的光感受器。因此,他们的视觉与我们的完全不同,并且在涉及颜色歧视方面可能比我们的更丰富。

某些眼睛类型的光学系统也可能与我们的截然不同。例如,某些介形甲壳类动物使用的反射镜更类似于镜面望远镜,而不是我们的眼睛。存在不同类型的复合眼睛,具有非常不同的成像能力。一些口足类甲壳类动物(螳螂虾)被认为利用眼睛的特殊区​​域在单眼内实现三维视觉,使每只眼睛都能将注意力集中在单独的猎物或威胁上,并另外检测光的偏振到不同的波长。即使我们的眼睛与我们的眼睛相似,不同类型的神经系统可以从记录的场景中提取出截然不同的信息量,因此必须将神经系统视为视觉系统的一个组成部分。

多光谱成像使用照相机和摄像机记录不同波段的图像,有时,与人眼不同的波长。例如,多光谱相机可以将可见光谱细分为比人类视觉系统感知的三种颜色更多的“主要”颜色或信息通道。例如,如果有足够多的通道,就可以对行星表面的成分进行准确的远程分析,而无需在那里放置探测器。多光谱成像的另一个用途是记录人类视觉范围之外的波长。这在天文学、空间探索和遥感中也很常见。热红外传感只是日常用于救援、警察和军事行动的应用之一。高光谱成像是一个密切相关的术语,它似乎与多光谱成像的主要区别在于使用范围非常广泛的电磁辐射(例如,光和雷达)。

一个常见的误解是,仅多光谱成像或多光谱摄影就可以让我们模拟和理解能够感知与人类不同波段的辐射的生物体的视觉。由于上述因素,仅靠多光谱成像甚至无法开始模拟其他物种的视觉。它只是让我们粗略地了解所讨论的物种可以感知哪些原色。另一方面,多光谱成像在其他几种情况下非常有用。

多光谱成像并不是科学家和军方的唯一领域。消费类数码相机的传感器对近紫外 (NUV) 和近红外 (NIR) 具有固有的灵敏度,这被 NUV 和 NIR 截止内部滤波器抑制,使这些相机的光谱响应类似于人眼的光谱响应。通过去除这些滤光片,普通数码相机的灵敏度可以扩展到可见光范围附近的带宽。然而,这需要使用能够在这些范围内成像的镜头,以及将这些范围与可见光分开并将它们细分为有用子范围的过滤器。

实际上,NUV 范围大致对应于 UV-A 范围(300-400 nm)。然而,除了根据定义,NUV 和 NIR 范围与可见光范围相邻之外,没有标准的、普遍接受的定义。

移除放置在相机传感器前面的 NUV 和 NIR 截止滤波器是非常可行的。在某些相机中,包括带光学取景器的数码单反相机,必须用类似厚度的 NUV 和 NIR 透明窗口替换此滤镜,以允许通过取景器对焦。在无反光镜相机和具有实时取景功能的相机中,可以简单地移除滤镜,尽管这通常会阻止使用专用相机镜头聚焦到无限远。通过这种方式,现代数码相机的灵敏度通常可以扩展到大约 300 到 1,100 nm 之间的波段。专用紫外线摄像机通常使用没有拜耳滤光片(将可见光分成三基色)和微透镜(增加对光的敏感度,但通常会吸收 UV-B 辐射)的传感器。有时,这些摄像机使用“裸” 传感器不受玻璃窗保护。这些摄像机将其成像能力扩展到 200 nm 甚至更短的波长。

然而,多光谱图像被记录下来,它必须是人眼可见的,以便进行视觉解释。无法向人眼显示同时具有超过三种原色及其所有可能组合的图像。如果记录的数据包含三种以上的基色,则最多可以显示其中的三种。这些原色中的每一个,或信息通道,都必须重新映射(实际上,重新着色)为人眼可见的原色之一。这允许将三种颜色混合成所有可感知的组合(或者至少,在当前的计算机显示器上,相当大的子集和所有可感知的颜色和阴影的近似值)。如果必须在单个图像中组合三个以上的通道,则必须减少或消除一些其他信息,如强度和颜色范围。例如,人们可能会考虑将紫外线通道重新映射到可见紫光,并将原始图像中的可见光重新映射到其红色、绿色和蓝色分量。只要红色、绿色和蓝色通道不结合产生紫罗兰色,就可以正常工作。但是,如果可见范围图像的给定像素中的红色和蓝色通道都包含相似的、高于零的亮度,则红色和蓝色的混合将产生无法与重新映射的紫外线区分开来的紫色。

出于同样的原因,可以在不丢失信息的情况下将紫外线重新映射为蓝色,将红外线重新映射为红色,但如果我们还想包括可见光,则必须将其所有通道(原始红色、绿色和蓝色)重新映射到剩余的未使用通道通道,在这种情况下是指绿色通道。再举一个例子,如果我们有一个包含三个独立通道的多光谱图像,都在可见的绿色区域(例如,这样的图像可用于植被类型和健康的遥感),我们可以重新映射其中一个通道为蓝色,另一个为绿色,第三个为红色,并使所有这些通道在同一个假色图像中可见。

更复杂的重新映射类型是可能的。例如,可见原色之一可用于显示多光谱图像的两个记录通道之间的差异(或其他数学运算)。任何类型的颜色重新映射都会导致伪彩色图像,这可能很容易在视觉上解释或完全“陌生”并且对于未经训练的观看者来说是无法理解的。再举一个例子,在下面的论文中,我将反射 IR 和透射 IR 中记录的图像组合成假彩色图像:

  • Savazzi, E. & Sasaki, T. (2013):在近紫外、可见光和近红外辐射下对陆地蜗牛壳的观察。软体动物研究杂志。doi: 10.1093/mollus/eys039

此处介绍了使用 Photoshop Elements 将多光谱图像重新映射为假彩色合成的实用程序。我还推荐了同一作者关于昆虫视觉的这个页面

理想情况下,用于多光谱摄影的镜头应该在整个感兴趣的光谱范围内传输辐射,并且另外将所有感兴趣的波长同样好地聚焦到传感器上。没有真正的镜头可以做到后者(尽管仅使用反射镜而没有折射镜头的光学系统可以接近这个目标)。普通相机镜头是消色差的,即它们可以正确聚焦在两个不同的波长上。在这些波长之间以及在它们之外,光在不同程度上未聚焦。这称为轴向色差。不同的波长也聚焦到图像外围区域中传感器的不同位置。这称为横向色差。消色差镜头完全有可能(而且实际上非常普遍)仅校正一种类型的色差,或以不同的程度和不同的波长校正这两种类型。通常,相机镜头的设计目的是校正横向色差,而轴向色差更多地未校正,因为后者在正常使用中会被镜头的景深所掩盖。

复消色差透镜在三个不同的波长上校正横向色差,在四个波长上校正超消色差透镜。它们通常比消色差透镜贵得多。一些镜头品牌使用“复消色差”、“复消色差”和“复消色差”这些名称更多地是作为营销噱头,而不是作为真实设计参数的声明。另一方面,显微镜物镜上的“apo”面额通常更符合事实。真正的复消色差和超消色差透镜通常在其设计波长范围内具有优势。然而,原则上,在远超出设计范围的波长下,复消色差或超消色差透镜完全有可能比消色差透镜具有更差的色差校正。

尼康 UV Nikkor 105 mm f/4.5 和Jenoptik CoastalOpt 60 mm f/4等专用镜头非常适合多光谱摄影,因为它们在宽光谱范围内仅显示少量色差。其他镜头类型,如UV Rodagon 60 mm f/4.5,适用于更窄的光谱。许多“偶然”的紫外线镜头可以通过大幅缩小光圈来减少轴向色差。几个额外的镜头可用于记录更受限制的光谱。

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图 1. 近紫外线、可见光和近红外线下的活蜗牛。

用普通相机记录多光谱图像时,通过安装在镜头上的不同类型的滤光片拍摄一​​组照片来记录不同的波段。这意味着只能记录静态主题。相机、光源、漫射器/反射器和主体必须安装在刚性支架上,并且必须在图像之间保持恒定的相对位置和方向。除非绝对必要,否则不应重新聚焦镜头,因为这通常会导致图像放大倍率发生轻微变化,从而导致不同波段拍摄的图像无法正确重叠。镜头光圈和照明也应保持恒定。可以通过改变曝光时间或使用电子闪光灯手动调整闪光灯功率输出来调整曝光。当然,这些技术并非适用于所有对象,可能需要妥协。例如,在记录活蜗牛时(图 1),我没有切实可行的方法来强制蜗牛保持相同的位置,在这种情况下,根本不可能将不同的图像组合成一张合成图像。红外图像(最右侧)显示了蜗牛地幔穿过外壳的解剖细节(“静脉”图案和气泡),在紫外和可见光图像中无法检测到。

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Thorlabs FB340-10 滤光片,335-345 nm NUV-pass。
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Asahi Spectra XRR0340 滤光片,295-370 nm NUV-pass。
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Baader U 滤光片,330-370 nm NUV-pass。
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舒勒紫外线过滤器,350-400 nm NUV-pass。
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黑白 486 滤镜,可见。
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>850 nm 近红外通滤光片。
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>1,000 nm 近红外通滤光片。
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重新映射 330-370 nm(红色)、325-345 nm(绿色)、330-370 nm(蓝色)。
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重新映射 315-375 nm(红色)、330-370 nm(蓝色)。
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重新映射 335-345 nm(绿色)、330-370 nm(蓝色)。

图 2 显示了兰花(蝴蝶兰sp.) 带有四种类型的紫外线通过滤光片,一个仅透射可见光的紫外线和红外线截止滤光片,以及两个红外线通过滤光片。滤光片的透射带只是近似值,并不能反映记录图像中光谱分布的实际峰值,它受几个附加因素的影响。图 2H 中的假彩色图像使用三个通道并在一些花瓣的周边显示色晕,这是由所用镜头的横向色差引起的,也可能是由于拍摄对象在连续拍摄之间的轻微移动造成的。仅涉及两个通道的假色重映射(图 2I、J)也显示了不同波段的吸收差异,尽管部分重叠。通常很难用宽带滤波器清楚地识别记录在不同颜色通道中的波段。如果不希望相邻频带之间有重叠,则可以使用窄频带的带通滤波器来记录图像。

由于每种感测器类型的光谱灵敏度不同,使用宽带滤波器记录的上述一些图像(尤其是图 2B)显示了在不同颜色通道中记录的不同信息。这些图像可以分成单独的通道,每个通道可以单独处理和重新映射。

与具有统一颜色花瓣的兰花不同,这种兰花在紫外线图像中通常不那么有趣,而该物种/品种在可见光和紫外线图像中显示出明显不均匀的颜色图案。可见图像中的红色斑块对应于某些 UV 波长的选择性高吸收和其他 UV 波长的选择性低吸收(实际上,图案的反转)。作为典型的花朵,在红外图像中看不到任何图案,这可能是因为在近红外区域似乎没有昆虫具有视觉能力(尽管有些昆虫确实具有中红外或远红外传感器)。较长的 NIR 波长(1,000 nm 及以上,与 850-950 nm 相比)更具穿透力,并导致外观略为半透明。

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6月 ago

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