Imagistica hiperpectrala combina spectroscopia conventionala si imagistica pentru a aduna simultan informatii spectrale si spatiale. Sensibilitatea si viteza camerei C-RED 3 sunt elemente cheie pentru optimizarea randamentului unor astfel de sisteme. Un sistem care ruleaza la 1200 Hz este proiectat si testat pe cazuri de utilizare standard pentru a demonstra fezabilitatea imagisticii hiper-spectrale la viteze mari.
1. IMAGISTICA HIPERSPECTRALA
Imagistica hiper-spectrala (IHS) combina imagistica digitala cu spectroscopia. In alte cuvinte, IHS adauga o dimensiune spectrala la imagistica conventionala. Initial dezvoltata pentru monitorizarea la distanta a pamantului din aeronave sau satelit, este o tehnica matura pentru analiza campurilor agricole, padurilor sau a minelor. In ultimii ani, a devenit o unealta importanta pentru analiza industriala a produselor (medicamente, plastice, alimente etc.). In banda SWIR (900-1700 nm), IHS este o tehnologie emergenta pentru controlul productiei. Avantajele accesului simultan la caracteristicile spatiale si spectrale ale unui obiect ofera informatii valoroase despre compozitia chimica a suprafetei sale.
Tehnica de scanare „push-broom”
IHS consta in achizitionarea unui cub de date cu doua dimensiuni spatiale (x, y) si o dimensiune spectrala (λ). Configuratia cea mai comuna este tehnica „push-broom”: o linie spatiala (y) si intregul domeniu spectral sunt achizitionate simultan de o camera. A doua dimensiune spatiala (x) este scanata in timp. Principiul de scanare asigura ca rezolutia spatiala si spectrala sunt independente una de cealalta, rezultand performante optimizate pentru ambele. Semnatura spectrala la fiecare coordonata spatiala furnizeaza informatii despre compozitia chimica a obiectului in acea locatie.
Noi provocari
Datorita distantei dintre camera si scena care trebuie analizata, viteza de achizitie nu a fost un parametru limitativ pentru aplicatiile aeriene ale IHS. Cu noi aplicatii vin noi provocari. Majoritatea sistemelor IHS nu au viteza pentru a respecta transportoarele utilizate in liniile de productie industriale. Devine crucial sa crestem viteza de achizitie a imaginilor hiper-spectrale pentru a satisface cerintele de productivitate.
In configuratia push-broom, pentru o anumita rezolutie spectrala si spatiala, viteza la care sistemul poate analiza un produs este direct corelata cu rata maxima de cadre a camerei. La rate mari de cadre, timpii de integrare sunt scazuti si este necesara o camera sensibila, cu un zgomot de citire redus.
2. IMAGISTICA HIPERSPECTRALA CU C-RED 3
Pentru a demonstra fezabilitatea imaginii hiper-spectrale in SWIR cu viteze foarte mari, First Light Imaging si ATIS 2.0 au dezvoltat un sistem independent demonstrativ in configuratie push-broom. Dispozitivul atinge o rata de cadre de 1200 Hz cu 640 de pixeli spatiali si o rezolutie spectrala de 3.4 nm.
Proiectarea sistemului
Lumina reflectata de obiect este capturata de o lentila frontala. O singura dimensiune spatiala (y) este filtrata de o fanta, adica de doua lame. Distanta dintre ele poate fi reglata manual pentru a optimiza rezolutia spectrala. Apoi, lentila colimatoare reface fanta la infinit. Spectrul este divizat de gratingul de reflexie si focalizat cu lentila de imagine. Camera captureaza un cadru cu informatii (y, λ). A doua dimensiune spatiala este colectata prin scanarea scenei cu o oglinda motorizata. O alternativa comuna la aceasta solutie este ca obiectul sa se miste liniar (de exemplu, o banda de productie).
Eficienta gratingului depinde de lungimea de unda cu eficienta maxima si de unghiul de incidenta. Combinarea gratingului cu obiectivul de imagine determina numarul de benzi spectrale si campul vertical de vizualizare. Un grating cu 150 de caneluri/mm si un unghi nominal de curgere de 5.4° (adica lungimea centrala a undei de 1250 nm) combinat cu un obiectiv cu focalizare de 25 mm asigura o esantionare spectrala de 3.4 nm pentru sistemul nostru. Cele doua alte obiective influenteaza rezolutia spectrala si campul vertical de vedere. Pentru simplitate si pentru a minimiza volumul lor, focalizarea lor este, de asemenea, de 25 mm.
Software si procesare a datelor
Kitul de dezvoltare a software-ului (SDK) C-RED 3 a fost folosit pentru a integra camera in software-ul IHS dezvoltat de ATIS 2.0. Software-ul ofera identificare in timp real a substantelor chimice si control complet al sistemului si achizitia de date. Imagistica chimica a mai multor materiale simultan pe interfata este posibila. Datele hiper-spectrale pot fi, de asemenea, exportate catre MatLab sau ENVI.
Cuburile de date hiper-spectrale necesita operatii de procesare pentru a furniza informatii chimice, acest lucru este realizat pe parcurs de catre software. Semnatura spectrala a obiectului la fiecare pozitie (x, y) este comparata, folosind operatii de convolutie, cu o baza de date de spectre de referinta pre-salvate. Daca indicele de incredere al corelatiei este suficient de ridicat, atunci compozitia chimica a obiectului studiat poate fi dedusa. Fluxul de lucru este ilustrat mai jos, cu exemplul unei sticle de plastic compusa din materiale diferite pentru capac si corp.
Faza preliminara de calibrare este necesara pentru a crea baza de date a spectrelor de referinta. Esantioanele spatiale omogene de compozitie cunoscute sunt imagini folosind sistemul si spectrul mediu salvat in baza de date.
Performante
Tabelul de mai jos rezuma performantele sistemului concept.
Rezolutia spectrala asigura o discretizare ridicata a semnaturii spectrale, ceea ce permite o caracterizare precisa a compozitiei chimice. Rezolutia spatiala asigura un nivel ridicat de detalii si faciliteaza detectarea obiectelor mici. Cuburile de date hiper-spectrale sunt achizitionate in functie de timp. Rezolutia temporala ridicata permite caracterizarea obiectelor in miscare si a evenimentelor dependente de timp. Cu sistemul descris, un cub de date hiper-spectral acoperind un camp de vedere spatial de 35° pe 20° cu o rezolutie spectrala de 3.4 nm intr-un domeniu spectral de 900 – 1700 nm poate fi achizitionat in fiecare secunda!
REZULTATE EXPERIMENTALE
Imagistica hiper-spectrala ofera o solutie fara contact, nedistructiva si rapida pentru a analiza sau sorta obiecte. Imaginile hiper-spectrale pot fi utilizate in viziunea industriala. Aplicatiile liniilor de productie includ controlul calitatii, detectarea defectelor sau a corpurilor straine etc. Obiectele sunt adesea plasate pe transportoare care efectueaza scanarea spatiala si asigura rata de productie. Ca o demonstratie a imaginii hiper-spectrale la viteze mari, sistemul dezvoltat este utilizat in conditii de lucru pe cateva cazuri de utilizare tipice. Software-ul ofera o afisare dinamica a imaginii rezolvate spatial si o suprapunere color a analizei calitative a compozitiei.
Sortarea produselor farmaceutice
In industria farmaceutica, imaginile hiper-spectrale pot fi utilizate pentru a aborda mai multe provocari, una dintre ele fiind identificarea produsului.
In experiment, ochiul liber nu poate diferentia cele trei produse farmaceutice: paracetamolul, ibuprofenul si acidul acetilsalicilic (aspirina) sau identifica produsul in capsula bicolora.
Informatiile discriminative continute in spectre sunt evidentiate in culoare, iar varfurile de absorbtie principale sunt indicate printr-o linie punctata. Astfel de rezultate ar putea fi folosite pentru monitorizarea calitatii sau sortarea pastilelor.
Sortarea pastilelor mixte cu o camera vizibila si cu sistemul de imagistica hiper-spectrala (afisaj color fals). Spectrele experimentale ale produselor sunt prezentate.
Monitorizarea calitatii alimentelor
In industria alimentara, imaginile hiper-spectrale sunt implementate pentru sortare si monitorizare a calitatii. In ultimul, scopul este de a detecta impuritati (sol, pietre, incluziuni etc.) sau defecte (vanatai etc.). Monitorizarea punctului unic bazata pe spectroscopie este larg utilizata, dar rezolutia spatiala asigura o acoperire mai mare a controlului si reduce riscul de contaminare alimentara.
Experimentul vizeaza detectarea prezentei unui contaminant intr-un recipient cu boabe de cafea. Spectrul bobului face parte din baza de date de referinta. In imaginea de mai jos, „obiectele bune” (boabele) sunt colorate in portocaliu. Sageata rosie arata spre o zona de corelatie scazuta intre esantion si spectrul de cafea de referinta. Prezenta unui contaminant este astfel suspectata. Datorita afisarii in timp real, se poate lua imediat o actiune pentru a izola esantionul.
Industriile de deseuri si reciclare
Sistemele de imagistica hiper-spectrala permit sortarea precisa a materialelor reciclabile, cum ar fi plasticul. Nevoia unei tehnici eficiente pentru detectarea, caracterizarea si sortarea deseurilor este o provocare majora in industria reciclarii. Cantitatea de material care poate fi reciclata depinde direct de capacitatea tehnologiei de sortare. Plasticul este dificil de sortat pentru ca, desi compozitia lor chimica variaza, greutatea lor, culoarea si densitatea sunt similare.
Pentru a ilustra aplicatia cu un imager hiper-spectral la viteze mari, un set de obiecte de plastic este studiat. Semnaturile spectrale sunt recuperate din cuburile de date hiper-spectrale. Asa cum se arata mai jos, datele spectrale erau specifice fiecarui material. Prin urmare, clasificarea plasticelor a fost posibila folosind imagerul hiper-spectral. Similar, diferitele textile (bumbac, lana, in etc.) au caracteristici spectrale specifice care pot fi folosite pentru a clasifica tesaturile.
Imagistica hiper-spectrala la viteze foarte mari!
Pentru a ilustra performanta la viteze mari a sistemului, a fost achizitionat un film hiper-spectral al figurinei noastre Lego® preferate conducand o motocicleta pe tabloul experimental.
Calibrarea se face pe figurina Lego® insasi. Patru tipuri de plastic (casca, mana, motocicleta si corp) sunt preclasificate in baza de date.
Rezolutia spatiala completa (320 de pixeli pe 720 de pixeli spatiali si 230 de benzi spectrale) este achizitionata in timpul miscarii. Rezultatul operatiei de procesare hiper-spectrala este afisat mai jos. Datorita capacitatii de captura instantanee a sistemului, imaginea nu este estompata si compozitia spatiala a Lego® poate fi studiata cu precizie la fiecare moment de timp.
4. DE CE C-RED 3 PENTRU IMAGISTICA HIPERSPECTRALA?
Proiectat in mod specific pentru a aborda piata industriala si beneficiind de expertiza obtinuta in camerele stiintifice de varf, camera C-RED 3 de la First Light Imaging ofera numeroase avantaje pentru imagistica hiper-spectrala.
In camera C-RED 3, intregul sistem de racire a fost eliminat si electronica a fost comprimata pentru a oferi o camera SWIR compacta cu viteza mare. Mai jos este o prezentare a avantajelor sale.
- Sensibilitate si dinamica ridicata. Zgomotul de citire al C-RED 3 este sub 40 e- rms. Cu modul liniar de gama dinamica ridicata (HDR), poate fi atinsa o gama dinamica de 93 dB. In imagistica hiper-spectrala, acest lucru schimba jocul pentru a masura absorbtia spectrala pe game mari dinamice.
- Fereastra si Regiunea de Interes (ROI). Modul fereastra permite obtinerea unei rate de imagine mai rapide (pana la 32 066 fps) mentinand in acelasi timp un zgomot foarte redus. Aceasta caracteristica este foarte interesanta pentru a optimiza compromisul intre cadru si rezolutia spatiala si spectrala pentru aplicatiile hiper-spectrale.
- Viteza mare de cadre. C-RED 3 poate functiona la 600 FPS in modul cadru complet. Rata cadrelor creste pana la cativa kHz in modul ROI (de exemplu, 9.5 kHz pentru un ROI de 64 pe 64 de pixeli).
- Latenta scazuta a camerei. Intarzierea intre sfarsitul integrarii si primele date valide pe legatura camerei in modul normal de citire cadru complet este de 22.2 µs (implicit) si poate fi reglata pana la 7.4 µs.
- Obturarea electronica. C-RED 3 incorporeaza un obturator electronic cu impulsuri de integrare mai scurte de 5 µs in modul cadru complet.
- Corectia adaptiva pe parcursul zilei / corectia intunecata. Pentru a compensa efectele temperaturii si variatiilor de timp de expunere asupra cadrului intunecat, C-RED 3 ofera o corectie adaptiva. Cadrul intunecat este calculat automat de firmware-ul camerei. Calibrata in fabrica, aceasta procesare elimina necesitatea efectuarii mai multor achizitii experimentale de baza / intuneric, simplificand astfel experimentele.
- Integrare usoara. Camera poate fi integrata usor intr-un sistem datorita gaurilor de pe partea de jos, lateral sau frontal si are o interfata optica C-Mount / CS-Mount pentru obiectiv. Versiunea OEM este chiar mai usor de adaptat oricarui sistem personalizat. C-RED 3 este sustinuta de software-ul nostru multi-camera First Light Vision. In plus, datorita unui kit de dezvoltare a software-ului versatil, camera poate fi interfatata cu MatLab, LabView, Python etc.
CONCLUZIE
Imagistica hiper-spectrala (IHS) combina rezolutia spatiala cu o dimensiune spectrala, oferind o tehnica rezolvata spatial pentru analiza compozitiei chimice a obiectelor. Pe scurt, IHS adauga o dimensiune spectrala la imagistica conventionala. Masuratorile sunt facute de la distanta (non-contact). Provocarea actuala este de a creste viteza imaginilor hiper-spectrale pentru a satisface cea a transportoarelor industriale, astfel incat analiza sa se faca pe loc. Optimizarea productivitatii este o provocare comuna pentru toate industriile. S-a demonstrat ca imagistica hiper-spectrala este utila in industria farmaceutica, industria alimentara, industria reciclarii, controlul calitatii etc.
Experimentul complet cu C-RED 3 descris in aceasta nota ilustreaza performantele unui sistem de imagistica hiper-spectrala la viteze mari. Diverse obiecte au fost studiate pentru a demonstra sensibilitatea camerei si abilitatea sa de a efectua imagini la viteze mari la timpi scurti de integrare. Fluxul de lucru, de la achizitia imaginii experimentale la procesarea datelor, este descris. Materialele au fost clasificate cu precizie, iar hartile de analiza chimica ar putea fi afisate in timp real.
C-RED 3 este o camera SWIR proiectata pentru aplicatii industriale. Permite imagistica de inalta viteza si de inalta calitate (pana la 600 fps in cadru complet) si isi arata cele mai bune performante la timpi scurti de expunere.
Cu C-RED 3, imagistica hiper-spectrala la viteze foarte mari este la indemana dvs.!
Mergand mai departe…
Si pentru ca dorim ca clientii nostri sa fie intotdeauna un pas inaintea pe piata lor, C-RED 3 este disponibila in versiune OEM pentru a accelera dezvoltarile personalizate si integrarea mecanica.
Pentru mai multe informatii sau pentru a discuta despre aplicatia dvs., nu ezitati sa ne contactati.
