Hyperspektrale 20MP-Snapshot-Kamera mit neuem Ansatz

Lichtfeld für HSI

Hyperspektrale 20MP-Snapshot-Kamera mit neuem Ansatz

Die hyperspektrale Snapshot-Kamera Ultris überzeugt mit ihrer Datenqualität, 20MP-Bildauflösung, Flexibilität und Geschwindigkeit sowie einem spektralen On-Demand-Videorecorder.

Bild 1 | Bildvergleich der drei hyperspektralen Kameras Firefleye Q285, Butterfleye X2 (Dual Imec) und Ultris Q20. Für jeden Kameratyp werden eine RGB-Ansicht (True Color) und zwei Hyperspektralindizes (hNDVI und RedEdge) angezeigt. (Bild: Cubert GmbH)

Bild 1 | Bildvergleich der drei hyperspektralen Kameras Firefleye Q285, Butterfleye X2 (Dual Imec) und Ultris Q20. Für jeden Kameratyp werden eine RGB-Ansicht (True Color) und zwei Hyperspektralindizes (hNDVI und RedEdge) angezeigt. (Bild: Cubert GmbH)

Die Firefleye Q285 war seinerzeit die erste hyperspektrale Snapshot-Kamera, die einen vollständigen 3D-Datenwürfel (x, y, ) mit einer einzigen Aufnahme erfassen konnte. Die prismabasierte Sensortechnologie ermöglicht einen Lichtdurchsatz von bis zu 70 Prozent, der den CCD erreicht. Mit 125 Spektralkanälen (450 bis 950nm), beträgt die Bildgröße 50×50 Pixel, was 2.500 Spektren entspricht. Da es aber bei 50×50 Pixel schwierig ist, strukturelle Unterschiede in einem Bild zu erkennen, wurde ein zweiter Sensor mit nur einem Band (panchromatisch) in die Kamera integriert, wodurch derselbe Bildausschnitt mit 1.000×1.000 Pixel aufgenommen wird. Mit diesen zusätzlichen Informationen können Anwender ein Pansharpening der Spektraldaten durchführen, die zu finalen Datenwürfeln mit maximal 1.000×1.000×125 führt. Da viele Anwender aber nach noch höherer nicht-interpolierter Auflösung fragten, erweiterte Cubert sein Portfolio mit der multispektralen Butterfleye-Kamera auf Basis der Filter-on-Chip-Technologie von Imec. Die Anzahl der Kanäle verringerte sich dabei je nach verwendeten Chip auf 16 bzw. 25. Das kombinierte Modell Butterfleye X2 erreicht eine Auflösung von 512×272 Pixel.

Völlig neue Snapshot-Technologie

Auf Basis einer Lichtfeldkamera wurde nun das neue Modell Ultris entwickelt. Die Kamera verfügt über einen Ultra HD-CMOS-Sensor mit 20MP und ist somit das höchstaufgelöste Bildgebungsspektrometer der Welt, wenn es um die reine Pixelanzahl geht. Während der Aufnahme wird das Objekt hierbei in einer Vielzahl von Bildern aufgenommen, von denen jedes durch einen eigenen optischen Filter erzeugt wird. Die Kamera erreicht eine native Bildauflösung von 400×400 Pixeln mit jeweils 100 Spektralkanälen, welche den Wellenlängenbereich von 450 bis 850nm abdecken. Dies bedeutet folglich, dass die hohe Zahl von 160.000 Spektren simultan erfasst werden. Der 12bit-Sensor der Kamera ermöglicht es minimale Helligkeitsunterschiede in den Spektralinformationen bei gleichzeitig sehr geringem Rauschanteil zu erkennen. Die Dual-GigE-Schnittstelle der Kamera gewährleistet eine Ausleserate von bis zu 6Hz. Betrachtet man die Anordnung der Kanäle der drei Kameras innerhalb des Spektrums, werden die Verbesserungen deutlich. Die Q285 hat aufgrund ihrer prismabasierten Optik eine nichtlineare Verteilung der Kanäle. Bei der Imec-Kamera X2 kommt erschwerend hinzu, dass der Abstand sowie die genaue Position der Spektralkanäle aufgrund des komplizierten Herstellungsprozesses der Filter auf dem Chip nicht genau definiert werden können. Die Kanäle der Ultris sind hingegen vollständig äquidistant platziert, mit einem Halbwertsbreite (Full Width Half Maximum, FWHM) von zwei Prozent der Zentrumswellenlänge.

Kameras im Vergleich

Die drei Kameras (Butterfleye X2, Firefleye Q285 und Ultris Q20) wurden für einen Vergleich im selben Aufbau installiert. Die Beleuchtungszeit wurde dabei auf einer Weißreferenz optimiert, um die maximale Dynamik abzuleiten. Die Beleuchtung erfolgte mit einer stabilisierten Wolfram-Lichtquelle (50W), wobei die Integrationszeiten für die Kameras bei 10ms (Q285), 16ms (Ultris) und 120ms (X2) lagen. Das Reflexionsvermögen der verschiedenen Testproben wurde berechnet, indem vom Messbild der Dunkelstrom subtrahiert und es anschließend durch ein Bild einer kalibrierten 95 Prozent-Weißreferenz (Zenith Lite) dividiert wurde. Die Dunkelstrommessung als auch die Weißreferenz wurden zur Rauschunterdrückung 20x gemittelt. Das Messbild wurde jedoch ohne Mittelwertbildung aufgenommen und nicht nachbearbeitet, um das inhärente Rauschen wiederzugeben. Die Daten werden somit im Original angezeigt, d.h. ohne Mittelwertbildung, Schärfung oder Glättung, um die spektrale Qualität jedes Sensors entsprechend wiederzugeben. Bild 1 zeigt die verschiedenen Berechnungen der hyperspektralen Datenwürfel. Die erste Zeile der Abbildung zeigt eine typische RGB-Ansicht (True Color), die beiden unteren Zeilen beispielhafte Hyperspektralindizes, welche so auch für Vegetationsanalysen verwendet werden können. Jedes Pixel der verschiedenen Darstellungen repräsentiert dabei eine Spektralkurve der entsprechenden Sensoren. Im Falle der Firefleye Q285 ist die niedrige räumliche Auflösung offensichtlich. Die Farbdarstellung hingegen ist sehr klar, dies wird auch durch die rauschfreie Darstellung der Vegetationsindizes belegt. Die Imec-Kamera X2 hat zwar eine höhere räumliche Auflösung, zeigt aber das typische Rauschen dieses Sensors. Insbesondere die Vegetationsindizes sind erst nach starker Nachbearbeitung verwendbar. Die neue Ultris Q20 schließlich liefert eine hohe Bildauflösung bei geringem Rauschen. Sowohl die Bildqualität als auch die spektrale Qualität sind hervorragend. Das Bildrauschen ist vergleichbar mit den Werten der Firefleye Q285. Bild 2 zeigt die spektrale Signatur der Sensoren von drei verschiedenfarbigen Papierproben. Die Spektren aller Pixel eines vorher definierten Bereichs innerhalb jeder Farbe wurden gemittelt. Da die Standardabweichung das Rauschäquivalent der Sensoren widerspiegelt wird diese als Fehlerbalken für jeden Kanal visualisiert. Das Ergebnis zeigt schließlich, dass die neue Ultris trotz ihrer ungleich höheren räumlichen Auflösung die spektrale Qualität der Firefleye problemlos halten kann.

Thematik: Allgemein
www.cubert-gmbh.de

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