Hyperspektral-Bildverarbeitung erweitert Vision-Anwendungsfelder

Autor / Redakteur: Gerhard Stanzel * / Gerd Kucera

Hyperspectral Imaging (HSI) erweitert die industrielle Bildverarbeitung zur Qualitätssicherung und ist eine Ergänzung zu den traditionellen Vision-Anwendungen. Unterschiede und Nutzen erklärt dieser Artikel.

Firmen zum Thema

Bild 1: Bei den kompakten Hyperspektralkameras FX10 und FX17 des finnischen Herstellers Specim ist der erforderliche Spektrograph nach einem patentierten Verfahren direkt in das Kameragehäuse integriert.
Bild 1: Bei den kompakten Hyperspektralkameras FX10 und FX17 des finnischen Herstellers Specim ist der erforderliche Spektrograph nach einem patentierten Verfahren direkt in das Kameragehäuse integriert.
(Bild: SPECIM SPECTRAL IMAGING OY LTD./STEMMER IMAGING)

Bei der automatisierten Prüfung der Produktqualität in Sparten wie Automotive, Elektronikfertigung, Medizintechnik, Lebensmittelproduktion und Kunststoffherstellung geht es u.a. um die Einhaltung von Parametern wie Größe, Form oder Farbe von Objekten und um das Erkennen von Fehlern oder Verunreinigungen. Was traditionelle Bildverarbeitungssysteme in der Regel nicht können, ist ein Blick unter die Oberfläche von Produkten sowie die Analyse der chemischen Bestandteile in aufgenommenen Bildern.

Diese Option bieten jedoch Systeme, die auf Basis der hyperspektralen Bildverarbeitung arbeiten: Sie ermöglichen eine spektroskopische Analyse der inspizierten Materialien und die farbliche Kennzeichnung der chemischen Zusammensetzung der in den aufgenommenen Bildern erkannten Stoffe. Auf diese Weise können sowohl organische als auch anorganische Verunreinigungen mit ein- und demselben System identifiziert werden.

Diese Fähigkeit erschließt unter anderem in der Food-Branche umfangreiche Möglichkeiten für das Auffinden von Verunreinigungen in Lebensmitteln. Selbst in Hochgeschwindigkeitslinien identifizieren Hyperspektral-Bildverarbeitungssysteme Fremdkörper wie Schalenteile oder andere Materialien bei der Verarbeitung von Nüssen, erkennen Steine oder Erde bei der Sortierung von Kartoffeln, klassifizieren Fleisch-, Fett-, und Knorpelanteile in der Fleischproduktion oder identifizieren Stoffe, die für den Menschen auf den ersten Blick kaum Unterschiede aufweisen, wie es z.B. bei Zucker, Salz und Zitronensäure der Fall ist.

Die Einsatzmöglichkeiten für die hyperspektrale Bildverarbeitung sind extrem vielfältig. STEMMER IMAGING ist auf diese Technologie spezialisiert und hat in den vergangenen Jahren zahlreiche Kunden dabei unterstützt, derartige Systeme erfolgreich zu realisieren. In der Lebensmittelproduktion besteht die Aufgabe neben der Erkennung von Fremdmaterialien oft auch darin, verfaulte, unreife oder mit Schädlingen beziehungsweise Pilzen befallene Ware zu detektieren.

Ein weiteres Anwendungsfeld, in dem diese Technologie bereits sehr häufig genutzt wird, ist das Recycling von Kunststoffen; aber auch im Bergbau oder in der Pharmaindustrie können HSI-Systeme eine wirtschaftliche Lösung bieten.

Worin sich HSI und traditionelle IBV unterscheiden

Hyperspektrale Bildverarbeitung unterscheidet sich von herkömmlicher Bildverarbeitung im sichtbaren, im Ultraviolett- oder im Infrarot-Bereich vor allem dadurch, dass zur Analyse der Ergebnisse häufig mehr als 100 verschiedene Wellenlängen verwendet werden. Erforderlich ist dafür ein Spektrograph, der das Licht in sein Spektrum zerlegt und auf den Sensor der eingesetzten Kamera abbildet. Diese Bilder werden zu einem dreidimensionalen hyperspektralen Datenwürfel zusammengesetzt, der sehr große Datenmengen enthalten kann.

Auf diese Weise entsteht ein „chemischer Fingerabdruck“ des entsprechenden Stoffes, der eine exakte Analyse der Prüfobjekte zulässt. Eine spezielle Auswertesoftware ermöglicht dabei eine eigene Farbkennzeichnung jedes erkannten chemischen Bestandteils im Bild. So können sogar die unterschiedlichen chemischen Zusammensetzungen sehr ähnlich aussehender Stoffe sicher erkannt und dargestellt werden. Auch chemisch identische Stoffe in unterschiedlich aussehenden Objekten lassen sich mit Hilfe von HSI-Systemen bestimmen.

Während im Realbild bei den Hühnerteilen kaum zwischen den einzelnen Bestandteilen unterschieden werden kann, sind die Fleisch- (grün), Fett- (rot) und Knochenanteile (blau) nach einer Hyperspektralanalyse deutlich erkennbar.
Während im Realbild bei den Hühnerteilen kaum zwischen den einzelnen Bestandteilen unterschieden werden kann, sind die Fleisch- (grün), Fett- (rot) und Knochenanteile (blau) nach einer Hyperspektralanalyse deutlich erkennbar.
(Bild: STEMMER IMAGING)

Für diverse Anwendungen von Hyperspektralsystemen ist ein Aspekt dieser Technologie besonders interessant: Infrarot-Licht kann bestimmte Stoffe durchdringen, die für sichtbares Licht nicht transparent sind. Diese Eigenschaft wird genutzt, um die chemische Zusammensetzung von verpackten Inhalten selbst durch eine entsprechend ausgelegte Verpackung hindurch zu prüfen.

HSI ergänzt die traditionelle Bildverarbeitung

Mit der intuitiven Bedienoberfläche Perception Studio von Perception Park können Anwender selbstständig Applikationen entwickeln und konfigurieren, ohne Spezialkenntnisse in Chemometrie, Spektroskopie oder hyperspektraler Datenverarbeitung haben zu müssen.
Mit der intuitiven Bedienoberfläche Perception Studio von Perception Park können Anwender selbstständig Applikationen entwickeln und konfigurieren, ohne Spezialkenntnisse in Chemometrie, Spektroskopie oder hyperspektraler Datenverarbeitung haben zu müssen.
(Bild: Perception Park)

Das Hyperspektral-Angebot von STEMMER IMAGING umfasst jedoch noch erheblich mehr: Auf der Hardware-Seite arbeiten die Puchheimer mit einer Reihe von Herstellern zusammen, die geeignete Beleuchtungen, Optiken und Kameras speziell für den Einsatz in HSI-Anwendungen entwickelt haben. Bezüglich der Software ermöglicht die intuitive Bedienoberfläche Perception Studio des Grazer Unternehmens Perception Park den Anwendern, selbstständig Hyperspektral-Applikationen zu entwickeln und zu konfigurieren, ohne über Spezialkenntnisse in Chemometrie, Spektroskopie oder hyperspektraler Datenverarbeitung verfügen zu müssen.

Auf Basis des Hard- und Software-Angebots für die hyperspektrale Bildverarbeitung sowie durch umfassende Unterstützung in Form von Machbarkeitsstudien oder speziellen Schulungen ist STEMMER IMAGING in der Lage, genau auf den jeweiligen Anwendungsfall zugeschnittene Lösungen anzubieten. Anwender erhalten alles Notwendige, um Lösungen mit dieser spannenden Technologie zu erstellen.

Beispiel einer HSI-Prüfung durch die Verpackung hindurch

Die Prüfung von Qualitätsmerkmalen durch die Verpackung hindurch verdeutlicht das Beispiel einer konkreten Anwendung aus dem Lebensmittelbereich zur Kontrolle von Siegelnähten an Käseverpackungen bei der Privatkäserei Bergader. Solche Siegelnähte sorgen für eine absolut dichte Verpackung von Lebensmitteln wie Käse oder Wurst. Schon kleinste Verunreinigungen oder Beschädigungen können zu undichten Verpackungen und damit zum Verderben der Lebensmittel vor dem errechneten Mindesthaltbarkeitsdatum führen. Mögliche Folgen sind dann unverkäufliche Produkte oder teure Rückrufaktionen.

Ein Hyperspektralsystem sorgt für die sichere Erkennung von Siegelnahtfehlern an Verpackungen.
Ein Hyperspektralsystem sorgt für die sichere Erkennung von Siegelnahtfehlern an Verpackungen.
(Bild: STEMMER IMAGING)

Für den Käsehersteller Bergader realisierte Minebea Intec, ein Hersteller von Wäge- und Inspektionslösungen, mit Unterstützung von STEMMER IMAGING ein System zur Siegelnahtinspektion auf Basis eines Hyperspektralsystems, das mit einer Taktgeschwindigkeit von rund 145 Untersuchungen pro Minute eine nahezu 100%ige Sicherheit bei der Erkennung von Siegelnahtfehlern erzielt. In dieser Anwendung kommt eine Hyperspektralkamera FX17 des finnischen Herstellers Specim zum Einsatz, die für den Wellenlängenbereich von 900 bis 1700 nm entwickelt wurde.

Der für die hyperspektrale Bildverarbeitung eingesetzte Spektrograph ist bei diesen kompakten Kameras nach einem patentierten Verfahren direkt in das Kameragehäuse integriert, wodurch sich eine außergewöhnlich kleine Bauform von gerade einmal 150 mmm x 85 mm x 71 mm ergibt. Bei den FX-Kameras von Specim ist zudem das Objektiv optisch auf den Spektrographen abgestimmt, um optimale Ergebnisse zu erzielen.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 13/2020 (Download PDF)

Es lässt sich zusammenfassen, dass die HSI-Technologie innovative Möglichkeiten zur Qualitätsprüfung in vielen Branchen bietet. Ebenso klar ist auch, dass die hyperspektrale Bildverarbeitung traditionelle Vision-Technologien nicht ersetzen wird. HSI stellt eine Erweiterung und Ergänzung der vorhandenen Möglichkeiten mit einem ganz spezifischen Fokus in Bezug auf die Anwendung dar. In bestimmten Fällen kann auch eine Kombination von traditioneller und hyperspektraler Bildverarbeitung sinnvoll sein, um beispielsweise verschiedene Qualitätsmerkmale auf und unter der Objektoberfläche in mehrstufigen Prüfprozessen zu kontrollieren.

* Gerhard Stanzel ist Spezialist für Spectral-Imaging-Technologie bei STEMMER IMAGING, Puchheim.

Artikelfiles und Artikellinks

(ID:46595372)