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Hyperspectral Imaging auf dem Sprung in die industrielle Bildverarbeitung

Snapshot Spectral Imaging

Jahrelang fristete Hyperspectral Imaging (HSI) ein Schattendasein in der industriellen Bildverarbeitung. Zu teuer, zu umständlich und nicht industrietauglich, so lauteten die Vorurteile. Durch die Zusammenarbeit zweier Firmen konnten diese Hürden nun überwunden werden. Die Preise sind deutlich gesenkt, die Software in den Sensor integriert und die Technologie in einem industrietauglichen Gehäuse verpackt. Die vollflächigen Sensoren unterscheiden sich damit bei Ihrer Integration nicht länger von 2D-RGB-Sensoren.

 Die hyperspektralen Kameras der Firefleye, Butterfleye und Butterfleye X2 (v.o.n.u.) kamen bisher vorwiegend bei der Agrartechnik zum Einsatz. (Bilder: Cubert GmbH)

Die hyperspektralen Kameras der Firefleye, Butterfleye und Butterfleye X2 (v.o.n.u.) kamen bisher vorwiegend bei der Agrartechnik zum Einsatz. (Bilder: Cubert GmbH)

Hyperspektrale, bildgebende Sensorik verspricht die chemischen Unterschiede einer Probe ortsaufgelöst zu detektieren. Anders als bei gewöhnlicher RGB-Sensorik werden nicht nur reine Helligkeitsinformationen/Pixel detektiert, sondern ein vollständiges Spektrum/Pixel aufgenommen. Ist die Signatur verschiedener chemischer Komponenten der Probe bekannt und im Spektralbereich signifikant, können sogar absolute Konzentrationen der chemischen Substanzen in jedem Bildpunkt detektiert werden. Die Gründe, dass dieser Technologie der Durchbruch in der industriellen Bildverarbeitung noch bevorsteht, sind hauptsächlich bei der fehlenden Standardkonformität, der fehlenden Industrietauglichkeit und nicht zuletzt dem hohen Preis zu suchen. Alle diese Hürden sind nun überwunden. Spektrale Sensorik besitzt eine hohe Sensitivität auf Qualität und Veränderungen in Lebensmitteln und Agrarprodukten. Bisher haben daher Entwicklungen vorwiegend im Agrarumfeld stattgefunden. Dort wird einfache Spektralsensorik bereits seit ca. zehn Jahren eingesetzt. Die Cubert GmbH startete 2012 als erste Firma weltweit den Vertrieb eines neuartigen vollflächigen HSI-Sensors für mobile und drohnengestützte Applikationen. Neben den Hyperspektrallösungen der Firefleye-Serie kommen nun auch in Zusammenarbeit mit VRmagic Imaging intelligente, hochintegrierte Sensoren auf Einzelchipbasis auf den Markt. Die Produkte der neuen Butterfleye-Serie basieren auf der intelligenten Kameraplattform D3 von VRmagic Imaging und sind vollständig autark. In dem kleinen Formfaktor der Kamera (Gewicht 370g) findet basierend auf dem ARM bzw. DSP der D3 bereits eine chemische Echtzeit-Analyse der Spektralbänder statt. Die Software Cubert Utils ermöglicht dabei die Echtzeitverrechnung und Kalibration der Spektralsignale der IMEC-Sensoren und berücksichtigt auch radiometrische Einflüsse wie einfallendes Sonnenlicht. Die Kamera verknüpft Daten von weiteren Sensoren, wie GPS, Lageinformation oder Temperatur mit den Messungen. Diese werden per TCP/IP kabellos zur Bodenstation übertragen oder on-Board auf SSD/SD-Karte gespeichert. Mit einer photogrammetrischen Mapping Lösung von Vito ist die nahtlose Erstellung von GPS verorteten Ergebniskarten möglich, aus denen ortsabhängige Dünge- und Pflanzenschutzmaßnahmen hervorgehen. Zusammen mit Robert Bosch und weiteren Partnern werden aktuell autonome End-to-End-Lösungen für den landwirtschaftlichen Einsatz erforscht. Die Messung ist dabei integraler Bestandteil des Pflanzenschutzes oder Düngemitteleinsatzes und muss nicht mehr singulär durchgeführt werden, sondern steuert den Spritzmitteleinsatz direkt.

Der Weg in die industrielle Bildverarbeitung

 Die Kameras der Butterfleye-Serie, wie z.B. die Q137, basieren auf der intelligenten Kameraplattform D3 von VRmagic Imaging. (Bild: Cubert GmbH)

Die Kameras der Butterfleye-Serie, wie z.B. die Q137, basieren auf der intelligenten Kameraplattform D3 von VRmagic Imaging. (Bild: Cubert GmbH)

Cubert ist Marktführer für vollflächig spektral messende Kameralösungen. VRmagic Imaging bietet ausgereifte industrielle Plattformen für Multisensor-Applikationen und intelligente Kamerasysteme. Durch die Zusammenarbeit sind nun Produkte möglich, die den Anforderungen an spektrale Sensorik gerecht werden und gleichzeitig industrietauglich sind. Neben der Feldanwendung sind die Systeme insbesondere für die Wareneingangskontrolle von Lebensmitteln und Agrargütern prädestiniert. Die HSI-Sensorik schließt sich auch im Preis mittlerweile nahtlos an das oberste Preissegment industrieller RGB-Sensorik an und ist – bis auf die hohe Anzahl spektraler Filter und der Genauigkeit chemischer und struktureller Aussagen – in der Anwendung identisch zu CCD- oder CMOS-Industriesensoren. Dabei übernimmt die auf der Kameraplattform integrierte Spectral Imaging Software von Cubert direkt die Übersetzung der spektralen Daten in konzentrationsabhängige Grauwerte oder klassifikationsabhängige Falschfarbdaten. Die Weiterverarbeitung kann danach in einer Bildverarbeitungssoftware wie Halcon oder OpenCV stattfinden. Die gesamte spektrale Messtechnik ist in einem IP65/67 zertifizierten Aluminiumgehäuse mit 24V-Spannung, M12 versiegelten Steckern und opto-isolierten I/Os sowie einer Vielzahl industrieller Schnittstellen integriert. Die intelligente Plattform ermöglicht die Verrechnung der Daten direkt auf dem ARM8 bzw. DSP. In Zukunft werden durch Integration der nun vorgestellten RIC10-Plattform von VRmagic mit ihrer 10GigE-Anbindung auch Hochgeschwindigkeits-Spektralanalysen mit Datenraten bis zu 340 vollflächigen hyperspektralen Datenwürfeln möglich sein. Die Produktpalette für industrielle Anwendungen wird in den nächsten Jahren weiter ausgebaut.

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