Hyperspektral-Kameras erkennen chemische Struktur von Objekten

Sie war eines der großen Themen auf der Messe Vision im vergangenen Jahr: die Hyperspektral-Technologie. Denn Bildverarbeitungslösungen wie etwa 3D-Systeme mit Farbkameras liefern zwar hoch präzise Ergebnisse, doch diese Technologien sind ausgelegt auf die Analyse von Oberflächen. Hyperspektral-Kameras dagegen sind in der Lage, das Innere eines Objekts zu analysieren.

„Die Hyperspektral-Technologie erkennt unterschiedlichen Molekülenschwingungen und kann anhand dieser verschiedene Materialien identifizieren“, erklärt Manfred Pail, Mitbegründer von Perception Park – einem österreichischen Software-Anbieter, der auf Hyperspektral-Technik spezialisiert ist. Objekte hinterlassen aufgrund ihrer chemischen Eigenschaften quasi eine hyperspektrale Signatur, die von entsprechenden Kameras aufgefangen wird.

Damit eignet sich die Technologie besonders für die Qualitätssicherung im Lebensmittelbereich. „Hyperspektral funktioniert mit großen Molekülketten“, sagt Pail, „und diese gibt es in der Regel in organischen Stoffen“. So lassen sich mit entsprechenden Systemen etwa Fremdkörper entdecken – zum Beispiel Plastikteile in Schokoriegeln. „Anhand seiner chemischen Signatur kann man den Kunststoff etwa ganz klar von Nüssen unterscheiden“, so Pail.

Immer dann, wenn die Verschiedenartigkeit von Objekten von außen nur schwer zu erkennen ist, kann die Hyperspektral-Technologie ihre Stärken gegenüber der herkömmlichen Bildverarbeitung ausspielen. Ein weiteres Beispiel ist etwa die Kartoffelverarbeitung: Mitgelieferte Steine lassen sich hier rein optisch nur schwer von Kartoffeln unterscheiden.

Zudem ist in der Lebensmittelindustrie das Sortiergut häufig einem Veränderungsprozess unterworfen. Äpfel oder andere Objekte verändern ihren Reifegrad oder fangen an zu schimmeln. Auch das sind typische Anwendungsfälle für die Hyperspektral-Technologie.

„Ursprünglich kommt die Technologie aus der Luft- und Raumfahrt“, berichtet Pail. Erst seit etwa zehn Jahren gäbe es Kameras, die auch industriell eingesetzt werden können.

Doch ihr Einsatz war bisher noch mit viel Aufwand verbunden. Das Problem: Die Hyperspektral-Daten lassen sich nicht mit herkömmlicher Bildverarbeitungssoftware verarbeiten. „Für die Entwicklung entsprechender Applikationen braucht man Experten der Spektroskopie und Chemometrie“, erklärt Pail.

Viele Anwendungsversuche scheiterten zudem daran, dass die Farbbildverarbeitungssysteme bestehender Maschinen in der Regel nicht in der Lage sind, hyperspektrale Kameras sinnvoll zu integrieren. Jede einzelne Anwendung basierend auf hyperspektraler Kameratechnologie müsse von Grund auf neu entwickelt und umgesetzt werden, was im industriellen Umfeld meist nicht wirtschaftlich darstellbar ist, so Pail.

Sein Unternehmen hat daher eine Technologie mit dem Namen Chemical Colour Imaging (CCI) entwickelt, um die Nutzung von Hyperspektral-Technologie zu vereinfachen. Kernelement von CCI ist laut Pail die Extraktion von zweidimensionalen Feature-Bildern – den Chemical Colour 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.

„Wir haben die gesamte wissenschaftliche Methodik, die bisher nötig war, gekapselt und für jeden Ingenieur intuitiv zugänglich gemacht“, sagt Pail. „Er muss sich nicht mehr um die Einbindung der Kamera oder die Korrektur der Daten kümmern. Das macht unsere Software für ihn. Er kann sich auf die Anwendungsentwicklung konzentrieren.“

Einmal konfiguriert, läuft das Perception System im „Stand-Alone-Betrieb“ als Adapter zwischen Kamera und Maschine. Als Schnittstelle zur Maschine dient dabei stets ein bekanntes Bildverarbeitungsformat, über welches der Anwender eigenständig eine Entscheidung treffen kann, die auf dem Chemical Colour Imaging basiert.

Laut Pail funktioniert die Software mit jeder beliebigen Hyperspektral-Kamera. Diese lässt sich dann in eine bestehende Anwendung integrieren und dort parallel zu den vorhandenen Farbkameras einsetzen. Daneben ist es auch möglich, die Farb- durch eine Hyperspektral-Kamera komplett zu ersetzen. Mithilfe von CCI könnten Anwender bis zu 95 % an Entwicklungskosten und Zeit sparen im Vergleich zu herkömmlichen Hyperspektral-Lösungen, behauptet Pail.

Perception Park kooperiert mit Stemmer Imaging, um Unternehmen umfassende Lösungen anbieten zu können. Diese Software dient dabei 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.

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.

Laut Pail steigt das Interesse der Anwender an Hyperspektral-Technologie derzeit extrem an. Bestehende Berührungsängste hätten sich gelegt. Dazu trägt auch bei, dass die Preise der Kameras sinken. Eine Hyperspektral-Kamera sei mittlerweile schon für weniger als 10.000 Euro zu haben. „Damit werden natürlich noch viel mehr Anwendungen möglich“, so Pail. ■

Markus Strehlitz

Redaktion

Quality Engineering

Hyperspektrale Bildverarbeitung war auch Thema eines Experten-Roundtable von Quality Engineering zur Messe Vision: wwww.quality-engineering.industrie.de/videos/roundtable-vision Einfacher geht‘s über das Scannen des QR-Codes.