高光谱成像方法与3D可视化

高光谱成像是一种将常规成像和光谱学相结合，获取物体空间和光谱信息的技术。高光谱成像能够获取物体的空间信息和光谱信息，其成像结果可视为多个2D图像堆叠成的3D立方体。本文将探究高光谱成像的技术实现方式与结果的3D可视化。

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高光谱成像

技术实现方式

传统的成像方式只能获得二维的平面数据，而高光谱成像获得是三维数据，其成像方式也相应发生了改变，在发展过程中主要出现了四种方法：挥扫式（Whiskbroom）、推扫式（Pushbroom）、凝采式（Staring）以及快照式（Snapshot）。

图1、四种主要的高光谱成像方式 (a) 挥扫式 (b) 推扫式 (c) 凝采式(d) 快照式

这四种光谱成像方法在应用于生物组织分析时各有优缺点。没有“绝对”的最佳模式，不同场景适用的方式不同。但为了选择最适合给定生物医学应用的模式，必须考虑不同生物组织的特性和检测目标。一般来说，挥扫式和推扫式成像仪通常与显微镜配合使用，用于荧光和组织病理学分析。

图2、四种高光谱成像方式对比。来源：Review of spectral imaging technology in biomedical engineering

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高光谱成像结果

3D可视化

对目标物体进行高光谱成像，其成像结果为多张2D灰度图，将其按照光谱波长顺序堆叠在一起便可视为一个由2D图像构成的3D立方体（下文简称光立方），这些2D灰度图无法合成为一张图像，不便于分析和显示。

图3、RGB相机成像（左）高光谱成像（右）对比图

为了能够高效的对高光谱的成像结果进行分析，可视化高光谱成像的结果显得尤为重要。如下图，在光立方的XY轴平面上，数据是由X*Y个像素点构成的2D单通道灰度图像，光立方的Z轴代表光波长，光立方是由不同光波长成像出的2D单通道灰度图像构成的。光立方的可视化，即是对光立方中的大量2D灰度图像的可视化。

图4

光立方的可视化最直观的方式便是在3D空间中渲染出一个3D立方体，这个3D立方体中包含了光立方中的所有图像，观察分析员可在任意角度上观察这个3D立方体，这有利于观察分析员对光立方的整体进行查看和分析。

图5、高光谱成像的3D可视化示例

以上就是今天我们分享的部分知识。目前，高光谱成像的技术越来越完善，高光谱成像的实际应用也正在迅速发展。凭借灵敏度高且操作简单的优势，高光谱成像正在成为越来越多医学研究关注的重点，为疾病的发病机理、组织病变、疾病诊断与治疗、药物效果评价等研究方向提供了新的思路和方法。

关于高光谱成像，还有更多知识正在研究中，之后我们会继续就相关专业知识进行分享，感谢各位老师的持续关注，欢迎各位老师交流指导！

参考文献：

1. D·赫恩, M.P.巴克, W.R.卡里瑟斯. 计算机图形学（第四版）[M]. 北京:电子工业出版社, 2014.

2.拉斐尔·C·冈萨雷斯, 查理德·E·伍兹. 数字图像处理（第三版）[M]. 北京:电子工业出版社, 2017.