Einzigartige Fingerabdrücke

Hyperspectral Imaging für Anwender ohne Fachwissen

Aufgrund chemischer und molekularer Eigenschaften hinterlassen Objekte eine spektrale Signatur, also einen einzigartigen ‚Fingerabdruck‘, der mit Hyperspektral-Kameras identifiziert werden kann. Der Einsatz hyperspektraler Systeme war bislang jedoch nur Experten der Spektroskopie und Chemometrie vorbehalten und im industriellen Umfeld noch nicht flächendeckend anwendbar.
Perception Park führte mit Chemical Color Imaging nun eine Technologie ein, die eine dramatische Vereinfachung im Umgang und in der Anwendung von Hyperspektral-Systemen erlaubt. Die Vorteile hyperspektraler Messtechnik sind somit auch Ingenieuren unterschiedlichster Ausrichtung zugänglich, ohne selbst Experten der zugrundeliegenden wissenschaftlichen Methoden sein zu müssen. Bildgebende Spektroskopie bzw. Hyperspectral Imaging (HSI) erlaubt, ebenso wie Machine Vision, eine kontaktlose Erfassung von Lichtinformationen. Allerdings unterteilen Hyperspektral-Kameras den Empfindlichkeitsbereich in oft hunderte Wellenlängenbereiche und bieten so die Möglichkeit der Untersuchung spektroskopischer Informationen wie molekulare Materialeigenschaften pro Pixel. Perception Studio ist eine Software Suite welche das Arbeiten mit der Hyperspektral-Technologie durch einen generischen und erweiterbaren Ansatz unterstützt. Durch die Unterteilung der Bedienoberfläche in verschiedene Perspektiven gelingt eine für den jeweiligen Arbeitsschritt zielführende Darstellung benötigter Funktionen. Erschwerend für den breiten, industriellen Einsatz der Technologie erwiesen sich bisher Störungen durch optische und elektronische Komponenten, die für jedes Kamerasystem individuell auftreten. Eine dementsprechende Standardisierung wird im Hintergrund der Software durch Anwendung von ‚Calibration Packages‘ ermöglicht. Eine diffizile Auseinandersetzung des Users mit den Sensorrohdaten entfällt somit und die Präsentation der Daten erfolgt standardisiert und unabhängig von der Kameratechnologie.

Multivariabilität und Multidimensionalität

Im einfachsten Fall weisen hyperspektrale Aufnahmen zwei Ortsdimensionen sowie gleichzeitig eine Spektraldimension auf. Ein Objektpixel wird daher nicht ausschließlich durch einen Grau- oder Farbwert sondern durch eine multiple Zahl von Spektralwerten beschrieben. Molekulare Eigenschaften spiegeln sich dabei im Verlauf der spektralen Information wider – im Spektrum. Mathematisch stellt die Suche nach Informationen in spektralen Daten eine multivariate Problemstellung dar: jede Spektralinformation kann dabei als Variable angesehen werden. N Spektralpunkte führen dabei zu Problemstellungen mit N Variablen, die durch Anwendung multivariater Datenverarbeitung ermittelt werden. Dieser Prozess setzt fundierte Kenntnis über multivariate Datenverarbeitung, Statistik sowie Chemometrie voraus und ist in der Regel die Domäne wissenschaftlich orientierter Anwender. Der Schlüssel zu einer für den Ingenieur intuitiv verständlichen und Applikations-gerichteten Informationsextraktion aus Hyperspektral-Daten wird im Perception Studio durch Einsatz der Chemical Color Imaging (CCI) Technologie bereitgestellt.

Chemical Color Imaging (CCI)

Kernelement von CCI ist die Extraktion von 2D-Feature-Bildern, den Chemical Color Images, aus komplexen, multidimensionalen Hyperspektral-Daten. In diesen Feature-Bildern werden dem Anwender die gesammelten, ortsaufgelösten, spektroskopischen Informationen in Farbe codiert dargestellt. Durch den Einsatz von CCI erscheint die Hyperspektral Kamera im System des Anwenders wie eine Farbkamera. Die Farben (Chemical Colors) spiegeln molekulare Eigenschaften der untersuchten Objekte wider. Die Vorzüge der Spektroskopie hinsichtlich ihrer Selektivität werden um den ‚örtlich verstehenden‘ Charakter erweitert, den die Bildverarbeitung ermöglicht. CCI bedient sich etablierter wissenschaftlicher Methoden in der Basis, abstrahiert diese jedoch nach außen hin vollständig. Eine Informationsextraktion ist gesteuert durch den Vergleich einer Erwartungshaltung mit einem rechentechnisch erreichbaren Zwischenergebnisses – einer Perception, d.h. eine Farbdarstellung applikationsrelevanter molekularer Informationen. Idealerweise kann eine applikationsrelevante Information aus den Hyperspektral-Daten extrahiert und in ein Grauwert- oder Farbbild übergeführt werden. In Bild 3 hält eine Hand zwei Kunststoffplättchen. Die Erwartungshaltung ist, dass alle Objekte aus unterschiedlicher Chemie bestehen und auch die gemessene Spektralinformation einen kausalen Zusammenhang zwischen extrahierter Information und tatsächlicher Chemie zulässt. Die Qualität einer Perception kann durch den Anwender als gut befunden werden, wenn diese seinen Annahmen folgt. Bei Irrtum bzw. ungeeigneter Parametrierung, wird die Errechnung einer Perception fehlschlagen – der Farbeindruck wird nicht der Erwartungshaltung des Users entsprechen. Die Annahme dass beide Kunststoffe gleicher Chemie sind, kann der Benutzer beispielsweise leicht als falsch identifizieren, da spektral augenscheinlich wiederholbare Unterschiede gefunden wurden (ein Blättchen erscheint in grün, das andere in rot). Je nach Anwendung stehen unterschiedliche CCI-Methoden zur Verfügung:

  • • Preview: führt eine Szenerie vollkommen automatisch in ein Farbbild über. Enthaltener Farbkontrast korreliert mit spektralen Unterschieden in den Spektraldaten.
  • • Extract: zerlegt automatisch eine Szenerie in spektrale Komponentenbilder und stellt diese dem User graphisch zur Beurteilung zur Verfügung. Die Auswahl der bestgeeignetsten Komponentenbilder beeinflusst die Gestaltung der Perception.
  • • Correlate: die Korrelation von ausgewählten Reinstoffen (bzw. spektral unabhängigen Objekten) zur Szenerie bestimmt Korrelationsbilder, welche zur Gestaltung einer Perception verwendet werden.
  • • Constrain: der User bringt seine Erwartungshaltung durch das Erzwingen von Farbinformationen zu lokalen Objekten in der Szene ein. Orthogonale Farbinformationen (R, G und B) sollten dabei spektral distinkte Objekte beschreiben, Mischfarben können für Objekte spektraler Mischinformationen verwendet werden.
  • • Design: angelehnt am Prinzip der Farbkamera ermöglicht diese Methode z.B. die Erstellung von Filterkurven, welche – gefaltet mit der Szene – ein Farbbild bewirken.

Das Perception Studio Programm basiert auf einem durch Plugins erweiterbaren Software Framework. Unterschiedliche Kompetenzträger (Wissenschaftler, Kamerahersteller oder Applikations-Ingenieure) können dabei das Framework durch ihre Expertise erweitern und Dritten zugänglich machen. Diese technische Voraussetzung ermöglicht die Etablierung neuer Geschäftsmodelle.

Das könnte Sie auch interessieren

Stemmer neuer Lieferant für Intel-Technologie

Das Unternehmen Stemmer Imaging bietet ab sofort als Lieferant Kameras mit Intels RealSense-Technologie an. In dieser Position soll der europäische Bildverarbeitungsspezialist Stemmer die Integration der jüngsten D400er-Serie in Applikationen aus dem Industriebereich vorantreiben und Services sowie Support zur Implementierung zur Verfügung stellen.

www.stemmer-imaging.de

Anzeige
Rückblick: GOM 3D Metrology Conference

Mehr als 750 Messtechnik-Spezialisten aus über 50 Ländern kamen zur diesjährigen 3D Metrology Conference mit begleitender Fachmesse und Factory Walk vom 26. bis 27. September am GOM Firmensitz in Braunschweig zusammen, um sich über die Implementierung messtechnischer Automatisierungslösungen, virtuelle Zusammenbauanalyse, Materialprüfung und optische 3D-Inspektion auszutauschen.

www.gom-conference.com

Infratec: 10-jähriges Jubiläum in den USA

Im Jahr 2007 eröffnete der Infrarotsensorik- und Messtechnik-Spezialist seine erste internationale Niederlassung im US-amerikanischen Grapevine, unweit der Metropole Dallas. Damit einher ging die Gründung der Tochterfirma InfraTec infrared LLC, die seitdem die hohe Nachfrage nach Infrarotsensorik in Nordamerika und speziell den USA vom texanischen Standort Plano abdeckt.

 

www.infratec.de

Anzeige
30-jähriges Jubiläum von EVK

Das österreichische Unternehmen EVK DI Kerschhaggl GmbH aus der Steiermark feiert dieses Jahr sein 30-jähriges Firmenjubiläum. Seit seiner Gründung 1987 konzentriert sich der Hersteller und Entwickler von sensorbasierten Sortier- und Analysesystemen auf Lösungen für die Bewertung und Sortierung von Schüttgut in den Bereichen Recycling, Bergbau, Lebensmittel und Pharmazie.

www.evk.biz

Anzeige
Programm Vision Expert Huddles

Zum ersten Mal bietet der VDMA IBV an den ersten zwei Messetagen der SPS IPC Drives ein neuartiges Vortragskonzept an. Ziel ist, Experten aus der Bildverarbeitungsindustrie mit Messebesuchern und Anwendern ins Gespräch zu bringen. Die Vision Expert Huddles finden am Vision Pavillon in Halle 3A Stand 151 statt. Die Teilnahme am Forum ist kostenfrei.

ibv.vdma.org

High-End Sensors International Conference

Die zweitägige Fachkonferenz ‚High-End Sensors International‘ wird vom 11. bis 12. April 2018 im Sheraton Airport Hotel in Brüssel stattfinden. In über 30 Fachvorträgen in zehn verschiedenen Themenblöcken sowie einer begleitenden Ausstellung widmet sich die gesamte Konferenz den Möglichkeiten für Forschung und Maschinenbau, die der High-End-Sensor-Markt mit sich bringt.

www.highendsensors.net

Anzeige