Memastikan Fidelitas Spektral: Mengoptimalkan Kualitas Kamera Hiperspektral
Citra hiperspektral menggabungkan citra dan spektroskopi. Ada banyak arsitektur optik yang berbeda yang digunakan untuk membuat sistem hiperspektral, tetapi tujuan akhirnya sama — untuk membuat citra di mana setiap piksel dalam citra berisi informasi dari banyak band spektral (banyak warna atau panjang gelombang yang berbeda).
Membuat sistem hiperspektral yang baik tidak mudah, tetapi, jika Anda hanya memikirkan kualitas, prioritas tertinggi Anda harus menjadi fidelitas spektral di setiap piksel – yaitu spektrum yang ditangkap oleh satu piksel adalah representasi fisik aktual dari scene yang dicitrakan oleh piksel tersebut. Ada banyak parameter kualitas kunci yang mempengaruhi fidelitas spektral dari sistem hiperspektral. Pengaruh pada fidelitas spektral dari parameter kualitas kunci yang berbeda bergantung pada banyak faktor tetapi, secara umum, parameter yang paling penting adalah:
Untuk mengevaluasi performa sistem hiperspektral, kita perlu memperkenalkan istilah point-spread function (PSF). Ini adalah bentuk kurva intensitas energi yang mengenai detektor melalui optik dari sumber titik.
Idealnya, dalam sistem hiperspektral pushbroom, pemetaan spasial sama untuk semua band. Dalam kenyataan, ini tidak pernah benar dan menghasilkan pencitraan spasial yang salah.
Untuk satu posisi dalam FOV, bentuk, ukuran, dan posisi titik berat PSF harus sama di semua band. Tujuan desain adalah untuk membuat bentuk dan ukuran PSF se-sama mungkin untuk semua posisi dalam FOV. Dalam aplikasi dunia nyata, pencitraan spasial yang salah itu sendiri1 dan sumber yang berbeda yang menyebabkan pencitraan spasial yang salah2 sangat penting, dan dapat ditunjukkan bagaimana perbedaan dalam gravitasi3 dapat merusak hasil pemrosesan data.
Pencitraan spektral yang salah juga sangat penting untuk fidelitas spektral dari sistem hiperspektral. Seperti dengan pencitraan spasial yang salah, bentuk, ukuran, dan posisi titik berat PSF spektral penting. Untuk menghindari aliasing spektral, lebar PSF harus dijaga dekat dengan dua band spektral, tetapi dalam banyak situasi, optik yang lebih tajam daripada ini dipilih.
Ada banyak alasan untuk membuat optik yang tajam per piksel dan per band. Untuk detektor yang diberikan, dengan lebar detektor yang diberikan, spektrometro citra akan selalu menghasilkan lebih banyak informasi dengan optik yang tajam. Di sisi lain, menyampel PSF dengan lebih dari satu piksel memberikan lebih banyak informasi tentang PSF, tetapi untuk detektor yang diberikan, ini akan mengurangi resolusi sistem. Sistem optik yang diberikan akan selalu menghasilkan lebih banyak informasi, semakin banyak piksel yang Anda miliki per fungsi penyebaran titik (PSF)4.
Ada banyak trade-off saat memutuskan sistem apa yang akan dibuat – atau bagi pengguna, sistem mana yang akan dibeli. Ketajaman optik adalah salah satunya.
Parameter kualitas kunci lainnya adalah straylight dari sistem optik. Secara umum, straylight adalah cahaya yang mencapai detektor dari tempat di mana tidak seharusnya. Ini dapat disebabkan oleh refleksi di dalam optik, penyebaran dari permukaan optik, refleksi pada permukaan mekanis, dan seterusnya. Efek straylight juga dapat berbeda untuk rentang spektral yang berbeda. Tidak ada standar industri tentang cara mengukur straylight sistem hiperspektral saat ini dan berbagai supplier melakukannya secara berbeda.
Kemampuan pengumpulan cahaya optik biasanya merupakan parameter yang sangat penting (F# rendah). Semakin banyak piksel spasial dan band spektral dalam sistem, semakin sedikit cahaya yang mencapai setiap piksel/band. Ini berarti sistem citra hiperspektral resolusi tinggi harus sangat sensitif cahaya. Parameter ini dapat bervariasi dalam pentingnya tergantung pada platform. Jika sistem hiperspektral diterapkan pada pesawat atau di lingkungan industri, kecepatan biasanya merupakan parameter yang penting dan F# rendah sangat penting untuk mendapatkan rasio sinyal-kebisingan (SNR) yang baik untuk seluruh rentang spektral. Sebaliknya, aplikasi laboratorium biasanya dapat mengumpulkan lebih banyak cahaya dengan menggunakan kecepatan tangkapan citra yang lebih lambat dan dengan mengintegrasikan lebih lama, yang memungkinkan lebih banyak fleksibilitas pada lubang.
SNR yang tinggi untuk seluruh rentang spektral adalah parameter yang sangat penting dari sistem hiperspektral dan seberapa tinggi SNR tergantung pada fungsi respons spektral dari seluruh sistem. Puncak SNR hanya menentukan SNR maksimum dari band yang dekat ke saturasi dan oleh karena itu tidak memberikan seluruh cerita. Seseorang juga perlu mengetahui efisiensi kuantum total dari seluruh sistem sebagai fungsi panjang gelombang. Untuk memberikan informasi yang berguna, kurva SNR perlu ditentukan untuk radiansi input yang diberikan dan waktu integrasi/eksposur yang diberikan (dan operasional realistis/relevan).
Detektor adalah bagian penting dari sistem hiperspektral dan, dalam banyak kasus, menentukan tujuan desain sistem optik. Rentang spektral SWIR (900-2500nm) memiliki jumlah detektor yang sangat terbatas dan harga meningkat secara drastis seiring bertambahnya jumlah piksel detektor. Ini adalah skenario di mana optik dirancang untuk detektor dan biasanya dirancang untuk se tajam mungkin.
Untuk rentang VNIR (400-1000nm) ada banyak detektor yang tersedia dan detektor yang paling masuk akal untuk sistem optik dapat dipilih. Untuk rentang VNIR dan SWIR, ada banyak parameter detektor yang sangat penting. Ini adalah kapasitas penuh, lantai kebisingan, mode baca, kecepatan baca, lebar piksel, efisiensi kuantum sebagai fungsi panjang gelombang, dan banyak lagi. Pasar detektor terus berubah, dan penting bagi produsen hiperspektral untuk mengikuti pasar detektor untuk mengintegrasikan detektor terbaik yang tersedia.
Prosedur kalibrasi dan standar yang digunakan (termasuk akurasi) harus tersedia bagi pengguna dan memiliki kalibrasi radiometrik yang dapat ditelusuri ke standar NIST atau PTB (atau serupa) adalah, oleh karena itu, sangat penting.
Sistem hiperspektral apa pun perlu mempertahankan kalibrasi radiometrik dan spektral yang stabil dan akurat di luar lingkungan yang dikontrol. Ini sia-sia memiliki sistem yang sempurna dikalibrasi yang keluar dari pabrik jika tidak stabil dan valid setelah transportasi dan selama operasi. Ini berarti kalibrasi spektral, radiometrik, dan geometris harus stabil dalam suhu, tekanan, dan getaran yang berbeda, untuk memastikan sistem akan memberikan hasil yang dapat diulang dan andal dalam kondisi yang menuntut, seperti operasi UAV.5,6
Sangat sulit untuk membedakan sistem hiperspektral berbeda dari datasheet tingkat atas supplier. Saat membandingkan sistem dari produsen yang berbeda (atau model yang berbeda dari produsen yang sama), laporan detail yang menentukan parameter yang disebutkan untuk model kamera tertentu harus disediakan oleh supplier. Selain itu, disarankan untuk meminta data sampel dari scene yang relevan untuk aplikasi pengguna.
Saat ini ada tindakan untuk membuat standar umum untuk karakterisasi kamera hiperspektral, yang diatur oleh IEEE7. HySpex mendukung dan terlibat dalam kelompok ini, bertujuan untuk membuat penawaran lebih transparan bagi pengguna akhir sistem citra hiperspektral.
Artikel ini ditulis oleh Trond Løke, CEO, Norsk Elektro Optikk, AS (Oslo, Norwegia). Untuk informasi lebih lanjut, hubungi This email address is being protected from spambots. You need JavaScript enabled to view it., atau kunjungi di sini .
Referensi
- 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
- 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
- https://www.hyspex.com/keystone/
- https://www.hyspex.com/sharp_optics_many_pixels/
- https://www.hyspex.com/scientific_grade_uav/
- https://www.hyspex.com/quality_vs620/
- https://standards.ieee.org/project/4001.html
