Hyperspektrale und multispektrale Bildverarbeitung

Hyperspektrale Bildgebung - Hyperspectral Imaging

Hyperspectral Imaging (HSI) vereint die Vorteile der optischen Spektroskopie mit denen der ortsauflösenden Bildgewinnung.

Herkömmliche Bildverarbeitungssysteme mit Farbkameras eignen sich sehr gut zur Prüfung äußerer Qualitätsmerkmale, wie z.B. Größe, Form und Farbe eines Produkts. Eine besondere Herausforderung stellt dabei die hohe Variabilität natürlicher Produkte dar, welche die Festlegung und Prüfung objektiver Qualitätsmerkmale erschwert. In der Lebensmittelprüfung sind zudem oft innere Qualitätsparameter von Bedeutung, wie z.B. die chemische Zusammensetzung oder die Freiheit von inneren Defekten eines Produkts, die äußerlich nicht erfasst werden können. Daher eignen sich zur Bewertung interner Qualitätsparameter spektroskopische Verfahren, die Informationen über die chemische Zusammensetzung und physikalische Beschaffenheit eines Produkts liefern. HSI kann somit wortwörtlich das für das menschliche Auge Unsichtbare sichtbar machen.

Ein hyperspektrales Bild besitzt eine große Zahl spektraler Kanäle eng benachbarter Wellenlängenbereiche, die sich vom ultravioletten Bereich bis zum langwelligen Infrarot erstrecken können. Anhand des wellenlängenabhängigen Reflexionsverhaltens eines Materials können durch HSI bestimmte chemische Eigenschaften ortsaufgelöst gemessen, ausgewertet und bildhaft dargestellt werden. Man spricht daher auch vom Chemical Imaging.

Für die automatische Sichtprüfung erschließen sich dadurch verschiedenste Anwendungsfelder. Insbesondere für die Qualitätssicherung im Lebensmittelbereich wird HSI erfolgreich für anspruchsvolle Aufgabenstellungen wie z.B. die Detektion von Fremdkörpern, die optische Qualitätssortierung (siehe Abbildung 1) oder die Inline-Inspektion von Agrarprodukten eingesetzt.

Hyperspektrale Bildverarbeitung

Hyperspektrale Bilder entsprechen einem Datenwürfel, der zwei räumliche und eine spektrale Dimension besitzt (siehe Abbildung 2).
Dieser kann durch verschiedene optische Aufnahmetechniken auf unterschiedliche Arten abgetastet werden, wobei abhängig von der Anwendung bestimmte Vor- und Nachteile auftreten. In der automatischen Sichtprüfung werden heute vor allem zeilen-scannende Systeme (z.B. Einsatz bei der Inspektion eines Materialstroms auf einem Fließband) und spektral-scannende Systeme (nur Aufnahme statischer Szenen) eingesetzt. Seit kurzem ermöglichen spezielle Fertigungsprozesse einen hyperspektralen Datenwürfel instantan mit einer einzelnen Bildaufnahme abzutasten, was auch als Non-Scanning oder Snapshot-HSI bezeichnet wird. Diese Technik erlaubt die Aufnahme hyperspektraler Bildfolgen mit hoher Bildrate und eignet sich daher insbesondere für die Inspektion bei hohem Fertigungstakt.