Spectricity 观点

高光谱 vs多光谱成像：理解差异，并为移动设备选择合适的技术

光谱成像正在改变各行业获取和分析不同波长光信息的方式。它使系统能够识别材料、检测细微的颜色差异，并获取精确的光谱数据，广泛应用于科研、遥感、质量检测、皮肤护理、医学影像以及智能手机等领域。这类技术相比传统 RGB 成像提供更深入的洞察，同时也在不断向更小型化与集成化发展。

在众多技术中，多光谱成像（MSI）与高光谱成像（HSI）是最常见的两种方法。两者都能提供先进的光谱信息，但在分辨率、数据复杂度以及移动和嵌入式设备的集成能力方面存在显著差异。

本文将解释多光谱与高光谱成像的区别，并说明为什么多光谱成像更适合高产量、嵌入式及快照式成像应用。

高光谱成像（HSI）解析

高光谱成像（HSI）能够在较宽的光谱范围内采集数百个连续且窄带的波长信息。典型系统可测量 100 至 300 多个通道，每个通道带宽较窄（约 5–20 nm），从而实现极高的光谱分辨率。然而，这也带来了更长的采集时间和更庞大的数据量。

HSI 系统通常依赖扫描技术，例如推扫式扫描（pushbroom）、可调滤波器或摆扫式（whiskbroom）传感器。这些系统通过逐行或逐通道扫描来获取数据，因此无法实现快照式成像，导致设备体积较大、速度较慢、系统复杂且成本较高，同时实时处理难度也显著增加。

高光谱成像主要用于科研、遥感、矿物分析、生物医学研究以及工业检测等领域，在这些场景中，最高精度比便携性更重要。

多光谱成像（MSI）解析

多光谱成像（MSI）采集的是较少数量、经过精心选择的通道，每个通道覆盖更宽的光谱范围。相比 RGB，相机具备更高的光谱分辨能力，同时仍可实现类似拍照的快照式采集。

早期多光谱成像系统通常采用滤光轮结构，而随着芯片级滤光技术的发展，例如有机滤光片或沉积在 CMOS 上的干涉滤光片，多光谱成像已可实现真正的快照模式。这种技术使系统具备小型化 、高可靠性 、低功耗、高成本效益、轻数据量的特性，并支持实时处理。

多光谱成像具备良好的可扩展性，非常适合大规模量产与消费级市场，例如：智能手机、消费电子、可穿戴设备、医疗与皮肤检测、机器人以及便携检测设备。

多光谱 vs 高光谱：对比分析

为了更直观地说明多光谱与高光谱的差异，本文通过概念示意图（图一）与比较表（表一）进行对比。这些图表展示了这些成像方法在光谱通道数量、资料复杂度，以及对不同应用的适用性方面的差异。

图 1 说明了不同光谱成像技术在所捕捉的通道数量及其连续性方面的差异。传统的 RGB 只捕捉三个宽广的色彩通道；多光谱使用有限数量的离散通道，以进行高效率的光谱分析；而高光谱则记录数百个狭窄且连续的通道，以提供丰富的细节。

表 1：多光谱与高光谱成像关键参数比较

如何选择合适的技术？

高光谱成像（HSI）与多光谱成像（MSI）皆能提供有价值的洞察，具体取决于应用情境。

当需要精细的材料辨识且资料量仍可控时，高光谱成像特别适用于科学研究、遥测及工业检测等领域。相较之下，多光谱成像则在需要装置小型化、高速运作与高可扩展性的情境中表现出色，例如智慧型手机、消费性电子、机器人、无人机或可携式检测工具。

多光谱的快照式成像能力，也就是在不需扫描的情况下同时捕捉多个通道，使其能在紧凑系统中实现真正的即时性能。这也使其成为行动与嵌入式装置的首选技术。

最终，在高光谱与多光谱之间的选择取决于您的应用需求、性能规格与预算。在选择技术之前，应评估系统对光谱细节程度、空间解析度、资料量、处理速度、整合限制以及预算的需求。透过这样的评估，能帮助您判断哪种成像方式最符合您的技术目标、操作需求与成本考量。

Spectricity 的解决方案：将多光谱技术带入日常设备

Spectricity 的技术将实验室级的光谱精度与可规模化的小型化集成相结合。

S1 多光谱图像传感器在可见光谱范围内具备 15 个通道，平均带宽为 34 nm（FWHM），并拥有 864 x 648 的 SVGA 空间分辨率。Spectricity 采用其专利的法鉑腔精密滤波技术，该技术基于法布里–珀罗干涉原理，通过精密设计的多层结构选择性地透过特定波长。这一设计在微型化尺寸中实现了卓越的光谱与空间性能，同时兼具长期稳定性与芯片级可制造性。它使多光谱成像能够以高性能、低成本的方式应用于智能手机、可穿戴设备以及测量仪器中。

图 2 所示的 Spectricity S1 产品线旨在实现便捷集成与应用开发：

• S1 VIS 多光谱图像传感器：小型化、可大规模生产的多光谱图像传感器，在 400–700 nm 可见光范围内具备 15 个通道。
• S1-M VIS 摄像头模组：配备定制光学组件和板载存储器的紧凑型模组，可实现校准后的光谱采集。
• S1-A VIS 附件设备：可通过 USB 连接的便携式设备，提供即插即用的多光谱成像。
• S1-EVK2b VIS 评估套件：采用双摄像头系统，结合 S1-M 与 RGB 传感器，并配备英伟达 Jetson 用于开发。

结论

多光谱成像（MSI）与高光谱成像（HSI）都扩展了我们观察与测量光的方式，但在现代成像应用中各自扮演着不同的角色。

高光谱成像（HSI）为科研、材料分析及遥感提供了极高的光谱精度；而多光谱成像（MSI）则为嵌入式及大规模应用设备提供了紧凑、高效且可扩展的性能。多光谱的快照式成像能力可在无需扫描的情况下同时捕捉多个通道，实现实时成像，非常适用于智能手机、消费电子、机器人以及工业视觉系统等应用。

在选择高光谱或 多光谱之前，应综合考虑项目在光谱细节、空间分辨率、数据规模、处理需求、系统集成限制以及预算等方面的要求，以在性能、可扩展性与成本之间取得最佳平衡。

常见问题

更多资源

• 什么是多光谱成像 (MSI)？
• Spectricity 推出 S1-A 附件设备，用于移动平台上的即插即用光谱成像

探索 Spectricity 的多光谱成像解决方案如何革新您的下一代设备。了解更多关于我们产品的信息，或联系我们获取演示。关注 Spectricity 的微信公众号（扫描二维码：spectricitychina）了解更多信息。

by Tiffany Wu

什么是多光谱成像 (MSI)？

超越普通相机捕捉的传统红、绿、蓝（RGB）三色光谱，存在着一个等待被揭示的隐藏信息世界。多光谱成像（Multispectral Imaging, MSI）是一项强大的技术，它能够让我们看见肉眼无法察觉的细节，并从中提取有价值的数据。这些数据可广泛应用于各个领域，从工业应用中的精准颜色匹配、化妆品与护肤分析，到农业生长与健康监测，甚至是医疗诊断的深度检测。虽然该技术已经存在多年，但直到最近，随着价格相对较实惠的快照式多光谱图像传感器出现，它才真正走向更广泛的市场。

在本文中，我们将介绍什么是多光谱成像、它的工作原理与主要应用场景，并探讨企业如何开发紧凑型、高性能的快照式多光谱成像解决方案。

什么是多光谱成像？

多光谱成像（MSI）是一种在电磁波谱的多个特定波段范围内捕获并分析图像的技术。正如图 1 所示，相较于只能捕捉红、绿、蓝三色波段的常规 RGB 相机，多光谱成像能够为图像中的每一个像素记录多个光谱数据点。

打个比方，这就像是戴上了一组专门调校的”彩色眼镜”，每副眼镜都能让你看见隐藏的细节。以 Spectricity 的 S1 多光谱图像传感器为例，它支持 15 个独立颜色通道，覆盖 400 nm 到 700 nm 波段。这些丰富的数据能实现更精确的分析、识别，以及先进的 AI 算法开发，这些都是普通 RGB 相机无法做到的。

多光谱成像的原理：技术解析

实现快照式多光谱成像

理解多光谱成像的定义只是第一步，更重要的是了解它背后的技术和其演变——从过去缓慢、依赖机械的系统，到如今快速、紧凑的快照式解决方案。

传统的多光谱成像方法需要依次改变入射光并拍摄多张图像，再将其组合成一幅完整的光谱图。例如，滤光轮成像会旋转一个窄带滤光片的轮盘，为每个滤光片分别拍摄图像。又如，棱镜或光栅会将光线分解为多个波长，并通过机械扫描来重建完整光谱图像。这些方法不仅速度慢，还依赖昂贵的光学元件和笨重的机械结构，难以应用于移动或手持设备。同时，高昂的成本也阻碍了其在消费级市场的普及。

要让多光谱成像真正走向大众市场，快照式多光谱成像是关键。目前，能实现光谱分离并以小巧低成本方案捕捉实时图像的主要技术有两种：有机彩色滤光片和干涉滤光片。这两种方案都基于标准 CMOS 图像传感器，在像素级别集成静态光学滤光片。这种设计以部分空间分辨率换取光谱分辨率，同时保持高速、低成本和小型化的优势，使多光谱成像能够集成至日常设备。

有机彩色滤光片

有机彩色滤光片利用特殊设计的染料材料，选择性吸收特定波长，并允许其他波长通过。通过化学合成，这些染料的吸收光谱可以被精确调控，以满足多光谱成像所需的自定义光谱带宽。此类滤光片可以较为容易地沉积到传感器表面，因此在部分成像应用中具备成本优势。

然而，有机彩色滤光片的光谱响应非常宽（>100 nm），需要大量数据处理来提取详细的光谱信息，这限制了其在多光谱成像中的应用。此外，滤光片在一致性和长期稳定性上也存在挑战，因为有机化合物会随时间逐渐老化。因此，虽然有机滤光片适用于基础的颜色分离，但在进阶的多光谱成像应用中表现仍不足。

干涉滤光片

干涉滤光片（例如基于法布里–珀罗干涉原理的滤光片）通过精确设计的多层结构实现光谱分离。通过控制这些叠层的厚度，可以选择性地通过特定波长，同时阻挡其他波长。

与有机滤光片相比，这种方法可实现更高的光谱分辨率、更优的稳定性及更出色的光谱重建能力。同时，干涉滤光片能够在芯片上集成，适合大规模量产，非常适合用于移动和消费电子领域的高性能多光谱图像传感器。

Spectricity 的法鉑腔精密滤波技术

Spectricity 的多光谱图像传感器在 CMOS 图像传感器上采用独特且已获专利的法鉑腔精密滤波技术，并以马赛克形式分布（见图 2）。Spectricity 通过控制 CMOS 传感器上滤光层的厚度来决定滤光片的中心波长，从而使每个像素都具备窄带光谱响应。该技术可扩展并适配于任何图像传感器，将多光谱成像带入超小型化领域。

多光谱成像的核心应用

多光谱成像（MSI）突破了传统摄影的限制，能够捕捉超越 RGB 相机的隐藏信息。这项强大的技术已经在多个领域展现出巨大价值，帮助人们做出更精准的决策并获得更深入的洞察。

• 颜色匹配：移动设备的精准取色与自动白平衡（AWB）高级校正
• 食品与农业：植物生长与健康监测、食品新鲜度与质量检测、物种分类
• 医疗：伤口愈合监测、糖尿病足溃疡预防、皮肤癌检测
• 安全与监控：隐匿物检测、伪造文件识别、闭路监控
• 美妆与健康：精准肤色检测、基于生物标志物的皮肤分析、个性化护肤方案

图 3 展示了多光谱成像在护肤场景的应用。借助 Spectricity 的多光谱成像与先进 AI 算法，用户可以获得个性化的护肤建议，包括肤色及全面的皮肤生物标志物图谱（如黑色素、血容量、皮肤含氧量）。这有助于用户快速找到合适的化妆品，并能识别诸如黑眼圈等皮肤问题。

面向移动设备的紧凑型多光谱成像

随着移动多光谱成像的潜力日益显现，Spectricity 等公司正引领这一技术的普及。Spectricity 专注于为移动设备开发可小型化量产的多光谱成像解决方案，其产品包括（见图 4）：

• S1 多光谱图像传感器：全球首款真正实现小型化，且可大规模生产的多光谱图像传感器，具备 15 个通道的高光谱分辨率，覆盖 400 nm–700 nm。
• S1-M 摄像头模组：紧凑型摄像头模组，包括专门设计的摄像头、板载内存和多光谱图像传感芯片S1，经过生产校准，可实现更加准确一致的光谱响应。
• S1-EVK2b 评估套件：由共同封装的 S1-M 多光谱摄像头模组和 RGB 摄像头模组组成的双相机单元，套件内附有 NVIDIA Jetson 处理器，用于应用程序开发。
• S1-A 附件设备：配备 S1-M 摄像头模组的便携式设备，可通过简单的 USB 接口连接与移动设备无缝配对，以实现数据采集和应用程序开发的目的。

结论：多光谱成像——超越可见范围的感知

总结来说，多光谱成像（MSI）突破了传统 RGB 的限制，通过捕捉特定波长的光，揭示隐藏的数据。随着快照式多光谱成像的出现，这一技术已从笨重、昂贵的系统，发展为可集成于移动设备的小型化、低成本解决方案。

以 Spectricity 的微型化方案为代表，多光谱成像通过独特的滤光技术直接集成到传感器上，为工业、医疗、美妆等领域提供更丰富的洞察力。随着移动多光谱成像的普及，这项技术将为日常设备注入新能力，推动更智能的决策与创新应用。

常见问题

更多资源

• Spectricity 推出 S1-A 附件设备，用于移动平台上的即插即用光谱成像
• Spectricity 在移动设备上展示基于多光谱技术的人工智能皮肤分析

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by Tiffany Wu