Hyperspectral Imaging

Hyperspectral Imaging ist der im Umfeld der Bildverarbeitung und des Militärs verwendete Begriff für spektrale Bildgebung (spectral imaging), bildgebende Spektroskopie (imaging spectroscopy) oder chemische Bildgebung (chemical imaging). Sie stellt spektroskopische Daten für die Auswertung durch Bildverarbeitung zur Verfügung, um komplexe physikalische und chemische Eigenschaften ortsaufgelöst zu messen und bildhaft darzustellen.
Vorgänger von Hyperspectral Imaging (HSI) war die multispektrale 2D-Bildgebung, die wenige Wellenlängenbänder -vor allem im Bereich des sichtbaren Lichtes – nutzte und ursprünglich für die ErdFernerkundung entwickelt wurde. HSI dagegen ist eine Form der 2D-/3D-Bildgebung, bei der zahlreiche Wellenlängenbänder, eine große spektrale Auflösung oder ein breiter Spektralbereich zur Gesamtinformation beitragen. Da der zu betrachtende Wellenlängenbereich eine große Breite besitzen kann (Licht: 15nm bis 800µm), muss die Auswahl des Sensorsystems (z.B. hyperspektrale Kamera oder spektrale Sensoren für verschiedene Wellenlängenbänder) der Anwendung angepasst werden. Damit hyperspektrale Eigenschaften räumlich dem Prüfobjekt zuzuordnen sind, wird meistens zuerst ein Bild im sichtbaren Spektralbereich aufgenommen. Typischerweise werden damit gleichzeitig physikalische Eigenschaften wie Abmessungen, Helligkeit, Farbe oder Oberflächeneigenschaften ermittelt. Den so gewonnenen geometrischen Objekt-Orten können dann die hyperspektralen Daten aus dem nicht sichtbaren Licht-Bereich zugeordnet werden. Dies sind Objekteigenschaften, die nur in definierten Wellenlängenbereichen erkennbar sind, wie z.B. chemische Elemente und Verbindungen. Je enger die spektral zu untersuchenden Wellenlängenbereiche sind, desto besser ist die Auflösung und die Möglichkeit, verschiedene Stoffe unterscheiden zu können. Die für jeden einzelnen Wellenlängenbereich gewonnenen Bilder werden zusammen als Bildstapel angeordnet. Sie beschreiben den hyperspektralen Datenwürfel. Die Anzahl der gewonnenen Bilder bestimmen die Höhe des Würfels (Quaders) und damit den Informationsgehalt. Er kennzeichnet damit die spektrale Signatur des Objektes, die mit einem Fingerabdruck vergleichbar ist. Die Informationsdichte in einem hyperspektralen Datenwürfel richtet sich nach der Ortsauflösung des Sensors, der Anzahl der Wellenlängenbänder, deren spektraler Auflösung sowie der Breite des gesamten Spektralbereichs. Wie bei bildgebenden Verfahren typisch, werden den ermittelten Daten Farben zugewiesen. Das vereinfacht die visuelle Erkennung und reduziert die eigentliche Bildverarbeitung auf bekannte Algorithmen der Farbbildverarbeitung. Mit Verfahren metrischer, optischer und chemischer Messtechnik und des maschinellen Lernens wird der Datenwürfel ausgewertet. Anwendung findet HSI in den Bereichen Lebensmittel, Pharma, Medizin, Recycling, Grundstoffindustrie, Landwirtschaft, Umweltschutz und Militär sowie bei Verfahren zum Nachweis und Ausschluss, zur Gewinnung, Trennung und Analyse von Stoffen.