Chemical Color Imaging (CCI) macht komplexe Hyperspektraldaten auf molekularer Ebene für die industrielle Bildverarbeitung nutzbar. Hyperspektral-Bildverarbeitungssysteme von Stemmer Imaging auf Basis einer generischen, intuitiv konfigurierbaren Datenverarbeitungsplattform von Perception Park machen wissenschaftliche Methoden der hyperspektralen Analyse nun für jedermann intuitiv zugänglich und erschließen so neue Anwendungsgebiete.
Die Bildverarbeitungstechnologie hat sich über die letzten Jahrzehnte konsequent weiterentwickelt. Von Schwarz-Weiß-Kameras, die Kontrastunterschiede zur Defekterkennung nutzen, ging die Entwicklung hin zu immer präziser arbeitenden Farbkameras, mit denen geringste Farbabweichungen erkennbar werden.
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 3-D-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. Das ist beispielsweise bei der Beurteilung des Reifegrads von Früchten oder der Detektion eines möglichen Schimmelbefalls der Fall.
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 die 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.“
Kombination von Vorteilen
Chemical Color Imaging, kurz CCI, schließt diese technologische Lücke und ermöglicht, dass chemische Eigenschaften von Objekten mittels Bildverarbeitung in Echtzeit bewertet werden können. Die Vorteile der Spektroskopie werden dabei in einem holistischen Ansatz mit denen der industriellen Bildverarbeitung zusammengeführt.
„Kernelement von CCI ist die Extraktion von zweidimensionalen Feature-Bildern, den Chemical Color Images, aus komplexen, multidimensionalen Hyperspektraldaten. 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, also die sogenannten Chemical Colors, spiegeln molekulare Eigenschaften der untersuchten Objekte wider“, erläutert Burgstaller.
Die Vorzüge der Spektroskopie hinsichtlich ihrer Selektivität werden um den „örtlich verstehenden“ Charakter erweitert, den die Bildverarbeitung ermöglicht. Ein besonderer Vorteil liegt dabei darin, dass keine Klassifikation, sondern eine gezielte Reduktion der spektroskopischen Information hin auf interpretierbare chemische Eigenschaften stattfindet.
Intuitive Plattform
Mit der Software des CCI-Systems steht eine generische, intuitiv konfigurierbare Datenverarbeitungsplattform zur Verfügung, die wissenschaftliche Methoden gekapselt anbietet 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 Anwender selbstständig Applikationen entwickeln und konfigurieren, ohne dass Spezialkenntnisse in Chemometrie, Spektroskopie oder hyperspektraler Datenverarbeitung zwingend erforderlich sind“, erklärt Burgstaller. Einmal konfiguriert, läuft das System im Stand-Alone-Betrieb als Adapter zwischen Kamera und Maschine. Als Schnittstelle zur Maschine dient dabei stets ein bekanntes Bildverarbeitungsformat, über das der Anwender eigenständig eine Entscheidung treffen kann, die auf dem Chemical Color Imaging basiert.
Einsatz in der Lebensmittelindustrie
Chemical Color Imaging wird typischerweise von Lösungsanbietern wie Maschinenbauern vornehmlich in industriellen Prozessen angewendet. Für sie bedeutet CCI eine größere Unabhängigkeit von externen Technologielieferanten und damit mehr Unabhängigkeit bezüglich der eigenen Applikation. Da bei einem CCI-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 beispielsweise in der lebensmittelverarbeitenden Industrie, wo sich das Sortiergut z. B. durch Nachreifung schnell verändert, positiv durch kürzere Zyklen für Weiterentwicklungen und Anpassungen nieder. Bild 1 zeigt eine typische Anwendung im Lebensmittelbereich: Während im Realbild bei den Hühnerteilen zwischen Fett und Knorpel kaum unterschieden werden kann, werden im CCI-Bild Fleisch (grün), Fett (rot) und Knochen (blau) deutlich voneinander abgehoben.
Auch Bild 2 zeigt eindrucksvoll, wie hilfreich Chemical Color Imaging bei der Identifikation von Stoffen sein kann, die im Realbild kaum Unterschiede aufweisen, wie hier bei den drei fast identisch erscheinenden Häufchen mit Zucker, Salz und Zitronensäure. Im CCI-Bild ist die Unterscheidung aufgrund der unterschiedlichen Molekularstruktur und der chemischen Eigenschaften eindeutig.
Gesamtsystem verfügbar
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 namens Perception Studio 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 InGaAs-Industriekameras, Beleuchtungen, Optiken und Bilderfassungskarten sowie Bildverarbeitungsrechner zu CCI-Komplettsystemen erweitert (Bild 3).
Die auf diese Weise verfügbaren Hyperspektral-Lösungen arbeiten in Echtzeit mit einer Rechenleistung von mehr als 200 Mio. Spektralpunkten pro Sekunde. Über die in der Bildverarbeitung gängigen Schnittstellen CameraLink und GigE Vision können Kameras unterschiedlicher Hersteller angeschlossen werden.
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