Was sind die Unterschiede zwischen hyperspektralen Kameras und gewöhnlichen Kameras?

I. Unterschiede in den Arbeitsprinzipien

Das Arbeitsprinzip einer Kamera

Das Prinzip ist einfach und unkompliziert. Sie erfasst Licht durch die Linse, und nachdem das Licht von der Linse fokussiert wurde, wird es auf den Bildsensor projiziert. Die Pixel im Bildsensor erzeugen entsprechende elektrische Signale basierend auf der empfangenen Lichtintensität. Diese elektrischen Signale bilden nach einer Reihe von Verarbeitungsschritten und Konvertierungen schließlich das Bild, das wir sehen. Gewöhnliche Kameras nehmen in der Regel nur Licht innerhalb des sichtbaren Lichtbereichs wahr und zeichnen es auf. Ihr Fokus liegt hauptsächlich auf den grundlegenden Merkmalen von Objekten wie Form, Farbe und Textur, um ein klares Bild zu präsentieren, das den visuellen Gewohnheiten des menschlichen Auges entspricht.

Das Arbeitsprinzip von hyperspektralen Kameras

Das Prinzip ist viel komplexer. Sie kann nicht nur die Informationen eines Objekts im sichtbaren Lichtbereich erfassen, sondern auch gleichzeitig spektrale Informationen in mehreren Bändern wie Nahinfrarot und Mittel-Infrarot erhalten. Wenn eine hyperspektrale Kamera in Betrieb ist, zerlegt sie das Licht in spektrale Komponenten unterschiedlicher Wellenlängen und bildet dann das von Objekten reflektierte oder emittierte Licht bei jeder Wellenlänge separat ab. Diese Abbildungsmethode ähnelt der Durchführung eines "Spektralscans" an einem Objekt, wodurch reichhaltige Informationen über das Objekt in verschiedenen Spektralbändern erhalten werden können. Durch die Analyse dieser spektralen Informationen können wir ein tiefes Verständnis der physikalischen und chemischen Eigenschaften von Objekten erlangen und sogar ihre Zusammensetzung und Struktur identifizieren.

II. Unterschiede in den Datenerfassungsfähigkeiten
In Bezug auf die Datenerfassung gibt es einen riesigen Unterschied zwischen gewöhnlichen Kameras und hyperspektralen Kameras. Fotos, die von gewöhnlichen Kameras aufgenommen werden, sind in der Regel zweidimensionale Bilder, wobei jedes Pixel nur begrenzte Informationen wie Farbe und Helligkeit enthält. Ein übliches Farbfoto hat in der Regel jedes Pixel aus drei Farbkanälen zusammengesetzt: Rot, Grün und Blau. Verschiedene Farben werden durch die Kombination dieser drei Kanäle dargestellt. Obwohl gewöhnliche Kameras Fotos mit unterschiedlichen Effekten durch Anpassung von Aufnahmeparametern wie ISO, Verschlusszeit, Blende usw. erhalten können, sind die erhaltenen Datendimensionen im Allgemeinen relativ niedrig und konzentrieren sich hauptsächlich auf die visuelle Darstellung des Bildes.

Hyperspektrale Kameras können hochdimensionale Datenwürfel erhalten. Zusätzlich zu zweidimensionalen räumlichen Informationen enthält es auch eindimensionale spektrale Informationen. Jedes Pixel in diesem Datenwürfel entspricht einer vollständigen Spektralkurve, die die Reflexions- oder Emissionseigenschaften des Objekts bei verschiedenen Wellenlängen aufzeichnet. Diese hochdimensionalen Daten liefern extrem reichhaltige Informationsressourcen für die anschließende Analyse und Verarbeitung. Beispielsweise kann man im Agrarsektor durch die Analyse der spektralen Merkmale in hyperspektralen Bildernden Wachstumszustand von Nutzpflanzen, die Situation von Schädlingen und Krankheiten sowie die Bodenfruchtbarkeit und andere Informationen genau bestimmen. In der Umweltüberwachung können hyperspektrale Kameras die Komponenten und Konzentrationen von Schadstoffen in Gewässern sowie Veränderungen der Gaskomponenten in der Atmosphäre usw. erfassen.

III. Unterschiede in den Anwendungsbereichen
Aufgrund der Unterschiede in den Arbeitsprinzipien und den Datenerfassungsfähigkeiten haben hyperspektrale Kameras und gewöhnliche Kameras auch ihre eigenen Schwerpunkte in den Anwendungsbereichen.

Gewöhnliche Kameras werden in verschiedenen Bereichen des täglichen Lebens eingesetzt, z. B. für Hobbyfotografen, die schöne Momente festhalten, für Nachrichtenmedien, die Nachrichtenbilder aufnehmen, und für kommerzielle Fotografie zur Produktwerbung usw. Sie spielt eine wichtige Rolle in Szenarien wie Social Media, Tourismus und Familienandenken und erfüllt hauptsächlich die Anforderungen der Menschen an visuelle Ästhetik und die Dokumentation ihres Lebens. Darüber hinaus haben gewöhnliche Kameras auch bestimmte Anwendungen in einigen grundlegenden wissenschaftlichen Forschungsbereichen, wie z. B. die Beobachtung makroskopischer biologischer Formen in der Biologie und die Aufzeichnung einfacher experimenteller Phänomene in der Physik.

Hyperspektrale Kameras werden hauptsächlich in der professionellen wissenschaftlichen Forschung, in Industrie- und Militärbereichen eingesetzt. In Bezug auf die wissenschaftliche Forschung bieten sie leistungsstarke Werkzeuge für das Studium von Disziplinen wie Astronomie, Geologie und Ökologie. Astronomen können beispielsweise hyperspektrale Kameras verwenden, um die spektralen Eigenschaften von Himmelskörpern zu analysieren und so ihre chemische Zusammensetzung und ihren physikalischen Zustand zu verstehen. Geologen können verschiedene Gesteinsarten und mineralische Ressourcen anhand hyperspektraler Bilder identifizieren. Im industriellen Bereich können hyperspektrale Kameras zur Produktqualitätskontrolle, zur Analyse von Lebensmittelbestandteilen, zur Materialidentifizierung usw. eingesetzt werden. In der Lebensmittelverarbeitungsindustrie können sie beispielsweise Verunreinigungen, Feuchtigkeitsgehalt und Nährstoffbestandteile in Lebensmitteln erkennen und so die Qualität und Sicherheit von Lebensmitteln gewährleisten. Im militärischen Bereich können hyperspektrale Kameras für Aufgaben wie Zielaufklärung, Tarnungserkennung und Umweltüberwachung eingesetzt werden. Sie können versteckte Ziele durch Tarnmaterialien identifizieren und so wichtige Geheimdienstunterstützung für militärische Entscheidungen leisten.

IV. Eigenschaften der Bildeffekte
In Bezug auf den Bildeffekt verfolgen gewöhnliche Kameras visuelle Effekte mit hellen Farben, hohem Kontrast und guter Klarheit, um die Wertschätzung der Menschen für schöne Bilder zu befriedigen. Gewöhnliche Kameras bemühen sich, realistische und lebendige Szenen in Fotos darzustellen, indem sie die optische Leistung von Objektiven, die Bildsensortechnologie und Bildverarbeitungsalgorithmen optimieren, wodurch die Farben und Details von Objekten realistischer werden.

Der Bildeffekt von hyperspektralen Kameras konzentriert sich mehr auf die Genauigkeit und Vollständigkeit der spektralen Informationen. Die von ihnen aufgenommenen Bilder sind möglicherweise nicht so hell und auffällig wie gewöhnliche Fotos, enthalten aber reichhaltige innere Informationen. Jedes Pixel in einem hyperspektralen Bild stellt die spektrale Reaktion eines Objekts bei einer bestimmten Wellenlänge dar. Durch die Analyse dieser spektralen Daten können verschiedene Eigenschaften des Objekts erhalten werden. In hyperspektralen Bildern können beispielsweise verschiedene Substanzen unterschiedliche spektrale charakteristische Kurven aufweisen. Selbst wenn sie im Aussehen sehr ähnlich aussehen, können sie dennoch durch Spektralanalyse genau unterschieden werden. Dieser Bildeffekt ist von entscheidender Bedeutung für Anwendungsszenarien, die eine präzise Identifizierung und Analyse von Objektkomponenten erfordern.

V. Geräte- und Komplexitätskosten
Die technische Komplexität von hyperspektralen Kameras bestimmt, dass sie in Bezug auf die Geräte- und Betriebskosten weitaus teurer sind als gewöhnliche Kameras. Die Forschung und Entwicklung von hyperspektralen Kameras umfasst fortschrittliche Technologien aus mehreren Bereichen wie Optik, Spektroskopie, Elektronik und Signalverarbeitung. Ihr Herstellungsprozess erfordert die Verwendung von hochpräzisen optischen Komponenten und fortschrittlichen Detektoren, und die Kosten für diese Teile sind relativ hoch. Um sicherzustellen, dass hyperspektrale Kameras spektrale Informationen genau erfassen und verarbeiten können, müssen sie außerdem mit professioneller Software und Algorithmen ausgestattet sein, was ihre Forschungs- und Entwicklungskosten sowie die Produktionskosten weiter erhöht.

Im Gegensatz dazu ist die Technologie gewöhnlicher Kameras relativ ausgereift, und der Wettbewerb auf dem Markt ist hart. Ihre Herstellungskosten sind relativ niedrig, und die Preise sind ebenfalls erschwinglicher. Die Bedienung einer regulären Kamera ist relativ einfach. Benutzer müssen nur einige grundlegende Aufnahmefähigkeiten beherrschen, um problemlos damit beginnen zu können. Die Bedienung von hyperspektralen Kameras erfordert professionelles Wissen und Fähigkeiten. Bediener müssen die Grundprinzipien der Spektroskopie und verwandte Datenverarbeitungsmethoden verstehen, um ihre Vorteile voll auszuschöpfen und genaue und wertvolle Informationen zu erhalten.