Was ist Hyperspektrale Bildgebung?
Die Hyperspektrale Bildgebung (HSI, aus dem engl. Hyperspectral Imaging) ist eine hochmoderne Technologie, bei der die Bereiche Machine Vision und Spektroskopie aufeinandertreffen. Sie ermöglicht es, detaillierte Informationen über das Spektrum eines Objekts zu erfassen und bietet somit eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten in verschiedenen Branchen. Aber beginnen wir von vorne…
Die Entwicklung der Bildgebungstechnologie
Die Entwicklung der Bildgebungstechnologie begann mit monochromen Kameras, die nur die Intensität ohne Farb-Information erfassen konnten. Im Laufe der Zeit wurden jedoch RGB-Kameras entwickelt, die in der Lage sind, drei verschiedene spektrale Bereiche im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums zu unterscheiden. Diese Kameras ahmen die spektrale Antwort des menschlichen Auges nach und sind somit in der Lage, die Bildinformationen für das menschliche Auge besser darzustellen.
Im Vergleich zu monochromen Kameras liefern RGB-Kameras somit deutlich mehr Informationen und sind für Anwendungen, bei denen die Wahrnehmung durch das menschliche Auge eine relevante Rolle spielt, die naheliegendste Wahl. Obwohl sie als multispektrale Kameras betrachtet werden können, werden sie in der Regel nicht als solche bezeichnet.
Multispektrale Kameras bieten im Vergleich zu RGB-Kameras eine größere Anzahl von spektralen Bändern, in der Regel von vier bis zu zehn Bändern. Diese Bänder können je nach Anwendung angepasst werden und bieten eine kostengünstige Option für einfache Sortieranwendungen. Die Bänder einer multispektralen Kamera sind in der Regel nicht direkt benachbart und nicht gleichmäßig verteilt, was sie für die Spektroskopie ungeeignet macht.
Hyperspektrale Kameras gehen den letzten Schritt von einer reinen Bildgebungskamera zu einem eigentlichen Spektrometer. Sie bieten Dutzende bis Hunderte von Spektralbändern, die in der Regel direkt nebeneinander und gleichmäßig verteilt sind. Dies ermöglicht es den hyperspektralen Systemen, bewährte spektroskopische Techniken wie Ableitungsspektroskopie, Chemometrie und andere anzuwenden. Dadurch sind sie äußerst vielseitige Werkzeuge für eine Vielzahl von Anwendungen in der chemischen Detektion, Analytik und sensorgestützten Sortierung.
Ursprünglich wurde die hyperspektrale Bildgebung für Fernerkundungsanwendungen in Satelliten und Luftmesssystemen entwickelt. Als Pionier für industrielle Anwendungen, führte EVK bereits im Jahr 2006 die erste Generation der HELIOS Hyperspektralkamera für die Recyclingindustrie ein. EVK HELIOS Hyperspektralkameras messen im Nahinfrarotbereichs bzw. dem kurzwelligen Infrarotbereich von 930 nm bis 1700 nm. Dieser Bereich ist speziell für die Materialidentifikation nützlich.
Sowohl hyperspektrale Bildgebung als auch bildgebende spektroskopische Systeme liefern räumlich aufgelöste spektroskopische Informationen über eine Probe. Mit spektral kalibrierten Hyperspektralkameras, die seit ihrer Einführung in die Machine Vision Industrie durch EVK zur Norm geworden sind, ist der Unterschied zwischen einer hyperspektralen Kamera und einem bildgebenden Spektrometer nicht mehr fundamental, sondern vielmehr ein Unterschied in der Betonung spezifischer Leistungsmerkmale. Die hyperspektrale Bildgebung ist eine leistungsstarke Methode für Machine-vision Anwendungen wie In-line Messung und Überwachung, sensorgestützte Sortierung, in-line Qualitätskontrolle, Fremdkörpererkennung und vieles mehr.
Leistungsmerkmale von Hyperspektralkameras
Zu den optischen Hauptmerkmalen einer Hyperspektralkamera für Machine-Vision-Anwendungen gehören u. a.
- Spektralbereich
- Bildfrequenz
- räumliche Auflösung (optisch, Along-Track, Across-Track)
- Spektrale Auflösung (optisch)
- räumliche Abtastung (Anzahl der Pixel)
- spektrale Abtastung (Anzahl der spektralen Bins)
- zeitliche Abtastung (Framerate)
- Licht-Durchsatz
- Lichtempfindlichkeit
- Signal-Rausch-Verhältnis
- Dynamikbereich
Während häufig den typischen Merkmalen der räumlichen Abtastung (Anzahl der Pixel) und der Bildrate große Bedeutung beigemessen wird, sind die Empfindlichkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis für eine angemessene Datenqualität oft wichtiger, da bei Hochgeschwindigkeitsanwendungen hohe Beleuchtungsstärken erforderlich sind, die mit kurzen Belichtungszeiten einhergehen.
Weitere wichtige Merkmale, die nicht die Bildgebung betreffen, umfassen die Robustheit für industrielle Umgebungen, wie Staub, Vibrationen, Temperatur und Feuchtigkeit, Kalibrierungsstabilität, Temperaturstabilität und die Möglichkeit zum einfachen Austausch der Geräte.
EVK Hyperspektralkameras sind industrieerprobte, robuste Geräte ohne bewegliche, mechanische Teile und für raue Industrieumgebungen und 24/7-Betrieb optimiert. Die Kameras liefern qualitativ hochwertige, kalibrierte Spektraldaten in hoher Geschwindigkeit, bei hoher spektraler Auflösung, sehr hoher Lichtempfindlichkeit und sehr gutem Signal-Rausch-Verhältnis sowie Dynamikbereich.
Darüber hinaus bieten die Echtzeit-Computing-Engines modernste spektrale Vorverarbeitungen (z. B. Filterung, Ableitung, Normalisierung) und integrierte Chemometrie, um einen chemischen Bildstrom in Echtzeit in RGB-Falschfarbenkodierung auszugeben.
Arten von Hyperspektralkameras
Es gibt unterschiedliche Arten von Hyperspektralkameras, die unterschiedliche Eigenschaften sowie Vor- und Nachteile mit sich bringen. Im Allgemeinen werden sie nach ihrer Funktionsweise in folgende Arten unterschieden:
Snapshot
Eine Snapshot-Hyperspektralkamera nimmt ein multispektrales zweidimensionales Bild mit einer einzigen Bildaufnahme auf. Diese Kameras sind typischerweise ähnlich wie ein RGB-Sensor aufgebaut. Ihr Vorteil ist, dass sie sehr leicht und klein sind. Typischerweise nehmen sie 16 bis 64 verschiedene Spektren auf, allerdings leidet die tatsächliche räumliche Auflösung bei dieser Art von Hyperspektralkamera und ist aufgrund der niedrigen Anzahl an gemessenen spektralen Bändern für chemometrische Anwendungen nicht optimal geeignet.
Whisk-Broom
Whisk-Broom-Hyperspektralkameras sind Einpunkt-Spektrometer, die eine Bildgebung durch abscannen der Probe realisieren. Da diese Systeme mit beweglichen Teilen arbeiten sind sie auf Vibrationen anfällig und nicht wartungsfrei.
Spectral Scanning
Spectral-Scanning-Hyperspektralkameras sind Bildsensoren, die nacheinander verschiedene Wellenlängen vermessen. Dies kann zum Beispiel über Filterräder oder variable Filter erreicht werden. Durch die Anzahl der aufgenommen spektralen Bändern ist die Bildrate verringert. Artefakte können auftreten, wenn sich Objekte bewegen und verschiedene Wellenlängen zu unterschiedlichen Zeitpunkten aufgenommen werden.
Push-Broom
Push-Broom-Hyperpektralkameras sind Zeilenkameras, die eine gerade Linie von Bildinformationen typischerweise durch einen bildgebenden Spektrographen auf einen flächenhaften Bildsensor projizieren. Dabei entspricht eine Dimension des Sensors der Position in der gescannten Linie, während die anderen die Wellenlänge repräsentiert. Auf diese Weise wird für jeden Punkt der gescannten Linie direkt ein Spektrum aufgezeichnet. Dies macht Push-Broom Kameras frei von Messfehlern, die durch sich schnell bewegende Objekte verursacht werden. Daher sind sie die ideale Wahl für kontinuierliche Prozesse und kontinuierliche Bildströme. Sie sind die vorherrschende Bauform von Hyperspektralkameras in der sensorbasierten Sortierung und Inline Überwachung.
EVK HELIOS Kameras sind Push-Broom-Hyperpsektralkameras, die hohe Geschwindigkeiten und Echtzeit-Messungen sowie chemometrische Auswertungen der Daten in Echtzeit ermöglichen. Damit ermöglichen sie eine Prozessentscheidung von sich schnell bewegenden Objekten in Echtzeit auf Basis ihrer chemischen Eigenschaften.
Der Aufbau einer Push-Broom Hyperspektralkamera
Eine typische Push-Broom Hyperspetralkamera besteht aus einer Objektivlinse, einen Eintrittsspalt, Kollimator, einem dispersiven Element, der Fokussieroptik und einem Abbildungssensor. Die Zusammenstellung der Komponenten ist in der folgenden Abbildung dargestellt.
Die Szene wird durch das Objektiv auf den Eintrittsspalt projiziert. Durch die Kollimationsoptik wird die Mittellinie der Szenerie kollimiert, was bedeutet, dass die Lichtstrahlen in der Szenerie so angepasst werden, dass alle Strahlen eines Bildpunkts jeweils parallel zueinander verlaufen. Das dispersive Element teilt die Strahlung in verschiedene Winkel für unterschiedliche Wellenlängen auf, während die Fokussieroptik das Bild auf die Sensorebene rekonstruiert. Dadurch wird sichergestellt, dass die gesamte Information der Scanlinie zu jedem Zeitpunkt auf der Sensorebene vorhanden ist und Bewegungsschärfe auftreten kann, jedoch keine Rekonstruktionsartefakte durch Objektbewegungen entstehen.
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