HSI goes Embedded

Hyperspektrale Bildverarbeitung für SoC-Systeme

Das Unternehmen Perception Park hat durch Produkte im Bereich Chemical Colour Imaging dazu beigetragen, die Technologie der hyperspektralen Bildverarbeitung zur industriellen Marktreife zu entwickeln. Jetzt legen die Österreicher mit einer Embedded-Version ihrer Technologie nach.

Bild 1 | HSI-Daten sind meist erheblich größer als Bilddaten von herkömmlichen Kameras. Im Beispiel haben das Realbild (links) und das CCI-Bild (rechts) eine Größe von ca. 1MB, die HSI-Daten (Mitte) umfassen hingegen rund 400MB. (Bild: Perception Park GmbH)

Die Begriffe Chemical Colour Imaging (CCI) und Hyperspektrale Imaging (HSI) waren lange Zeit nur wenigen Spezialisten bekannt, die sich mit den zugrundeliegenden Technologien wie Spektroskopie, hyperspektralen Kameras und den dafür notwendigen chemometrischen und spektroskopischen Verarbeitungsdisziplinen befassten. 2014 stellte dann Perception Park eine Lösung aus zwei Komponenten vor, welche die Anwendung von HSI-Systemen in der Industrie ermöglicht, ohne Spezialisten aus den vorher genannten Disziplinen zu benötigen. Teil eins ist das Perception Studio zur Entwicklung von HSI-Applikationen, die weltweit erste Software-Suite, welche die CCI-Technologie vollinhaltlich umsetzt und dabei die Integration, Standardisierung und Kalibration aller unterstützten Kameras übernimmt. Dies gewährleistet zudem die Wiederholbarkeit von Anwendungen. Als zweite Komponente dient der Perception Core. Diese Runtime-Engine stellt Anwendungen, die mit Hilfe von Perception Studio entwickelt wurden, in Echtzeit für industrielle Prozesse zur Verfügung. Das Produkt kann man sich als Adapter vorstellen, der spektrale und chemometrische Merkmale über einen CCI-Farb- oder -Monochromstream in Echtzeit zur Auswertung zur Verfügung stellt. Die Daten können dann durch herkömmliche Bildverarbeitungstools bewertet werden. Da HSI-Daten meist erheblich größer als Bilddaten von herkömmlichen Monochrom- oder Farbkameras sind, erfordert dies eine hocheffiziente und parallele Datenverarbeitung, um die geforderte Echtzeit im industriellen Einsatz zu gewährleisten. Die Produkte Perception Studio und Perception Core dienen als Basis für die modularen, hyperspektralen Komplettsysteme, die in Europa über Stemmer Imaging angeboten werden.

PU- und Embedded-Systeme

Bisher waren nur leistungsstarke PC-Grafikkarten mit paralleler Datenverarbeitung in der Lage, die hohen Anforderungen bei der Auswertung von HSI-Daten zu erfüllen. Sie bieten zudem die nötige Flexibilität, um gegebenenfalls neue Methoden zu implementieren. Diese Eigenschaft ist wichtig, da CCI in verschiedenen Industriefeldern mit zum Teil stark unterschiedlichen Anforderungen eingesetzt wird. Ein weiterer Pluspunkt von Grafikkarten sind die kurzen Weiterentwicklungszyklen, die zu kontinuierlichen Leistungssteigerungen führen. Dennoch besteht Bedarf an kompakten Embedded-Plattformen für HSI mit niedriger Leistungsaufnahme. So lassen sich damit z.B. industrielle Maschinen erheblich kompakter realisieren. Ein anderes Anwendungsfeld ist der stark wachsende Drohnenmarkt, wo der Einsatz von mobilen HSI-Systemen u.a. in der Agrar- oder Forstwirtschaft noch relativ am Anfang steht. Mittlerweile bieten daher einige Hersteller leistungsfähige SoCs-Architekturen (System on Chip) an, die ebenfalls eine hochparallele Datenverarbeitung, allerdings in extrem kompakten Baugrößen ermöglichen. So hat Nvidia 2015 seine SoC Tegra X1-Serie vorgestellt. Die geringe Größe und minimale Leistungsaufnahme bei gleichzeitig hoher Rechenleistung prädestiniert diese Embedded-Rechner auch für die Nutzung in kompakten HSI-Systemen. Perception Park hat dies erkannt und umgesetzt: Der Perception Core ist nun auch in einer Version für SoC-Rechner auf Basis der SoC Tegra X1- und X2-Familie von Nvidia verfügbar. Damit stehen Anwendern nun einfach zu bedienende und hochgradig konfigurierbare Werkzeuge für Embedded-HSI-Systeme zur Verfügung. Auf Basis der Tegra-Technologie von Nvidia und mit Hilfe von Methoden zur GPU-Beschleunigung wird sich das HSI- und CCI-Anwendungsfeld dramatisch erweitern.

Intelligente HSI-Kameras

Bild 2 | Die Runtime-Engine Perception Core ´übersetzt´ HSI-Daten in chemische Farben, die anschließend mit Standard-Tools klassifiziert werden können. Die Software ist nun auch für SoC-Rechner der Tegra X1- und X2-Familie von Nvidia verfügbar. (Bild: Perception Park GmbH)

Durch die neuen Embedded-Plattformen sind Embedded-HSI-Systeme zur Datenverarbeitung nun direkt in einer HSI-Kamera möglich. Mit dieser Weiterentwicklung lassen sich somit sowohl konfigurierbare, als auch für einen speziellen Anwendungsfall zugeschnittene intelligente HSI-Kameras realisieren. So wären beispielsweise analog zu Wärmebildkameras nun auch die Erstellung einer Feuchtigkeits- oder Zuckerbildkameras denkbar. Die erheblich kleineren, leichteren und energieeffizienteren HSI-Kameras, die in den vergangenen Jahren von verschiedenen Herstellern vorgestellt wurden, sind bereits heute in zahlreichen mobilen Anwendungen im Einsatz, u.a. der Geologie, Agrarwirtschaft, im Umweltschutz oder der Lebensmittelüberwachung. „Wenn hyperspektrale Kameras weiterhin mit dieser Geschwindigkeit miniaturisiert werden, können sie in naher Zukunft auch direkt in mobilen Geräten verbaut werden“, prognostiziert Perception Park-CEO Markus Burgstaller. Er nennt nur ein Beispiel dieser Technologie im Consumer-Markt: „Es wäre damit möglich, beim Supermarkteinkauf einfach zu überprüfen, ob das ausgewählte Obst oder Gemüse bereits unsichtbare Faulstellen im Inneren aufweist.“ Einsatzfälle wie diesen gäbe es laut Burgstaller in nahezu unbegrenzter Anzahl und quer durch alle Bereiche des täglichen Lebens sowie in industriellen Anwendungen. Das Potenzial der Perception Technologie hat auch Nvidia erkannt und das Unternehmen aufgrund von Embedded CCI zum Nvidia Inception Program, sowie zu einem Vortrag auf der Nvidia GPU Technology Conference eingeladen.