Garantindo Fidelidade Espectral: Otimizando Qualidade de Câmeras Hiperespectrais

Imagem hiperespectral combina tanto imagem quanto espectroscopia. Existem muitas arquiteturas ópticas diferentes usadas para fazer sistemas hiperespectrais, mas o objetivo final é o mesmo — fazer uma imagem onde cada pixel na imagem contém informação de muitas bandas espectrais (muitas cores ou comprimentos de onda diferentes).

Fazer bons sistemas hiperespectrais não é fácil, mas, se você só tem 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 imageada por aquele 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-chave de qualidade depende de muitos fatores mas, em geral, os parâmetros mais importantes são:

• Desregistro espacial

• Desregistro espectral

• Luz dispersa (straylight)

• F#

• Função de resposta espectral

• Parâmetros do detector

• Estabilidade ambiental

Para avaliar o desempenho de um sistema hiperespectral, precisamos introduzir o termo point-spread function (PSF). Esta é a forma da curva de intensidade para a energia que atinge o detector através da óptica de uma fonte pontual.

Idealmente, em um sistema hiperespectral pushbroom, o amostragem espacial é a mesma para todas as bandas. Na realidade, isso nunca é verdade e resulta em desregistro espacial.

Para uma posição no FOV, a forma, tamanho e posição do centro de gravidade para o PSF devem ser os mesmos em todas as bandas. Um objetivo de design é tornar a forma e tamanho do PSF o mais similar possível para todas as posições no FOV. Em aplicações reais, o próprio desregistro espacial¹ e as diferentes fontes causando desregistro espacial² são de grande importância, e pode ser mostrado como diferenças em sua gravidade³ podem comprometer resultados de processamento de dados.

Desregistro espectral também é muito importante para a fidelidade espectral de um sistema hiperespectral. Como com desregistro espacial, a forma, tamanho e posição do PSF espectral é importante. Para evitar aliasing espectral, a largura do PSF deve ser mantida próxima a duas bandas espectrais, mas em muitas situações, ópticas mais nítidas que isso são preferidas.

Existem muitas razões para fazer ópticas nítidas por pixel e por banda. Para qualquer detector dado, com um dado pitch de detector, o espectrômetro de imagem sempre produzirá mais informação com ópticas nítidas. Por outro lado, amostrar o PSF com mais de um pixel dá mais informação sobre o PSF, mas para um detector dado, reduzirá a resolução do sistema. Qualquer sistema óptico dado sempre produzirá mais informação, quantos mais pixels você tiver por point spread function (PSF)⁴.

Existem muitos trade-offs ao decidir que sistema fazer — ou para o usuário, que sistemas comprar. A nitidez das ópticas é uma delas.

Outro parâmetro-chave de qualidade é o straylight do sistema óptico. Em geral, straylight é luz que atinge o detector de lugares onde não deveria. Isso pode ser devido a reflexões dentro da óptica, dispersão de superfícies ópticas, reflexões em superfícies mecânicas, e assim por diante. O efeito straylight também pode ser diferente para diferentes faixas espectrais. Não há padrão da indústria sobre como medir o straylight de sistemas hiperespectrais hoje e diferentes fornecedores fazem isso diferentemente.

A capacidade de captação de luz da óptica é geralmente 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 é requerido para ser muito sensível à luz. Este parâmetro pode variar em importância dependendo da plataforma. Se o sistema hiperespectral é implantado em uma aeronave ou em um ambiente industrial, velocidade é geralmente um parâmetro importante e um baixo F# é então muito importante para obter uma boa razão sinal-ruído (SNR) para toda a faixa espectral. Por outro lado, aplicações de laboratório tipicamente podem coletar mais luz usando taxas de captura de imagem mais lentas e integrando por mais tempo, o que permite mais flexibilidade na abertura.

Alto SNR para toda a faixa espectral é um parâmetro muito importante do sistema hiperespectral e quão alto o SNR é depende da função de resposta espectral do sistema todo. O SNR de pico apenas especifica o SNR máximo de uma banda próxima à saturação e, portanto, não dá a história completa. Também seria preciso saber qual é a eficiência quântica total do sistema todo como função do comprimento de onda. Para fornecer informação útil, a curva SNR precisa ser especificada para uma radiância de entrada dada e um tempo de integração/exposição dado (e operacionalmente realista/relevante).

O detector é uma parte importante de sistemas hiperespectrais e, em muitos casos, define o objetivo de design 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 onde a óptica é projetada para o detector e geralmente projetada para ser o mais nítida possível.

Para a faixa VNIR (400-1000nm) há muitos detectores disponíveis e o detector que faz mais sentido para o sistema óptico pode ser escolhido. Para ambas as faixas VNIR e SWIR, há muitos parâmetros do detector que são de grande importância. Estes são a capacidade de poço completo, piso de ruído, modos de leitura, velocidade de leitura, pitch de pixel, eficiência quântica como função do comprimento de onda, e muitos mais. O mercado de detectores está constantemente mudando, e é importante para fabricantes hiperespectrais manterem-se atualizados com o mercado de detectores para integrar os melhores detectores disponíveis.

Procedimentos e padrões de calibração usados (incluindo precisões) devem estar disponíveis para os usuários e ter calibração radiométrica rastreável a 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. É inútil ter um sistema perfeitamente calibrado saindo da fábrica se não é estável e válido após transporte e durante operações. Isso significa que a calibração espectral, radiométrica e geométrica deve ser estável dentro de diferentes temperaturas, pressões e sob vibrações pesadas, para garantir que o sistema fornecerá resultados repetíveis e confiáveis sob condições exigentes, como operações UAV.^5,6

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

Atualmente há uma ação para fazer um padrão comum para caracterizar câmeras hiperespectrais, organizada pela IEEE⁷. HySpex está apoiando e fortemente envolvida neste grupo, visando tornar as ofertas mais transparentes para usuários finais de sistemas de imagem hiperespectral.

Este artigo foi escrito por Trond Løke, CEO, Norsk Elektro Optikk, AS (Oslo, Noruega). Para mais informações, contate Este endereço de email está sendo protegido de spambots. Você precisa de JavaScript habilitado 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-characterization-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