Neue Möglichkeiten zur Bildverarbeitung mit Hyperspektralsystemen

Ultraviolett-, Infrarot- und Hyperspektralsysteme erschließen neue Anwendungen in der Bildverarbeitung

Die Empfindlichkeit des menschlichen Auges deckt etwa den Wellenlängenbereich zwischen 400 und 700 nm ab und erreicht bei rund 555 nm ihr Maximum. Gängige Bildverarbeitungssysteme arbeiten im Wellenlängenbereich von etwa 400 bis 1000 nm. Es gibt jedoch auch Einsatzfälle, in denen Systeme im Bereich Ultraviolett, Infrarot oder der Einsatz von Hyperspektralsystemen zur Lösung spezieller Aufgabenstellungen erforderlich sind.
Wellenlängen, die kürzer als die des sichtbaren Lichts sind, bezeichnet man als Ultraviolett (UV), Wellenlängen oberhalb der Sichtbarkeitsgrenze als Infrarot (IR). Auch für diese Bereiche existieren spezielle Kameras und Beleuchtungen, die jeweils für diese Spektralbereiche optimiert wurden. Infrarot lässt sich dabei noch in SWIR (Short Wave Infrared), MWIR (Mid Wave Infrared) und LWIR (Long Wave Infrared) unterteilen, wobei die Definition der Grenzen nicht eindeutig ist. Üblicherweise spricht man zwischen 900 nm und 1700 nm von SWIR, MWIR umfasst Wellenlängen von 3 µm bis 5 µm, und im LWIR-Segment arbeitet man mit Wellenlängen von 8 µm bis 14 µm.
Warum werden Wellenlängen außerhalb des sichtbaren Bereichs überhaupt eingesetzt? Dafür gibt es natürlich Gründe: Standardtechniken, die sichtbares Licht nutzen, ermöglichen theoretisch die Erkennung und das Auflösen von Merkmalen bis zu einer Größe von ca. 0,5 μm. Um noch kleinere Merkmale sichtbar zu machen, ist das Spektrum des sichtbaren Lichts nicht mehr ausreichend. Die Verringerung der Wellenlänge ist dann die praktikabelste und effektivste Lösung: Durch den Einsatz von ultravioletten Beleuchtungen in Kombination mit UV-empfindlichen Kameras können Merkmale im Submikronbereich erkannt werden. Besondere Aufmerksamkeit muss dabei auf die Auswahl der richtigen Optik und gegebenenfalls notwendige Sicherheitsvorkehrungen gelegt werden.

Durch den Einsatz von Infrarotsystemen können Farbeffekte in monochromen Aufnahmen verringert werden, wie das Bildbeispiel mit Farbstiften erläutert. Es zeigt drei verschiedene Ansichten des gleichen Sets von Stiften. Bei der ersten Aufnahme wurde normales Weißlicht und eine Farbkamera eingesetzt. Die zweite Aufnahme wurde von einer Monochromkamera unter Verwendung der selben weißen Beleuchtung gemacht.

Die Farben wurden auf ihre Grauwerte reduziert, die Lichtintensität schwankt jedoch noch erheblich. Bei der letzten Aufnahme wurde mit einer Infrarotbeleuchtung gearbeitet. Dies hat eine Reduzierung der Farbinformation zur Folge. Da alle Farben (bis auf schwarz und braun) nun etwa gleich hell erscheinen, könnte z.B. ein schwarzer Aufdruck bei allen Stiften mit wesentlich höherem Kontrast ausgewertet werden.
Bildverarbeitung im Infrarotbereich erlaubt es zudem, durch farbige Aufdrucke »hindurch« zu sehen und die darunterliegende Oberfläche zu inspizieren. Auch zur Unterdrückung des Einflusses von Umgebungslicht können Infrarotbeleuchtungen in Kombination mit infrarotempfindlichen Kameras eingesetzt werden, da gewöhnliche Raumlichtquellen meist einen geringen IR-Anteil haben. Diese Technik funktioniert bei direkter Sonneneinstrahlung jedoch nicht.

Hyperspektral: Mehr als 100 Wellenlängen
Hyperspektrale Bildverarbeitung unterscheidet sich von Bildverarbeitung im sichtbaren, im UV- oder im IR-Bereich vor allem dadurch, dass zur Analyse der Ergebnisse mehr als 100 verschiedene Wellenlängen verwendet werden. Erforderlich ist dafür stets ein Spektrograph, der das Licht verschiedener Wellenlängen in sein Spektrum zerlegt. Dieses Spektrum wird im Anschluss über die Sensoren der eingesetzten Kameras aufgenommen und lässt eine Analyse der Prüfobjekte zu.
Wie auch bei den Infrarotkameras haben sich verschiedene Hersteller auf unterschiedliche Wellenlängenbereiche spezialisiert. So hat das finnische Unternehmen Specim kürzlich Hyperspektralkameras vorgestellt, die für den Wellenlängenbereich von 400 bis 1000 nm entwickelt wurden und damit etwa den Bereich herkömmlicher CCD-Kameras abdecken – mit dem Unterschied, dass sie aufgrund des integrierten Spektrographen hyperspektrale Analysen in diesem Wellenlängenbereich ermöglichen.

Anwender dieser neuen Kameraserie mit der Bezeichnung FX10 haben die Möglichkeit, aus 220 Wellenlängen diejenigen auszuwählen und auszuwerten, die aufgrund der Materialeigenschaften des Prüfobjekts für die vorliegende Applikation optimal geeignet sind. Die Anzahl der ausgewählten Wellenlängen hat dabei direkten Einfluss auf die Geschwindigkeit der Lösung: Je weniger Wellenlängen für die Überprüfung ausgewählt werden, desto schneller erfolgt die Auswertung. Drei Beispiele: Nutzt der Anwender alle 220 Wellenlängen, so liegt die maximale Aufnahmegeschwindigkeit der bei 330 Bildern pro Sekunde. Ist nur die Aufnahme von 20 Wellenlängen erforderlich, sind 2830 Bilder pro Sekunde möglich, und bei Auswahl von 5 Wellenlängen in 3 verschiedenen Bereichen lassen sich 6510 Bilder pro Sekunde erzielen. Als Schnittstelle sorgt derzeit CameraLink für den Bilddatentransport, ab Ende 2016 sollen dann auch Modelle mit GigE-Anschluss verfügbar sein.
Ein Highlight der neuen FX10-Hyperspektralkameras ist die extrem kleine Baugröße im Vergleich zu traditionellen Hyperspektralkameras: Sie liegt bei nur 150 x 85 x 71 mm³. Hier hat Specim ein inzwischen patentiertes Verfahren entwickelt, um die Baugröße des erforderlichen Spektrographen erheblich zu verringern und direkt in das Gehäuse zu integrieren. Auch beim Design der Optik haben die Finnen viel Aufwand getrieben und die FX10 mit einer speziell angepassten C-Mount-Optik versehen. Sie ermöglicht bessere optische Ergebnisse als Standardoptiken und trägt dazu bei, dass die FX10 einen hervorragenden Signal-Rauschabstand von 600:1 erreicht.
Aus Anwendersicht perfekt gelöst ist das Problem der Kalibrierung: Sie wird beim Hersteller direkt vorgenommen und garantiert selbst dann identische Ergebnisse, wenn ein Kameramodul aufgrund von Ausfall oder Wartung in der Anlage ausgetauscht werden muss. Erhältlich sind die FX10-Hyperspektralkameras von Specim inklusive Bilderfassungssoftware und SDK seit Mitte 2016 bei Stemmer Imaging. Anwender können dort auch die nötigen und geeigneten Bilderfassungskarten und Kabel aus einer Hand beziehen, was den Einstieg in die Hyperspektralbildverarbeitung erheblich vereinfacht.

Wellenlängen von 900 bis 1700 nm
Mit einem anderen Partner, Perception Park aus Österreich, hat Stemmer Imaging eine Lösung für hyperspektrale Bildverarbeitung im SWIR-Wellenlängenbereich von 900 bis 1700 nm entwickelt, die seit Anfang 2016 verfügbar ist. Basis dieses Bildverarbeitungssystems ist eine generische, intuitiv konfigurierbare Datenverarbeitungsplattform von Perception Park, die wissenschaftliche Methoden zur Analyse von Hyperspektral-Bilddaten gekapselt zur Verfügung stellt. Durch diese Software haben auch Benutzer ohne Expertenwissen in den Bereichen Spektroskopie und Chemometrie die Möglichkeit, hyperspektrale Bildverarbeitungssysteme einzusetzen und deren Ergebnisse zu nutzen. Diese Software dient als Basis für die Systeme, die Stemmer Imaging durch die Ergänzung um Hardwarekomponenten wie geeignete CMOS- und InGaAs-Industriekameras, Beleuchtungen, Optiken und Bilderfassungskarten sowie Bildverarbeitungsrechner zu Hyperspektral-Komplettsystemen erweitert.
Zum besseren Verständnis ein kurzer Blick auf herkömmliche Bildverarbeitungssysteme: Sie analysieren Bilder von den Oberflächen der Prüfobjekte und finden ihre Grenzen oft dann, wenn sich die zu untersuchenden Objekte visuell sehr ähnlich sind und im Wesentlichen nur noch durch eine unterschiedliche molekulare Struktur unterscheiden. Dies ist zum Beispiel bei der Trennung von visuell sehr ähnlichen Kunststoffen im Recycling der Fall, bei der Analyse des Reifegrads von Früchten oder der Erkennung eines möglichen Schimmelbefalls im Lebensmittelbereich.
Das Hyperspektralsystem geht hier einen Schritt weiter und analysiert die molekularen Eigenschaften der Prüfobjekte. Beleuchtet man ein Objekt mit unterschiedlichen Wellenlängen, so reflektiert es das Licht in Abhängigkeit von seiner Molekularstruktur unterschiedlich und hyperspektral zurück. Diesen „chemischen Fingerabdruck“ nimmt das Hyperspektralsystem auf, interpretiert die Ergebnisse mit Hilfe der Softwareplattform von Perception Park und stellt dem Anwender die erkannten Unterschiede auf molekularer Ebene über eine Technologie namens Chemical Color Imaging ortsaufgelöst und in Farbe kodiert dar. Auf diese Weise lassen sich die meist großen und komplexen Hyperspektraldatenmengen verständlich auswerten und visualisieren.

Anwendungsmöglichkeiten von Hyperspektralsystemen
Neben den bereits genannten Einsatzbeispielen beim Recycling von Kunststoffen oder Anwendungen im Lebensmittelbereich eignen sich Hyperspektralsysteme auch zur Identifikation von Stoffen aller Art, die im Realbild kaum Unterschiede aufweisen, unter anderem im Bergbau, in der Pharmaindustrie oder auch im Medizinbereich. Ein eindrucksvolles Beispiel aus diesem Bereich ist die Aufnahme einer menschlichen Hand, bei der die Blutgefäße mit Hilfe eines Hyperspektral-Aufbaus und der Interpretation durch Chemical Color Imaging sichtbar gemacht werden konnten.

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