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.

Industrielle Anwendung

Aufgrund des generischen Zuganges des Perception Studios müssen neue Anwendungen nicht von Grund auf neu programmiert werden. Vielmehr können Anwender selbstständig Applikationen entwickeln und konfigurieren, ohne dass Spezialkenntnisse der Basistechnologien wie Spektroskopie und Chemometrie erforderlich sind. Durch den Einsatz einer Real-Time-Engine kann die Abarbeitung einer im Perception Studio entwickelten Verarbeitung in Echtzeit erfolgen. Eine besonders geringe Latenz ermöglicht sogar den industriellen Einsatz zur Sortierung von Schüttgut. Einmal konfiguriert, läuft das System als Adapter zwischen Kamera und Maschine. Als Schnittstelle zur Maschine kann ein standardisiertes Bildverarbeitungsformat verwendet werden und bestehende Vision-Lösungen einfach ergänzt werden. Für Maschinenbauer bedeutet CCI eine größere Unabhängigkeit von externen Technologielieferanten und damit mehr Unabhängigkeit bezüglich der eigenen Applikation. Da der generische Datenverarbeitungsansatz ‚konfigurieren statt programmieren‘ ermöglicht, lassen sich bestehende Anwendungen mit wenig Entwicklungsaufwand leicht anpassen. Dies schlägt sich beispielsweise in der Lebensmittelindustrie, wo sich das Sortiergut z.B. durch Nachreifung schnell verändert, positiv durch kürzere Zyklen für Weiterentwicklungen und Anpassungen nieder. Durch die kürzlich erolgte Kooperation zwischen Perception Park und Stemmer Imaging steht die Hyperspektraltechnologie nun auch industriellen Anwendern ohne Fachwissen in den Themen Spektroskopie und Chemometrie als modulares System zur Verfügung. Die verfügbaren Hyperspektral-Lösungen arbeiten in Echtzeit mit einer Rechenleistung von mehr als 200Mio. Spektralpunkten/sec.