Nyt kompakt hyperspektralt system optager 5-D-billeder

Forskere har udviklet et kompakt billeddannelsessystem, der kan måle objekters form og lysreflektionsegenskaber med høj hastighed og nøjagtighed. Dette 5D hyperspektrale billeddannelsessystem - såkaldt fordi det fanger flere bølgelængder af lys plus rumlige koordinater som en funktion af tid - kan gavne en række forskellige applikationer, herunder optisk-baseret sortering af produkter og identifikation af personer i sikre områder i lufthavne. Med yderligere miniaturisering, imager kunne muliggøre smartphone-baseret inspektion af frugtmodenhed, eller personlig medicinsk overvågning.

Hvad mere er, "fordi vores billedbehandlingssystem ikke kræver kontakt med objektet, det kan bruges til at optage historisk værdifulde artefakter eller kunstværker, " sagde forskerholdsleder Stefan Heist fra Friedrich Schiller University Jena og Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering, Tyskland. Dette kan bruges til at skabe et detaljeret og præcist digitalt arkiv, han tilføjede, samtidig med at det tillader undersøgelse af objektets materialesammensætning.

Hyperspektrale billedapparater registrerer snesevis til hundredvis af farver, eller bølgelængder, i stedet for de tre, der registreres af normale kameraer. Hver pixel i et traditionelt hyperspektralt billede indeholder bølgelængdeafhængig strålingsintensitet over et specifikt område forbundet med todimensionelle koordinater.

Det nye hyperspektrale billeddannelsessystem, udviklet i samarbejde med Gunther Notnis forskningsgruppe fra Tysklands Ilmenau University of Technology, fremmer denne billedbehandlingstilgang ved at erhverve yderligere dimensionsinformation. I tidsskriftet The Optical Society (OSA). Optik Express , forskere beskriver, hvordan hver pixel, der erhverves af deres nye 5D hyperspektrale billedkamera, indeholder tiden; x, y og z rumlige koordinater; og information baseret på lysreflektans, der spænder fra den synlige til den nær-infrarøde del af det elektromagnetiske spektrum.

"State-of-the-art systemer, der har til formål at bestemme både formen af ​​objekterne og deres spektrale egenskaber, er baseret på flere sensorer, tilbyder lav nøjagtighed eller kræver lange måletider, sagde Heist. I modsætning hertil, vores tilgang kombinerer fremragende rumlig og spektral opløsning, stor dybdenøjagtighed og høje billedhastigheder i et enkelt kompakt system."

Oprettelse af en kompakt prototype

Forskerne skabte et prototypesystem med et fodaftryk på kun 200 gange 425 millimeter - på størrelse med en bærbar computer. Den bruger to hyperspektrale snapshot-kameraer til at danne 3-D-billeder og opnå dybdeinformation ligesom vores øjne gør ved at fange en scene fra to lidt forskellige retninger. Ved at identificere bestemte punkter på objektets overflade, der er til stede i begge kameravisninger, et komplet sæt af datapunkter i rummet for det pågældende objekt kan oprettes. Imidlertid, denne tilgang virker kun, hvis objektet har nok tekstur eller struktur til utvetydigt at identificere punkter.

For at fange både spektral information og overfladeformen af ​​objekter, der måske ikke er meget teksturerede eller strukturerede, inkorporerede forskerne en specialudviklet højhastighedsprojektor i deres system. Ved hjælp af en mekanisk projektionsmetode, en række aperiodiske lysmønstre bruges til kunstigt at strukturere objektets overflade. Dette muliggør robust og nøjagtig 3-D rekonstruktion af overfladen. Den spektrale information opnået af de forskellige kanaler i de hyperspektrale kameraer kortlægges derefter på disse punkter.

"Vores tidligere udvikling af et system, der projicerer aperiodiske mønstre ved hjælp af et roterende hjul, gjorde det muligt at projicere mønstersekvenser ved potentielt meget høje billedhastigheder og uden for det synlige spektrale område, " sagde Heist. "Nye hyperspektrale snapshot-kameraer var også en vigtig komponent, fordi de tillader rumlig og spektralt opløst information at blive fanget i et enkelt billede, uden nogen scanning."

Højhastigheds hyperspektral billeddannelse

Forskerne karakteriserede deres prototype ved at analysere kameraernes spektrale adfærd og hele systemets 3D-ydeevne. De viste, at den kunne optage synlige til nær-infrarøde 5D-billeder så hurtigt som 17 billeder i sekundet, væsentligt hurtigere end andre lignende systemer.

For at demonstrere nytten af ​​prototypen til at analysere kulturelt betydningsfulde objekter, forskerne brugte den til digitalt at dokumentere en historisk reliefklode fra 1885. De skabte også nær-infrarøde 5D-modeller af en persons hånd og viste, at systemet kunne bruges som en enkel måde at detektere vener. Imager kan også bruges til landbrugsapplikationer, hvilket forskerne viste ved at bruge det til at fange 5D-ændringen i reflektionsspektret af citrusplanteblade, mens de absorberede vand.

Forskerne planlægger at optimere deres prototype ved at bruge hyperspektrale kameraer med et højere signal-til-støj-forhold, eller som udviser mindre krydstale mellem de forskellige spektrale kanaler. Ideelt set systemet vil blive skræddersyet til specifikke applikationer. For eksempel, kameraer med høj billedfrekvens kan bruges til at analysere dynamisk skiftende objektegenskaber, mens brug af sensorer med høj opløsning i den infrarøde bølgelængde kan være nyttig til at detektere kemikalielækager.