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5-2018

Fachzeitschrift für Industrielle Automation, Mess-, Steuer- und Regeltechnik

Aktuelles Hyperspectral

Aktuelles Hyperspectral Imaging schafft neue Bildverarbeitungsmärkte Neuester Stand der Hyperspektral-Technik auf der VISION 2018 in Stuttgart / Vielseitige Anwendungsmöglichkeiten einer jungen Technologie Das Thema „Hyperspectral Imaging“ wird auf der VISION vom 06. bis 08. November 2018 in Stuttgart eine wesentliche Rolle spielen. Neben zahlreichen Ausstellern bieten auch einige Vorträge die Möglichkeit, sich über diese Technologie zu informieren. Bildquelle: Messe Stuttgart VISION www.vision-messe.de Landesmesse Stuttgart GmbH www.messe-stuttgart.de Die Industrielle Bildverarbeitung zählt zu den am stärksten wachsenden Branchen des deutschen und europäischen Maschinenbaus. 18 Prozent mehr Umsatz als im Vorjahr generierten die Unternehmen dieser Industriesparte 2017 nach aktuellen Zahlen des VDMA in Deutschland. Und auch europaweit lag die Zunahme deutlich über dem durchschnittlichen Umsatzplus des Maschinenbaus. Ein Wachstumssegment stellt dabei die hyperspektrale Bildverarbeitung dar. Dieser auch als Hyperspectral Imaging (HSI) bekannten, relativ jungen Disziplin wird für die Zukunft ein enormes Potential zugeschrieben. Den wesentlichen Unterschied zu traditionellen Vision- Systemen beschreibt Markus Burgstaller, CEO von Perception Park, so: „Hyperspektral Systeme bieten im Vergleich zu herkömmlichen Bildverarbeitungssystemen pro Objekt pixel ein Spektrum anstelle eines Monochrom- oder Farbwertes. Je nach Wellenlängenbereich und spektroskopischer Verarbeitung können damit hochpräzise Farbkoordinaten, chemische Materialeigenschaften, aber auch Schichtdickeninformationen aus den Spektral daten abgeleitet werden. Die Output-Information einer solchen Kamera weist einen deutlich höheren Komplexitätsgrad auf, ermöglicht aber auch eine viel höhere Diversität und Selektivität hinsichtlich lösbarer Anwendungen.“ „Während herkömmliche RGB- Kameras lediglich die Farben Rot, Grün und Blau abbilden, erlauben hyperspektrale Kameras die Unterscheidung von mehr als hundert Farben“, bestätigt Dr. Jan Makowski, Geschäftsführer der LuxFlux GmbH. „Durch eine solche hochgenaue Farbmessung können Stoffe auf ihre Eigenschaften untersucht und Chemie sichtbar gemacht werden.“ Vielfältige Einsatzfelder Welche Anwendungsmöglichkeiten hinter dieser Methode stecken, deutet Tim Huylebrouck, Produktmanager bei Stemmer Imaging, an: „Vermeintlich gleich aussehende Objekte können – mit einer breitbandigen Beleuchtungsquelle angeregt – aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften völlig unterschiedliche Lichtspektren reflektieren. Diese lassen sich dann mit Hyperspektralsystemen voneinander unterscheiden. In dieser Form kann das keine andere Bildverarbeitungslösung.“ Dr. Georg M e i s s n e r , M a n a g i n g Director von Specim, nennt eine beispielhafte Anwendung: „Zen- Robotics ist ein weltweit führender Anbieter von roboterg e s t ü t z t e n Anlagen zur Mülltrennung. Da der Gebäudeschutt, der in solchen Anlagen sortiert wird, oft gefährliche Materialien wie z.B. Asbest enthält, besteht eine wichtige Anforderung darin, derartige Stoffe sicher und zuverlässig zu identifizieren. Daher vertraut Zen- Robotics auf Hyperspektralkameras von Specim, die für diese Aufgabe die erforderliche Erkennungssicherheit, Empfindlichkeit und Geschwindigkeit aufweisen.“ Auch Gion-Pitschen Gross, Produktmanager bei Allied Vision, sieht den Bereich Recycling und die Sortierung von Plastik als ein wichtiges Einsatzfeld für Hyperspektral systeme an: „HSI ermöglicht dort eine automatische Trennung von Kunststoffteilen, zum Beispiel aus Polyethylen und Polypropylen, die sich anhand ihrer chemischen Zusammensetzung erkennen und trennen lassen. Zusätzlich zu einer vorhandenen Farbsortierung können Stoffe nach ihrer molekularen Beschaffenheit Dr. Jan Makowski, LuxFlux: „Hyperspektrale Kameras erlauben die Unterscheidung von mehr als hundert Farben, dadurch können Stoffe auf ihre Eigenschaften untersucht und Chemie sichtbar gemacht werden.“ Bildquelle: LuxFlux 6 PC & Industrie 5/2018

Aktuelles Während im Realbild (links) Reis, Maden und Holzsplitter kaum zu unterscheiden sind, erlaubt Hyperspectral Imaging im mittleren Bild eine eindeutige Erkennung von Reis (grün), Maden (rot) und Holzsplittern (blau). Rechts: Möglichkeit der Software von Perception Park, Störstoffe sauber zu erkennen. Bildquelle: Perception Park Gion-Pitschen Gross, Allied Vision: „In Zukunft sollte es möglich sein, Materialien allein aufgrund ihrer spektralen Signatur zu erkennen, ohne dass ein Training nötig wäre.“ Bildquelle: Allied Vision differenziert werden. Die Ergebnisqualität des Sortierprozesses wird somit deutlich erhöht.“ Die Inspektion von Lebensmitteln birgt laut Gross ebenfalls viel Potential für die HSI-Technologie: „Fleisch, Fett und Knochen weisen Unterschiede in ihren molekularen Eigenschaften auf, die man in einem HSI-Bild eindeutig erkennen kann. Dies gilt auch für andere Materialien, die im Realbild kaum Unterschiede aufweisen, wie etwa für die fast identisch erscheinenden Lebensmittel Zucker, Salz und Zitronensäure.“ Für Kameras im sichtbaren Spektralbereich ist es zudem schwierig, physische Veränderungen an Objekten zu erkennen. Dies spielt etwa im Lebensmittelbereich eine große Rolle, wenn Früchte oder Gemüse auf ihren Reifegrad oder einen möglichen Schimmelbefall untersucht werden sollen. Hier bieten HSI-Systeme geeignete Lösungsansätze, die Allied Vision unter anderem mit seinen Hyperspektralkameras der Goldeye-Serie adressiert. Einen Durchbruch von HSI-Applikationen mit mobilen Trägersystemen wie dem Precision Farming mit Hilfe von UAVs (Unmanned Aerial Vehicles) erwartet für die Zukunft Daniel Hofmann, CEO der spanischen Photonfocus-Tochter Solpi: „Kamerasysteme können z.B. an eine Drohne montiert werden, um Photogrammetrieoder Inspektionsanwen - d u n g e n z u ermöglichen. Ein solches Kamerasystem kann aus mehreren Hyperspektralkameras, einem GPS-System, einem Embedded-Computer und vielem mehr bestehen. Die aufgenommenen Bilder werden mit genauen GPS-Daten versehen, um die spätere Bildverarbeitung zu vereinfachen.“ Solpi bietet dafür ein Kamerasystem an, das die Verwendung mehrerer Hyperspektral-Kameras in einer eigenständigen Grabbing-Lösung erlaubt. Herausforderungen an HSI- Bildverarbeitung Trotz dieser und weiterer vielversprechender Anwendungsbeispiele zählt Hyperspectral Imaging momentan noch zu den exotischen Disziplinen der Bildverarbeitung. Ein Grund dafür sind einige Herausforderungen, die es noch zu meistern gilt, bevor die Technologie flächendeckend eingesetzt werden kann. Der derzeit noch relativ hohe Preis für die Hyperspektraltechnik zählt dabei zu den Haupteintrittsbarrieren. Hinzu kommt, dass die gesamte Technologie nicht einfach zu verstehen ist und häufig ein tiefes Fachwissen im Bereich der Spektroskopie erfordert. Als weitere Herausforderung nennt Stemmer Imaging-Produktmanager Huylebrouck das Thema Beleuchtung: „Hyperspektrale Bildverarbeitung funktioniert nicht mit den sonst in der Bildverarbeitung häufig verwendeten LED-Beleuchtungen, sondern nur mit Halogenlampen, die ein breites Wellenlängenspektrum emittieren. Hier gibt es noch Bedarf an geeigneten Beleuchtungen.“ Zudem müsse die Beleuchtung z. B. in Anwendungen in der Lebensmittelindustrie ein Schutzglas aufweisen, das in dieser Branche jedoch aufgrund von Sicherheitsstandards nicht aus Glas sein darf. „Andere Materialien würden die Spektren allerdings verfälschen. Hier bedarf es einiger Kniffe“, erläutert Huylebrouck. Diese Gründe sowie der Mangel an leistungsfähiger Hyperspektral- Software, an zuverlässigen Spektraldaten und an Erfahrung führen nach Ansicht vieler Experten zu einem derzeit noch etwas zögerlichen Ausbau dieser neuen Technologie. Stemmer Imaging bietet Hyperspektral-Komplettsysteme für verschiedenste Anwendungsbereiche an. Hier ein Versuchsaufbau zur Überprüfung von Käse. Bildquelle: Stemmer Imaging PC & Industrie 5/2018 7