16/06/2017
Door Liam van Koert
Hyperspectraal is hot en lasting. Voor Stemmer Imaging was het reden om een speciale dag rondom het thema te organiseren. Wat kan je door het kijken naar het gehele lichtspectrum allemaal boven water krijgen? Hoe werkt het precies? En wat moet je vooral niet doen?
“Spectrum is gedefinieerd als lichtintensiteit als functie van de golflengte”, valt Mathieu Marmion van het Finse Specim, een producent van hyperspectraalcamera’s met de deur in huis. Veel behoefte om in een lange aanloop zijn bedrijf, dat in augustus 2016 een partnership met Stemmer aanging, aan te prijzen heeft hij niet. Daar is het niet de dag en niet het publiek voor. “Je kan over een spectrum praten in termen van emissie, reflectie, absorptie en transmissie. Een spectrum is afhankelijk van de moleculaire samenstelling van hetgeen je bekijkt. En aangezien vision zich bezighoudt met het kijken naar gereflecteerd licht, en wij de camera’s maken om dat licht vast te leggen, is dat het deel waar ik het vandaag met jullie over wil hebben.”
Pushbroom of snapshot?
Hyperspectrale beeldverwerking wordt gebruikt om individuele, materiaalafhankelijke features – een vingerafdruk zo je wilt – ten gevolge van verschillen in chemische verbindingen in materialen te detecteren. Hiertoe wordt het hele spectrum van alle posities van een bekeken sample vastgelegd om ze vervolgens te onderwerpen aan een kwalitatieve en/of kwantitatieve analyse. Om deze spatiële en spectrale distributie van het gereflecteerde licht vast te leggen, gebruikt Specim voor haar camera’s het zogenoemde pushbroom-principe. Mathieu Marmion: “Omdat we van tegelijkertijd in het spatiële als in het spectrale domein werken, bouwen we met een lijnscancamera lijn voor lijn het 2D-beeld op, waarbij we voor elke lijn het volledige spectrum vastleggen. Dit lijntje voor lijntje naar het spectrum kijken, ook wel pushbroom genoemd, heeft als voordeel dat de lichtopbrengst 5 tot 10 keer hoger is dan wanneer je met filters werkt. Ook is de belichting 10 tot 30 keer efficiënter.” Niet verwonderlijk dus dat Specim zich voor haar hyperspectrale camera’s voor pushbroom heeft gekozen. Mathieu Marmion: “Pushbroom werkt beter voor inline applicaties met bewegende targets, maar geeft ook buiten of in laboratoria hele goede resultaten. We hebben ons daarom helemaal op deze technologie gericht. Wel hebben we natuurlijk verschillende uitvoeringen voor verschillende toepassingen. Van UV (200-400 nm) tot en met LWIR (8-14 µm) en alles ertussenin, met voor de industrie bijvoorbeeld een robuuste en compacte bouwvorm, een hoge gevoeligheid met hoge signaalruisverhouding ratio, een grote bandbreedte (224 kanalen) en een hoge framerate (330 fps @ 1024 px en 670 fps @ 640 px).” Er volgen er diverse vragen. Over strooilicht bijvoorbeeld en de impact op aangrenzende pixels bijvoorbeeld. Zoals vaker bij systemen, blijkt ook een hyperspectrale camera niet zomaar een samenraapsel van losse componenten. Zo heeft elke golflengte zijn eigen brandpuntsafstand. Dit heeft al impact op de optiek van een rgb camera, laat staan op die van een hyperspectrale. Kosten van een hyperspectrale lens liggen al snel tussen de 2500 en 4000 euro. Maar voor zinvolle pixels is het een must. Een tweede vraag stelt het pushbroomprincipe ter discussie. Want zijn er naast de hoger spectrale resolutie ook geen nadelen? Voor tal van toepassingen – denk aan surveillance of een hyperspectrale endoscoop – is spatiale scannen helemaal geen optie. “Houdt zo vlak voor de zomer onze website goed in de gaten”, glimlacht Mathieu Marmion geheimzinnig. Meer wil hij er niet over loslaten.
Processing
Dan is het tijd voor het tweede college, ditmaal gegeven door Mark Burgstaller van Perception Park. Zijn grootste hobby? Spatiële datapoints met temperaturen, luchtvochtigheid, windsnelheden en richtingen op wereldkaartenplakken om zijn ideale vakantielocatie te vinden. En het oplossen van multidimensionale vraagstukken waarvan de uitkomsten niet meer een 2D-graiefiek, maar wel in kubussen kunnen worden weergegeven. En laat hyperspectrale beeldverwerking nu net zo’n multidimensionaal probleem zijn, waarvoor hij software heeft geschreven. Via de absorbtiewet van Lambert-Beer en andere spectroscopische theorie, maken we kennis met chemometrie: een vakgebied dat de statistiek loslaat op de scheikunde. Door beide te combineren haalt Burgstaller uit ruwe hyperspectrale sensordata waardevolle informatie over de chemische samenstelling van een bekeken oppervlak. Deze kan vervolgens door beeldverwerkingssoftware als Halcon, Common Vision Blox of LabView worden ingelezen voor het bouwen van de uiteindelijke visionapplicatie. Zorgen dat deze preprocessing betrouwbare informatie oplevert? Dat is zijn Burgstallers’ specialiteit. “Veel visiongebruikers zien door de grote hoeveelheid variabelen én het rekenen in meerdere dimensies als snel door de bomen het bos niet meer. Speciaal hiervoor hebben we de Perception Core preprocessor ontwikkelt. Ook hebben we een eigen suite Perception Studio, waarmee naast processing ook de data-acquisitie kan worden gedaan en Chemical Color Imaging software, waarmee we in realtime chemische informatie als een kleur aan 2D- of 3D-beeld kunt toevoegen.”
Praktijkvoorbeelden
Zowel Specim als Perception Park hebben inmiddels de nodige praktijkervaring opgedaan. Aan succesvolle hyperspectrale voorbeelden is er dan ook geen tekort. Een van de toepassingen die beide bedrijven veel tegenkomen is een controle op kleur. Is deze wel constant tijdens het productieproces? Dit is belangrijk om te weten in drukkerijen, maar ook bij de productie van allerlei soorten beeldschermen, keramische wandtegels of tal van andere producten waar een constante kleurkwaliteit belangrijk is. Kleur kan daarnaast ook iets zeggen over de authenticiteit van een product. Is dit schilderij echt van deze meester? En is dit bankbiljet geen vervalsing?
Een tweede type toepassing waar hyperspectraal erg waardevol is, is bij het controleren van de samenstelling van een mengsel. Zo kunnen producenten van medicijnen niet alleen zien of een pil wel in de blisterverpakking zit, maar ook of dit wel de goede pil is. Of wat te denken van het phenotypen van planten, het volgen van gewassen, geologisch onderzoek, het controleren van de kwaliteit van kaas of vlees, het controleren van voedselstromen op mogelijke contaminaties, of het recyclen van tal van materialen? De lijst gaan door en door en wie er even over nadenkt, kan zo tien nog nooit gerealiseerde toepassingen bedenken. Geen wonder dat hyperspectraal hot is. Een hype zal het echter nooit worden. Daarvoor is de materie net wat te complex.