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Hyperspektral-System im Einsatz: Das Bildverarbeitungssystem identifiziert Materialunterschiede aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften. Bild: Stemmer Imaging
Hyperspektralsysteme

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Evolution in der Bildverarbeitung

Text: Peter Stiefenhöfer, Stemmer Imaging
Materialien anhand ihrer Molekülstruktur zu erkennen, ist mit Chemical Color Imaging und industrieller Bildverarbeitung möglich. Zum Analysieren der Bilder war bisher Expertenwissen nötig. Nun aber ist diese wissenschaftliche Methode für jedermann intuitiv zugänglich.

Die Bildverarbeitungstechnologie hat sich über die vergangenen Jahrzehnte konsequent weiterentwickelt. Von Schwarz-Weiß-Kameras, die Kontrastunterschiede zur Defekterkennung nutzen, ging die Entwicklung hin zu immer präziser arbeitenden Farbkameras. Chemical Color Imaging (CCI) bringt diesen technologischen Fortschritt nun auf die nächste Ebene. Die Softwaretechnologie des Grazer Unternehmens Perception Park macht komplexe Hyperspektraldaten auf molekularer Ebene für die industrielle Bildverarbeitung nutzbar. Das Forschungsfeld „Perception“ beinhaltet eine verständliche Auswertung und Visualisierung von tatsächlich interessanten Informationen in großen Datenmengen.

Moderne 3D-Bildverarbeitungssysteme mit Farbkameras erzeugen hochpräzise räumliche Bilder der untersuchten Objekte. Allerdings sind die Systeme ausgelegt auf die Analyse von Oberflächen und finden ihre Grenzen immer dann, wenn die untersuchenden Objekte eine unterschiedliche molekulare Struktur besitzen oder gar einem Veränderungsprozess unterliegen. Ersteres ist beispielsweise bei der Trennung von Kunststoffen im Recycling der Fall, während etwa im Lebensmittelbereich der Reifegrad von Früchten und möglicher Schimmelbefall eine große Rolle spielen.

Eindeutiger chemischer Fingerabdruck

Solche Informationen können nur mit Hyperspektralkameras gewonnen werden, denn anhand ihrer chemischen Eigenschaften hinterlassen Objekte mit ihrer spektralen Signatur einen einzigartigen „Fingerabdruck“. Diese spektralen Signaturen ermöglichen eine Materialerkennung durch die Molekülstruktur einzelner Objekte.

Allerdings war hyperspektrale Kameratechnologie bislang noch nicht flächendeckend im industriellen Umfeld anwendbar. „Ein Grund dafür ist, dass die Entwicklung hyperspektraler Applikationen bisher nur Experten der Spektroskopie und Chemometrie vorbehalten war“, erklärt Markus Burgstaller, Geschäftsführer bei Perception Park. „Viele Anwendungsversuche scheitern zudem daran, dass die Farbbildverarbeitungssysteme bestehender Maschinen in der Regel nicht in der Lage sind, hyperspektrale Kameras sinnvoll zu integrieren. Als Folge muss jede einzelne Anwendung basierend auf hyperspektraler Kameratechnologie von Grund auf neu entwickelt und umgesetzt werden, was im industriellen Umfeld meist nicht wirtschaftlich darstellbar ist.“

Spektroskopie mit industrieller Bildverarbeitung

Chemical Color Imaging (CCI) schließt diese technologische Lücke und ermöglicht erstmals, dass chemische Eigenschaften von Objekten mittels Bildverarbeitung in Echtzeit bewertet werden können. Die Vorteile der Spektroskopie werden mit denen der industriellen Bildverarbeitung zusammengeführt. „Kernelement von CCI ist die Extraktion von zweidimensionalen 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 kodiert dargestellt. Durch den Einsatz von CCI erscheint die hyperspektrale Kamera im System des Anwenders also wie eine Farbkamera. Die Farben (Chemical Colors) spiegeln molekulare Eigenschaften der untersuchten Objekte wider“, erläutert Burgstaller. Die Vorzüge der Spektroskopie hinsichtlich ihrer Selektivität werden um den „örtlich verstehenden“ Charakter der Bildverarbeitung erweitert. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass keine Klassifikation, sondern eine gezielte Reduktion der spektroskopischen Information hin auf interpretierbare chemische Eigenschaften stattfindet.

Perception Park hat mit dem Perception-System eine generische, intuitiv konfigurierbare Datenverarbeitungsplattform entwickelt, die wissenschaftliche Methoden gekapselt zur Verfügung stellt und für jedermann intuitiv zugänglich macht. Diese Abstraktion von komplexen spektralen Informationen über vorhandene chemische Eigenschaften macht die Handhabung der Kamera auch für Benutzer ohne Expertenwissen über Spektroskopie und Chemometrie zugänglich und interpretierbar. „Aufgrund dieses generischen Zuganges müssen neue Anwendungen nicht von Grund auf programmiert werden. Vielmehr können auch Anwender ohne Spezialkenntnisse in Chemometrie, Spektroskopie oder hyperspektraler Datenverarbeitung selbstständig Applikationen entwickeln und konfigurieren“, erklärt Burgstaller. Einmal konfiguriert, läuft das Perception System im „Stand-Alone-Betrieb“.

Breite Anwendungsmöglichkeiten

CCI wird typischerweise von Lösungsanbietern wie Maschinenbauern vornehmlich in industriellen Prozessen angewendet. Für sie bedeutet es eine größere Unabhängigkeit von externen Technologielieferanten und damit mehr Unabhängigkeit bezüglich der eigenen Applikation. Da bei einem Perception-System Applikationen konfiguriert werden und nicht für jede Anpassung neuer Programmieraufwand erforderlich ist, lassen sich bestehende Anwendungen einfach und mit wenig Entwicklungsaufwand anpassen.

Dies schlägt sich zum Beispiel in der lebensmittelverarbeitenden Industrie, wo sich das Sortiergut durch Nachreifung schnell verändert, positiv durch kürzere Zyklen für Weiterentwicklungen und Anpassungen nieder. Eine typische Anwendung im Lebensmittelbereich ist die Unterscheidung der Fleisch-, Fett- und Knochenanteile zum Beispiel an einem Hähnchenschlegel.

Chemical Color Imaging kann auch hilfreich bei der Identifikation von Stoffen sein, die im Realbild kaum Unterschiede aufweisen, sich im CCI-Bild aufgrund der unterschiedlichen Molekularstruktur und der chemischen Eigenschaften eindeutig unterscheiden.

Neben der Lebensmittelbranche sind die Hauptanwenderindustrien von Chemical Color Imaging derzeit der Bergbau, die Pharmaindustrie sowie das Recycling. Bei Letzterem ermöglicht die Technologie ein zuverlässiges automatisches Erkennen und Trennen von Kunststoffen zum Beispiel aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) aufgrund ihrer chemischen Zusammensetzung. Dabei kann eine Hyperspektralkamera zusätzlich in eine Sortiermaschine integriert werden, die bereits eine Farbsortierung verwendet. Darüber hinaus ist der Anwender mittels CCI in der Lage, molekulare Informationen mit den Farbinformationen der untersuchten Objekte zu kombinieren, um die Sortierqualität noch genauer zu machen. Selbst im Medizinbereich gibt es erste Versuche mit Chemical Color Imaging (CCI). „Es ist bereits gelungen, mit CCI und einem Hyperspektral-Aufbau eine menschliche Hand aufzunehmen und die darin befindlichen Blutgefäße sichtbar zu machen“, sagt Burgstaller.

Modulares System für industrielle Anwendungen

Durch die Zusammenarbeit zwischen Perception Park und Stemmer Imaging steht die Hyperspektraltechnologie nun erstmals auch industriellen Anwendern ohne Fachwissen in den Themen Spektroskopie und Chemometrie als modulares System zur Verfügung. Die intuitiv konfigurierbare Softwareplattform Perception Studio von Perception Park stellt dabei wissenschaftliche Methoden der hyperspektralen Analyse gekapselt zur Verfügung. Diese Software dient als Basis für die Systeme, die Stemmer Imaging durch die Ergänzung um Hardwarekomponenten wie geeignete CMOS- und Indiumgalliumarsenid-Industriekameras, Beleuchtungen, Optiken und Bilderfassungskarten sowie Bildverarbeitungsrechner zu CCI-Komplettsystemen erweitert.

Die auf diese Weise verfügbaren Hyperspektral-Lösungen arbeiten in Echtzeit mit einer Rechenleistung von mehr als 200 Millionen Spektralpunkten pro Sekunde. Über die in der Bildverarbeitung gängigen Schnittstellen Cameralink und GigE Vision können Kameras unterschiedlicher Hersteller angeschlossen werden. Stemmer Imaging vertreibt diese CCI-Systeme seit Januar 2016.

Bildverarbeitung 4.0

„Betrachtet man die Entwicklung der Bildverarbeitung, kann man Systeme für die monochrome Bildaufnahme als ersten Evolutionsschritt dieser Technologie bezeichnen“, sagt Jörg Schmitz, vertrieblicher Ansprechpartner für CCI-Systeme bei Stemmer Imaging. „Nach der Farb- und später der 3D-Bildverarbeitung sind Hyperspektralsysteme nun der nächste Schritt – sozusagen Bildverarbeitung 4.0.“ Schmitz sieht eine Reihe äußerst interessanter Anwendungsfälle für Hyperspektralsysteme und hat bereits konkrete Ideen, wie Stemmer Imaging seinen Kunden mit dieser Technik zuverlässige Lösungen für bisher nahezu unlösbare Aufgaben anbieten kann.

Die Kombination von Chemical Color Imaging und industrieller Bildverarbeitung ermöglicht Hyperspektral-Bildverarbeitungssysteme, die eine Identifikation von Materialunterschieden aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften erlauben. Dies erschließt neue Anwendungsgebiete.

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