Bildverarbeitung auf Hyperspektralbasis etabliert sich in immer neuen industriellen Anwendungsfeldern. Wie funktioniert diese Technologie und wo lässt sie sich einsetzen?
Herkömmliche Bildverarbeitungssysteme haben sich in industriellen Anwendungen in den vergangenen Jahren als feste Größe in der Automatisierung entwickelt. Sehende Maschinen können mehr als Anlagen ohne Bildverarbeitung, diese Erkenntnis hat sich bei Entwicklern und Konstrukteuren mittlerweile durchgesetzt.
Während übliche 2D- und 3D-Vision-Systeme die Qualität von Objekten überprüfen, indem sie bestimmte Fehlermerkmale an der Oberfläche erkennen, geht die hyperspektrale Bildverarbeitung (HSI: Hyperspectral Imaging) noch einen Schritt weiter: Mit Hilfe dieser Technologie kann eine spektroskopische Analyse von Objekten erfolgen, um organische oder anorganische Verunreinigungen festzustellen – und zwar nicht nur an der Oberfläche, sondern teilweise auch im Inneren der inspizierten Materialien.
Hyperspektrale Bildverarbeitungssysteme nutzen meist 100 oder mehr verschiedene Wellenlängen und verwenden dazu einen Spektrographen, der das vom Objekt reflektierte Licht in sein Spektrum zerlegt und auf den Sensor der eingesetzten Kamera abbildet. Die auf diese Weise entstehenden Bilder setzt ein HSI-System zu einem dreidimensionalen hyperspektralen Datenwürfel zusammen, der sehr große Datenmengen enthalten kann.
Als Ergebnis entsteht dadurch ein „chemischer Fingerabdruck“ des betrachteten Objekts, der eine genaue Bestimmung der vorliegenden Materialeigenschaften ermöglicht. Mit Hilfe einer speziellen Auswertesoftware kann im Anschluss jeder erkannte chemische Bestandteil mit einer eigenen Farbe in den aufgenommenen Bildern gekennzeichnet werden, um dem Anwender die vorliegenden Stoffe auf einfache Weise zu visualisieren. Die dabei eingesetzte Technologie nennt sich Chemical Colour Imaging (CCI).
Vielfältige Anwendungen
„Hyperspektrale Bildverarbeitung kann in unterschiedlichsten industriellen Anwendungsbereichen eingesetzt werden und bietet in bestimmten Fällen Lösungen für Aufgaben, an denen übliche Bildverarbeitungssystemen scheitern“, erläutert Markus Burgstaller, Geschäftsführer des Grazer Unternehmens Perception Park, das sich vor einigen Jahren auf diese innovative Technologie spezialisiert hat.
Als ein Anwendungsbeispiel nennt Burgstaller die Klassifizierung von Stoffen, die optisch keinerlei Unterschiede aufweisen, chemisch jedoch nicht identisch sind: „Kunststoffe verschiedenster Zusammensetzung können sehr ähnlich aussehen und sind daher mit herkömmlicher Bildverarbeitung kaum zu unterscheiden. HSI-Systeme analysieren hingegen die chemischen Eigenschaften und erkennen die Materialien daher sehr sicher. Auch die Konzentration und Verteilung von Inhaltsstoffen lässt sich mit dieser Technologie weitgehend und in Echtzeit erfassen.“
Eine Besonderheit von Hyperspektralsystemen macht sie für bestimmte Anwendungsfälle besonders attraktiv: Einige Stoffe sind für sichtbares Licht nicht transparent, können aber von Infratrot-Licht durchdrungen werden. Dadurch wird es möglich, die chemische Zusammensetzung von verpackten Inhalten selbst durch eine entsprechend ausgelegte Verpackung hindurch zu prüfen.
Anwendungen, in denen diese Eigenschaft zum Tragen kommt, finden sich nach Burgstallers Aussage vor allem in der Pharma- und der Lebensmittelindustrie, aber auch in zahlreichen anderen industriellen Segmenten.
Fehlererkennung in der Pharmaindustrie
Wie in vielen anderen Bereichen nehmen die Produktionsgeschwindigkeiten in der Pharmaindustrie weltweit rasant zu. Um das Risiko von Produktrückrufen zu verringern und Verbraucher vor kontaminierten Arzneimitteln zu schützen, gelten in dieser Branche besonders strenge Sicherheitsvorschriften. Bildverarbeitungssysteme sind bei der Herstellung von pharmazeutischen Produkten daher bereits seit einiger Zeit Stand der Technik, um Produkte in Echtzeit nach Kriterien wie Form, Größe oder Gewicht zu bewerten.
Durch den Einsatz von hyperspektralen Bildverarbeitungs- und CCI-Systemen kann die Überwachung von Pharmaproduktionsprozessen jedoch noch weiter optimiert werden: Pharmazeutika lassen sich damit zu 100% auf ihre molekularen Eigenschaften hin untersuchen.
Ein typischer Anwendungsfall von HSI-Systemen in der Pharmaindustrie ist die Überprüfung von Retard-Tabletten auf korrekte Beschichtung. Diese Medikamentenform gibt den Wirkstoff nach seiner Verabreichung über einen längeren Zeitraum oder an ein bestimmtes Ziel im Körper ab. Entscheidend für diese kontrollierte Abgabe des Wirkstoffs ist die Retard-Beschichtung der Tablette: Ist sie beschädigt oder fehlt komplett, so gelangt die Arznei schneller als gewünscht in den Körper und verfehlt ihre Langzeitwirkung.
Mit einer Kombination aus HSI- und CCI-Technologie lässt sich die Qualität von Retard-Medikamenten sicher kontrollieren, erläutert Markus Burgstaller: „Mit einer im NIR-Bereich arbeitenden Hyperspektralkamera und der Anwendung der Chemical Color Imaging-Technologie mit unserer Software-Suite Perception STUDIO konnten wir eindeutig nachweisen, dass zuvor künstlich erzeugte Beschichtungsfehler mit 100% Sicherheit und auch in der Hochgeschwindigkeitsproduktion in Echtzeit erkennbar sind.“
Selbst durch Blisterverpackungen hindurch ist diese Qualitätsprüfung möglich, sofern das Blistermaterial nicht aus Aluminium besteht, das die NIR-Strahlung reflektieren würde.
Laut Burgstaller ist die Prüfung von Retard-Beschichtungen nur eine von vielen Anwendungsmöglichkeiten der HSI-Technologie in der Pharmaindustrie. Mit ihr lässt sich außerdem sicher kontrollieren, ob Tabletten in korrekter Zahl, unbeschädigt und ohne Fremdkörper in Blister verpackt sind, ob die richtigen Inhaltsstoffe in Arzneimittelkapseln enthalten sind oder ob diese vollständig verschlossen sind. „Hyperspektrale Bildverarbeitung bietet zahlreiche Einsatzoptionen im Bereich Pharma und erhöht damit die Sicherheit für Patienten und Hersteller.“
Mehr Sicherheit in der Lebensmittelproduktion
Bei der Herstellung von Lebensmitteln gelten ähnliche Vorgaben wie in der Pharmaindustrie: Um Gesundheitsgefährdungen der Konsumenten auszuschließen, dürfen keine unerwünschten Fremdkörper in den Produkten unerkannt bleiben. Die Lebensmittel müssen zudem exakt die Inhaltsstoffe aufweisen, die vom Hersteller gewollt und in den Produktbeschreibungen für den Käufer definiert sind.
Auch für diese Branche bieten HSI und CCI zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten. So vereinfachen diese Techniken das Auffinden von Verunreinigungen in Lebensmitteln und identifizieren selbst in Hochgeschwindigkeits-Fertigungslinien Fremdkörper wie Steine oder Erde bei der Sortierung von Kartoffeln, Karotten oder anderem Gemüse sowie Schalenteile oder andere Stoffe bei der Herstellung von Nüssen.
Bei zu langer Lagerung von Lebensmitteln können sich auch Maden einnisten oder frisches Obst anfangen zu faulen, so Burgstaller: „In der Lebensmittelproduktion besteht die Aufgabe neben der Erkennung von Störstoffen oft auch darin, verfaulte, unreife oder mit Schädlingen beziehungsweise Schimmel befallene Ware zu detektieren. Diese und viele weitere Qualitätsmängel lassen sich durch hyperspektrale Bildverarbeitungssysteme sicher ausschließen.“
Industriell hergestellte Lebensmittel wie Wurst und Käse werden dem Verbraucher meist in eingeschweißter Form zum Verkauf angeboten. Analog zur Pharmaindustrie erlauben HSI-Systeme auch hier in vielen Fällen Qualitätsprüfungen durch die Verpackung hindurch. Eine besondere Aufgabe stellt hierbei die Kontrolle von Siegelnähten dar, die eine absolut dichte Verpackung der Lebensmittel garantieren sollen.
Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen an diesen Siegelnähten können jedoch zu undichten Verpackungen und zum Verderben der Ware vor dem errechneten Mindesthaltbarkeitsdatum führen. Unverkäufliche Produkte oder teure Rückrufaktionen wären dann mögliche Folgen für Hersteller in diesem Bereich, die sich durch den Einsatz von hyperspektraler Bildverarbeitung in vielen Fällen vermeiden lassen.
HSI in der Holzverarbeitung
In den letzten Jahrzehnten haben die Technologien zur Holzverarbeitung außerordentliche Fortschritte gemacht. Auch in diesem Anwendungsfeld finden sich viele Optionen, um Produkte wie Schnittholz, Holzwerkstoffe, Holzhackschnitzel sowie Papier- und Papierprodukte mit HSI-Systemen auf ihre Qualität zu prüfen. Selbst für den Menschen unsichtbare Merkmale und mögliche Mängel lassen sich damit sicher detektieren.
Die Erkennung von Defekten wie Harztaschen oder Astlöchern ist eine häufige Aufgabenstellung in dieser Branche, die mit Hilfe eines Hyperspektralsystems in Kombination mit einer Nahinfrarot-Hyperspektralkamera zuverlässig gelöst werden kann. Harz im Holz lässt sich dabei selbst dann noch sicher identifizieren, wenn es von einer dünnen Holzschicht bedeckt ist.
Auch Klebstoffe, die im Produktionsprozess häufig zum Ausgleich kleiner Löcher mit Füllstoffen eingesetzt werden, sind durch die Anwendung von Chemical Color Imaging auf einfache Weise leicht erkennbar – eine Aufgabe, an der herkömmliche Bildverarbeitungskameras oft scheitern, da der Klebstoff in der Regel durchsichtig ist.
Ein weiteres wichtiges Merkmal von Holz ist seine Feuchtigkeit. Mit HSI-Analysen lassen sich feuchte Stellen am Holz eindeutig nachweisen und als CCI-Bild aufschlussreich darstellen. Es ist sogar möglich, ein Wahrnehmungssystem zur Messung des Wassergehalts zu kalibrieren. Durch die Anpassung einer Hyperspektralkamera an ein solches kalibriertes Wahrnehmungssystem verwandelt Chemical Color Imaging das Kamerasystem in eine leicht verständliche „Feuchtigkeitskamera“ für Holz und kann in jedes Bildverarbeitungssystem implementiert werden.
„Für qualitativ hochwertige Holzprodukte ist die zuverlässige Erkennung solcher Mängel eine zwingende Voraussetzung“, betont Burgstaller. „HSI-Systeme bieten dieser Branche ein leistungsfähiges Werkzeug, um unerwünschte Qualitätsmängel vorzeitig zu umgehen.“
HSI-Systeme sortieren Kunststoffe
Kunststoffe sind auch am Ende ihrer Lebensdauer noch zu wertvoll, um sie einfach wegzuwerfen. Wenn das volle Potenzial der aktuell deponierten Kunststoffabfälle unter Anwendung der besten Recycling- und Energierückgewinnungsmethoden und -technologien auf umweltfreundliche Weise genutzt würde, könnten viele Millionen Tonnen Kunststoffe zusätzlich recycelt werden. Möglich wäre dadurch zudem eine zusätzliche Erzeugung von großen Mengen an Wärme und Strom.
Für derartige Verbesserungen sind geeignete Maßnahmen erforderlich, um die Deponierung von Kunststoffen zu stoppen und rückgewinnungsorientierte Sammelsysteme einzurichten. Diese müssen mit moderner Sortierinfrastruktur und verbesserten Recycling- und Verwertungsprozessen in Einklang gebracht werden, um das volle Potenzial dieser kostbaren Ressource auszuschöpfen.
Recycelte Kunststoffe können in vielen Produkten des täglichen Gebrauchs wiederverwendet werden, z.B. in Kleidung, in Fahrzeugteilen, in Verpackungsprodukten und zu vielen weiteren Zwecken. Aktuell wird jedoch zu wenig Kunststoff recycelt, obwohl innovative Technik wie das Perception STUDIO von Perception Park die erforderlichen Möglichkeiten dafür bieten würde.
„Eine Unterscheidung z.B. zwischen Polypropylen und Polyethylen oder anderen, auf den ersten Blick sehr ähnlichen Materialien ist mit Hilfe der hyperspektralen Bildverarbeitung problemlos möglich. Mit unserem Perception STUDIO können entsprechende Systeme sogar von Personen entwickelt werden, die wenig oder gar keine Erfahrung mit dem Thema Spektroskopie haben. Die technischen Möglichkeiten für einen deutlichen Ausbau der Recyclingquoten von Kunststoffen sind also vorhanden und sollten aus Umweltschutzgründen erheblich mehr genutzt werden“, wünscht sich Burgstaller für die Zukunft.
Aufgrund der Corona-Pandemie wird die vierte Conference on Hyperspectral Imaging in Industry (chii) nicht wie geplant am 28. und 29. Oktober 2020 in Graz als Live-Event, sondern digital stattfinden. Nach dem Auftakt am 5. November sind regelmäßige 90-minütige Online-Sessions an den Mittwoch Nachmittagen vom 11. November bis zum 16. Dezember 2020 sowie vom 13. bis 27. Januar 2021 geplant. Mit einem Mix aus kurzen Produktvorstellungen, Diskussionsrunden mit mehreren Teilnehmern und 1-zu-1-Meetings bieten die Veranstalter den Teilnehmern die Möglichkeit, sich über die neuesten Trends in der Hyperspektralen Bildverarbeitung zu informieren. Auch im Online-Format stehen die Anwendung und die Einsatzmöglichkeiten von hyperspektralen Systemen im Mittelpunkt dieses internationalen Branchentreffens.
Hier gibt es Details zum Programm und zur Anmeldung zur chii2020.
Perception Park GmbH
Wartingergasse 42
8010 Graz, Österreich
Tel.: +43 699 1070 9408
E-Mail: info@perception-park.com
Website: www.perception-park.com / www.chii2020.com
