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更新時間:2026-05-19
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引言:
在高光譜成像(HSI)的科研與工業(yè)應(yīng)用中,我們常說“數(shù)據(jù)質(zhì)量決定模型上限"。而高光譜數(shù)據(jù)是一塊巨大的“數(shù)據(jù)魔方",包含了海量的空間與光譜信息。如何從復(fù)雜的背景中精準(zhǔn)地剝離出目標(biāo)對象?
感興趣區(qū)域(ROI)的選擇,正是連接原始影像與建模分析的關(guān)鍵橋梁 。它不僅直接影響光譜信號的穩(wěn)定性和特征的可解釋性,更是決定后續(xù)模型性能的核心環(huán)節(jié) 。本文將深入探討四種主流的 ROI 提取策略,通過花生籽粒、蘋果病害等實戰(zhàn)案例,帶你掌握高光譜數(shù)據(jù)處理的“點睛之筆"。
感興趣區(qū)域(ROI)選擇
在高光譜成像(HSI)數(shù)據(jù)分析中,ROI(Region of Interest,感興趣區(qū)域)選擇是建模與機理分析的關(guān)鍵步驟,直接影響光譜穩(wěn)定性、特征可解釋性以及模型性能。常用的ROI選擇方法可系統(tǒng)地分為以下幾類:
1.1 ROI選擇方法
(1)單波段閾值法
在高光譜圖像中,不同物質(zhì)在特定波長處的反射率存在顯著差異。通過選取對目標(biāo)與背景區(qū)分度較高的特征波段,將三維高光譜數(shù)據(jù)在該波段上投影為二維灰度圖像,并利用灰度閾值分割提取目標(biāo)區(qū)域。該方法適合背景去除、大目標(biāo)整體ROI提取。該方法設(shè)高光譜數(shù)據(jù)為
,選取特征波段
得到單波段圖像
。通過閾值T將像素劃分為前景(ROI)與背景。公式如下

python代碼示例:

Hypercsan分析軟件

(2)PCA/MNF變換輔助ROI選擇
主成分分析(PCA)和最小噪聲分離(MNF)通過線性變換將高維光譜數(shù)據(jù)映射到低維特征空間,使主要信息成分與噪聲成分分離,從而增強不同組織或區(qū)域之間的對比度,結(jié)合(1)或其他方法便于ROI識別。該方法高光譜圖像中每個像素光譜進(jìn)行協(xié)方差分解,求解特征值與特征向量,再低維投影以得到降維后的特征空間。
python代碼示例:

Hypercsan分析軟件


(3)K-means聚類ROI選擇
假設(shè)同一物理區(qū)域像素光譜在特征空間中具有相似性,通過聚類算法將全圖像素自動劃分為若干光譜相似的類別,從中選取目標(biāo)類別作為ROI。
python代碼示例:

Hypercsan分析軟件

(4)分水嶺結(jié)合連通域ROI選擇
在閾值分割獲得初始二值ROI后,單純的連通域分析可能將相互接觸的目標(biāo)區(qū)域合并為同一連通對象。為實現(xiàn)對粘連區(qū)域的有效分離,引入分水嶺分割與連通域分析相結(jié)合的方法。分水嶺分割將圖像灰度值視為地形高度,通過模擬水位上升過程,在局部極小值對應(yīng)的區(qū)域形成集水盆地,不同盆地相遇時產(chǎn)生的分界線即為分水嶺邊界,從而實現(xiàn)對相互接觸區(qū)域的精細(xì)分割。為避免過分割,首先利用連通域分析限定分割范圍,并在分水嶺分割后對結(jié)果進(jìn)行連通域篩選與約束,最終獲得結(jié)構(gòu)獨立、邊界清晰的ROI區(qū)域。
python代碼示例:

5.2方法案例
(1)單波段閾值法
花生籽粒ROI高光譜提取為例(圖1)。首先對比花生和背景反射率,選擇成像清晰并且背景和花生反射率差值最大的波段圖像。通過分析發(fā)現(xiàn),在1120 nm處的波段圖像中背景和花生部分反射率差值最大。所以,提取1120nm處的波段圖像(圖1a)。然后,通過閾值法得到二值化掩膜圖像(圖1b)。在得到的掩膜圖像中,背景部分像素值為0,花生部分像素值為1。最后應(yīng)用得到的掩膜圖像與高光譜圖像矩陣(圖1c)中的每個波段圖像進(jìn)行相乘。便可得到去除背景且只保留花生部分的高光譜圖像(圖1d)。圖1e和f分別為去除背景之后的高光譜圖像中背景和花生的光譜數(shù)據(jù)。

圖1 單波段閾值法
(2)PCA/MNF變換輔助ROI選擇方法
以蘋果腐爛區(qū)域ROI分割為例(圖2)。PC1和MNF1成分圖像承載了圖像大部分的信息;PC2和MNF2成分圖像反映了圖像中的亮度飽和情況,早期腐爛區(qū)域較周圍正常區(qū)域明顯,但是有些地方亮度飽和不利于早期腐爛區(qū)域的分割;PC3和MNF3成分圖像適合用于早期腐爛的識別,蘋果早期腐爛區(qū)域變得高亮,與周圍正常區(qū)域表皮對比明顯,便于利用圖像處理對早期腐爛區(qū)域進(jìn)行分割提取。PC4和MNF4成分圖像更多反映蘋果表面的斑點、紋理等外觀信息。通過單閾值(閾值為200)分割PC3和MNF3成分圖像便可以提取蘋果腐爛ROI。圖2(a)為單閾值分割PC3后分割的結(jié)果,圖2(b)是經(jīng)過膨脹、腐蝕、小區(qū)域填充等形態(tài)學(xué)處理后疊加上蘋果輪廓后的圖像,出現(xiàn)了一些誤分割現(xiàn)象;圖2(c)為單閾值分割MNF3后分割ROI的結(jié)果,圖2(d)是經(jīng)過膨脹、腐蝕、小區(qū)域填充等形態(tài)學(xué)處理后疊加上蘋果輪廓后的圖像,沒有出現(xiàn)誤分割現(xiàn)象。

圖2 PCA/MNF變換輔助ROI選擇方法
(3)K-means聚類ROI選擇
以小麥籽粒分割及胚芽ROI分割為例(圖 3),結(jié)果表明小麥籽粒胚芽區(qū)域(藍(lán)色)均能夠被準(zhǔn)確識別并實現(xiàn)語義分割。相比之下,大多數(shù)胚粒的胚乳區(qū)域(紅色)同樣實現(xiàn)了有效分割,但其分割準(zhǔn)確性略低于胚芽區(qū)域。

圖3 K-means聚類ROI選擇方法(上:1201 nm的小麥籽粒灰度圖像;下:k-均值聚類的ROI)
(4)分水嶺結(jié)合連通域ROI選擇
以粘連玉米籽粒ROI分割為例,圖4(a)展示了在1200 nm波長下獲取的健康玉米籽粒圖像。隨后,對獲取的高光譜圖像進(jìn)行主成分分析(PCA),以增強玉米粒與背景之間的對比度,并實現(xiàn)玉米粒區(qū)域的初步提取。采用 Otsu 閾值分割方法對主成分得分圖像進(jìn)行處理,用于分離玉米粒與背景,如圖4(b)所示。圖4(c)為放大的籽粒剖面圖,圖像中疊加了分割邊界,可以清楚地觀察到部分玉米粒之間存在相互接觸的現(xiàn)象。這些相互接觸的籽粒在初始分割結(jié)果中被標(biāo)記為同一連通區(qū)域。然而,無論是基于對象的分析方法還是基于像素的分析方法,均要求每個玉米粒作為一個獨立區(qū)域,以便獲取單個籽?;蜃蚜?nèi)部像素的平均光譜信息。因此,有必要對連通區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)分,實現(xiàn)籽粒級ROI的精確提取。由于相鄰玉米粒之間通常存在明顯的凹陷區(qū)域,在灰度空間中表現(xiàn)為低值區(qū)域,類似于分水嶺模型中的“分水線",因此能夠在圖像中形成清晰的籽粒分割邊界?;谏鲜鲈恚捎梅炙畮X分割算法對初始連通區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步分割,從而實現(xiàn)單個玉米粒級對象的提取,分割結(jié)果如圖4(d)、(e)和(f)所示。

圖4 分水嶺結(jié)合連通域ROI選擇方法
參考文獻(xiàn)
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