Câmeras hiperespectrais e qualidade de dados

A imagem hiperespectral combina imagem e espectroscopia. Existem muitas arquiteturas ópticas diferentes que são usadas para fazer sistemas hiperespectrais, mas o objetivo final é o mesmo – fazer uma imagem em que cada pixel da imagem contenha informações de muitas bandas espectrais (muitas cores ou comprimentos de onda diferentes).

Fazer bons sistemas hiperespectrais não é fácil, mas, se você tiver apenas qualidade em mente, sua maior prioridade deve ser a fidelidade espectral em cada pixel – ou seja, o espectro capturado por um pixel é uma representação física real da cena fotografada por esse pixel específico . Existem muitos parâmetros-chave de qualidade que influenciam a fidelidade espectral de um sistema hiperespectral. A influência na fidelidade espectral dos diferentes parâmetros de qualidade-chave depende de muitos fatores, mas, em geral, os parâmetros mais importantes são:

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  Erro de registro espacial
  
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  Erro de registro espectral
  
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  Straylight
  
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  F#
  
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  Função de resposta espectral
  
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  Parâmetros do detector
  
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  Estabilidade ambiental
  

Para avaliar o desempenho de um sistema hiperespectral, precisamos introduzir o termo função de propagação de pontos (PSF). Esta é a forma da curva de intensidade para a energia que atinge o detector através da ótica de uma fonte pontual.

Idealmente, em um sistema hiperespectral de vassoura, a amostragem espacial é a mesma para todas as bandas. Na realidade, isso nunca é verdade e resulta em erros de registro espacial.

Para uma posição no FOV, a forma, o tamanho e a posição do centro de gravidade do PSF devem ser os mesmos em todas as bandas. Um objetivo do projeto é tornar a forma e o tamanho do PSF o mais semelhante possível para todas as posições no FOV. Em aplicativos da vida real, o próprio erro de registro espacial ¹ e as diferentes fontes que causam erros de registro espacial ² são de grande importância, e pode-se mostrar como as diferenças em sua gravidade ³ pode comprometer os resultados do processamento de dados.

O erro de registro espectral também é muito importante para a fidelidade espectral de um sistema hiperespectral. Assim como no erro de registro espacial, a forma, o tamanho e a posição do PSF espectral são importantes. Para evitar o aliasing espectral, a largura do PSF deve ser mantida próxima a duas bandas espectrais, mas em muitas situações, são preferíveis ópticas mais nítidas do que esta.

Há muitas razões para fazer ópticas nítidas por pixel e por banda. Para qualquer detector, com um determinado tom de detector, o espectrômetro de imagem sempre produzirá mais informações com ótica nítida. Por outro lado, amostrar o PSF com mais de um pixel fornece mais informações sobre o PSF, mas para um determinado detector, reduzirá a resolução do sistema. Qualquer sistema óptico sempre produzirá mais informações, quanto mais pixels você tiver por função de propagação de ponto (PSF) ⁴ .

Há muitas compensações ao decidir qual sistema fazer – ou para o usuário, quais sistemas comprar. A nitidez da ótica é uma delas.

Outro parâmetro de qualidade chave é a luz difusa do sistema óptico. Em geral, a luz difusa é a luz que chega ao detector de lugares onde não deveria. Isso pode ser devido a reflexões dentro da óptica, espalhamento de superfícies ópticas, reflexões em superfícies mecânicas e assim por diante. O efeito de luz difusa também pode ser diferente para diferentes faixas espectrais. Não existe um padrão da indústria sobre como medir a luz difusa dos sistemas hiperespectrais hoje e diferentes fornecedores fazem isso de maneira diferente.

A capacidade de captação de luz da ótica geralmente é um parâmetro muito importante (baixo F#). Quanto mais pixels espaciais e bandas espectrais no sistema, menos luz atinge cada pixel/banda. Isso significa que um sistema de imagem hiperespectral de alta resolução precisa ser muito sensível à luz. Esse parâmetro pode variar em importância dependendo da plataforma. Se o sistema hiperespectral for implantado em uma aeronave ou em um ambiente industrial, a velocidade geralmente é um parâmetro importante e um F# baixo é muito importante para obter uma boa relação sinal-ruído (SNR) para toda a faixa espectral. Por outro lado, os aplicativos de laboratório normalmente podem coletar mais luz usando taxas de captura de imagem mais lentas e integrando mais tempo, o que permite mais flexibilidade na abertura.

A SNR alta para toda a faixa espectral é um parâmetro muito importante do sistema hiperespectral e a SNR alta depende da função de resposta espectral de todo o sistema. O pico de SNR apenas especifica o máximo de SNR de uma banda que está próxima da saturação e, portanto, não fornece toda a história. Também seria necessário saber qual é a eficiência quântica total de todo o sistema em função do comprimento de onda. Para fornecer informações úteis, a curva SNR precisa ser especificada para uma determinada radiância de entrada e um determinado tempo/exposição de integração (e operacionalmente realista/relevante).

O detector é uma parte importante dos sistemas hiperespectrais e, em muitos casos, define o objetivo do projeto dos sistemas ópticos. A faixa espectral SWIR (900-2500nm) tem um número muito limitado de detectores disponíveis e o preço aumenta drasticamente com o aumento da contagem de pixels do detector. Este é um cenário em que a ótica é projetada para o detector e geralmente projetada para ser o mais nítida possível.

Para a faixa VNIR (400-1000nm) existem muitos detectores disponíveis e o detector que faz mais sentido para o sistema óptico pode ser escolhido. Tanto para a faixa VNIR quanto para SWIR, existem muitos parâmetros do detector que são de grande importância. Estes são a capacidade total do poço, piso de ruído, modos de leitura, velocidade de leitura, densidade de pixels, eficiência quântica em função do comprimento de onda e muito mais. O mercado de detectores está em constante mudança e é importante que os fabricantes hiperespectrais acompanhem o mercado de detectores para integrar os melhores detectores disponíveis.

Os procedimentos e padrões de calibração usados ​​(incluindo precisão) devem estar disponíveis para os usuários e ter calibração radiométrica rastreável aos padrões NIST ou PTB (ou similares) é, portanto, muito importante.

Qualquer sistema hiperespectral precisa manter uma calibração radiométrica e espectral estável e precisa fora de um ambiente controlado. De nada adianta ter um sistema perfeitamente calibrado saindo de fábrica se não estiver estável e válido após o transporte e durante as operações. Isso significa que a calibração espectral, radiométrica e geométrica deve ser estável em diferentes temperaturas, pressões e vibrações fortes, a fim de garantir que o sistema forneça resultados repetíveis e confiáveis ​​sob condições exigentes, como operações de UAV. ^{5, 6}

É muito difícil discriminar diferentes sistemas hiperespectrais das folhas de dados de nível superior dos fornecedores. Ao comparar sistemas de fabricantes diferentes (ou modelos diferentes do mesmo fabricante), um relatório detalhado especificando os parâmetros acima mencionados para aquele modelo de câmera específico deve ser fornecido pelo fornecedor. Além disso, é aconselhável solicitar dados de amostra de uma cena relevante para a aplicação do usuário.

Atualmente existe uma ação para fazer um padrão comum para caracterização de câmeras hiperespectrais, organizado pelo IEEE ⁷ . A HySpex está apoiando e fortemente envolvida neste grupo, com o objetivo de tornar as ofertas mais transparentes para os usuários finais de sistemas de imagem hiperespectrais.

Este artigo foi escrito por Trond Løke, CEO, Norsk Elektro Optikk, AS (Oslo, Noruega). Para mais informações, entre em contato Este endereço de e-mail está protegido contra spambots. Você precisa habilitar o JavaScript para visualizá-lo., ou visite aqui .

Referências

1. https://www.spiedigitallibrary.org/conference-proceedings-of-spie/8706/1/Resampling-in-hyperspectral-cameras-as-an-alternative-to-correcting-keystone/10.1117/12.2015491.short
2. https://www.spiedigitallibrary.org/journals/Optical-Engineering/volume-59/issue-08/084103/Spatial-misregistration-in-hyperspectral-cameras-lab-caracterização-and-impact/10.1117/1 .OE.59.8.084103.full?SSO=1
3. https://www.hyspex.com/keystone/
4. https://www.hyspex.com/sharp_optics_many_pixels/
5. https://www.hyspex.com/scientific_grade_uav/
6. https://www.hyspex.com/quality_vs620/
7. https://standards.ieee.org/project/4001.html