عکس‌ برداری چند طیفی چیست؟

عکس‌ برداری چند طیفی به معنای روش‌هایی برای تصویربرداری است که در آن تصاویری مطابق با طیف چند کاناله (گاهی بیش از ده کانال) به دست می‌آیند. مناطق طیفی مورد استفاده اغلب حداقل تا حدی خارج از محدوده طیفی مرئی هستند و بخش‌هایی از ناحیه مادون قرمز و فرابنفش را پوشش می‌دهند. برای مثال، یک تصویربردار چند طیفی ممکن است کانال‌های طول موجی را برای نورهای نزدیک به UV، قرمز، سبز، آبی، مادون قرمز و گاهی اوقات حتی تشعشعات حرارتی فراهم کند. در اصل، ممکن است عکاسی رنگی را نیز به عنوان ابزاری برای عکس برداری چند طیفی در نظر بگیریم، اما تصویرگرهای چند طیفی معمولاً شامل کانال‌های طول موج غیرهمپوشانی هستند و همچنین معمولاً بیش از سه کانال از طیف رنگی را ارائه می‌دهند. در حالی که برخی از دستگاه‌های عکس برداری چندطیفی (که دوربین‌های چندطیفی نیز نامیده می‌شوند) در ماهواره‌ها و هواپیماهای فضایی استفاده می‌شوند، برای مثال دستگاه‌های دستی و اتوماتیک تصویربرداری در تنظیمات صنعتی نصب شده‌اند. دوربین‌های چند طیفی اغلب برای کاربردهای خاص، به ویژه در مورد باندهای طیفی مورد استفاده قرار می‌گیرند.

عکس‌ برداری چند طیفی چیست؟

عکس برداری چند طیفی چیست؟ و چگونه از این فناوری می‌توان جهت پردازش تصویر بهره برد؟ در ادامه ویدئو دانشگاه بینایی باسلر را نیز تماشا کنید. عکس‌ برداری چند طیفی به شما این امکان را می‌دهد تا داده‌هایی که چشم انسان نمی‌تواند ببیند را دریافت نمایید. اما این فناوری چگونه کار می‌کند؟ در این فیلم، کارشناس باسلر (Thies Moeller) درباره نحوه دریافت تصویر توسط دوربین‌های چند طیفی توضیح می‌دهد. او همچنین به ارائه مثال‌های عملی جهت کاربردهایی که از این فناوری می‌توانند بهره ببرند؛ می‌پردازد.

سنسورهای تصویر چندطیفی

برای تعداد محدودی از کانال‌های طول موج (مثلاً 5 یا 8)، می‌توان از نوعی سنسور تصویر استفاده کرد که برای هر پیکسل دارای چندین آشکارساز نوری است، یکی برای هر کانال طول موج مشابه حسگر RGB که در دوربین عکاسی استفاده می‌شود. در حالی که این اصل عملیات منجر به یک راه‌اندازی نوری ساده می‌شود و محدودیت‌هایی دارد:

• نیاز به سنسورهای بیشتر و تخصصی‌تر با توجه به تعداد کانال‌های طیفی
• هر ردیاب نوری ناحیه خاصی را پوشش می‌دهد و تمام نور خارج از ناحیه طول موج مربوطه از بین می‌رود. این به معنای یک نقطه ضعف از نظر حساسیت است، به ویژه زمانی که تعداد کانال‌های طول موج بزرگ‌تر می‌شود.
• هنگامی که سیستم تصویربرداری نیاز به پوشش یک ناحیه طیفی بسیار وسیع دارد، ممکن است دچار مشکل شود.

دوربین ها با چرخ چندطیفی برای اسکن طیفی

می‌توان با افزودن یک چرخ چندطیفی (Multispectral Wheel) به یک دوربین معمولی قابلیت تصویربرداری چندطیفی را به آن اضافه کرد. چنین چرخی حاوی فیلترهای میان‌گذر (Bandpass) نوری متعدد برای انتخاب مناطق مختلف طول موج است. چرخ ممکن است به طور مداوم در حال چرخش باشد، یا ممکن است به طور تصادفی یک فیلتر در یک زمان با کنترل رایانه انتخاب شود. این رویکرد فنی این مزیت را دارد که بسته به کاربرد خاص می‌توان به راحتی از بین انواع فیلترها انتخاب کرد.

ترکیبی از دوربین‌ها یا سنسورهای تصویر

ممکن است از ترکیبی از دوربین‌ها استفاده شود، به عنوان مثال یکی برای نور مرئی (با 3 یا 4 کانال) و یک یا چند دوربین مادون قرمز. هر یک از دوربین‌ها ممکن است مجهز به فیلترهای باند گذر برای محدود‌ کردن حساسیت به یک منطقه طیفی خاص باشد. سپس هر سیستم نوری می‌تواند برای منطقه طیفی مربوطه بهینه شود و سنسورهای کمتری مورد نیاز باشد. معایب آن این است که یک دوربین به چندین هدف (camera objectives) نیاز دارد و باید از همپوشانی فضایی خوب تصاویر به دست آمده اطمینان حاصل شود (که برای اجسام نزدیک بسیار دشوار است). یک رویکرد ترکیبی استفاده از دوربین اپتیکال مشترک برای همه طول موج‌ها است، اما باید کانال‌های طول موج‌های مختلف قبل از ارسال نور به چندین سنسور تصویر جدا‌کرد.

ابزارهای اسکن چندطیفی

اغلب برای عکس برداری چند طیفی می‌توان از اصول اسکن تصویرها استفاده کرد. رایج‌ترین روش انتخاب اطلاعات تصویر در امتداد یک خط، با استفاده از شکاف نوری در صفحه تصویر و پراکندگی اجزای طول موج مختلف در جهت عمود بر آن خط است. یک تصویر کامل باید با ترکیب موارد ضبط شده در جهت‌های مختلف ثبت می‌شود. ممکن است لزوماً یک bin طیفی به هر پیکسل در جهت پراکندگی طیفی اختصاص نیابد، اما می‌توان چندین پیکسل را با توجه به کانال‌های طیفی مورد نیاز ترکیب کرد. اصل اسکن خط اغلب با ابزارهایی در اجسام متحرک مانند هواپیما و ماهواره استفاده می‌شود. کافی است متعاقباً برای یک خط عمود بر جهت پرواز ضبط کنید و آن‌ها را برای به دست‌آوردن تصاویر کاملی که می‌تواند مناطق کشیده بزرگی را پوشش دهد، جمع‌آوری کرد. به همین ترتیب، ابزارهای اسکن ثابت برای بازرسی اشیاء روی تسمه نقاله در کارخانه‌های صنعتی استفاده می‌شود. می‌توان از اسکن نقطه‌ای استفاده کرد، که این مزیت را دارد که می‌توان از یک طیف‌سنج ساده، به‌عنوان مثال یک فیلتر قابل تنظیم آکوستو-اپتیک استفاده کرد. با این حال، این منجر به زمان‌های اکتسابی طولانی‌تر و مصنوعات حرکتی قوی‌تر می‌شود.

کاربردهای عکس برداری چند طیفی

چند مثال برای کاربردهای عکس برداری چند طیفی به طور خلاصه در زیر توضیح داده شده است:

• ابزارهای چند طیفی در ماهواره‌ها برای انواع مختلف نظارت بر زمین از فضا، به عنوان مثال برای بررسی‌های زمین شناسی، نظارت بر محیط زیست و نظارت نظامی استفاده می‌شود. کانال‌ها با طول موج‌های مختلف را می‌توان برای نظارت بر پوشش گیاهی استفاده کرد، در حالی که کانال‌های دیگر برای شناسایی مواد معدنی، استفاده غیرمجاز از زمین، ساختمان‌ها و غیره مفید هستند. مناطق کوچک‌تر روی زمین را می‌توان با ابزارهای موجود در هواپیما یا هواپیماهای بدون سرنشین کنترل کرد، که امکان تفکیک فضایی بالاتر را فراهم می‌کند. اهداف می‌تواند برای ابزارهای ماهواره‌ای، به عنوان مثال نظارت بر توسعه محصولات کشاورزی یا تشخیص آتش‌سوزی جنگل مشابه باشند. تأسیسات نظامی مستقر در فضا یا زمین می‌توانند برای شناسایی و ردیابی هواپیماها و موشک‌ها استفاده شوند. داده‌های چند طیفی می‌تواند برای به دست‌آوردن اطلاعات خاص‌تر در مورد آن اشیاء مفید باشد.
• برای تشخیص پزشکی، می‌توان تصاویر چند طیفی از پوست و … اخذ کرد.
• برخی از کاربردها در رنگ‌سنجی هستند که به خطر اطلاعات طیفی کامل‌تری که نسبت به RGB دارند؛ می‌توانند مفید واقع شوند.
• اشیاء با ویژگی‌های طیفی خاص را می‌توان برای اهداف احراز هویت استفاده کرد.

سوالات متداول