Tehnicile de imagistică dincolo de lungimea de undă vizibilă îmbunătățesc aplicațiile de viziune artificială.

În timp ce camerele multispectrale și hiperspectrale sunt implementate în multe aplicații și industrii, un domeniu îmbunătățit de apariția acestor tehnologii este inspecția industrială. Inspecția calității produselor alimentare și a băuturilor, inspecția și sortarea produselor farmaceutice, inspecția culorilor și monitorizarea proceselor sunt doar câteva exemple ale modului în care componentele de imagistică invizibilă intră în prezent în componența sistemelor de vizionare artificială.

Figura 1: Bazate pe tehnologia prismelor, camerele multispectrale Sweep + și Fusion oferă imagini simultane ale diferitelor spectre de lumină printr-un singur traseu optic.

Bazate pe tehnologia prismelor care oferă capturi simultane de-a lungul unei singure căi optice fără roți de filtrare sau alte părți mobile, mai multe camere multispectrale (figura 1) sunt oferite de JAI (San Jose, CA, SUA, www.jai.com). Pentru utilizatorii de camere de scanare a zonei, JAI oferă trei camere multispectrale în seria Fusion. Aceste modele cu senzor 2-CCD diferă doar în ceea ce privește rezoluția și interfețele de date: AD-080CL (0,8 MPixel, interfață Camera Link, 30 fps), AD-080GE (0,8 MPixel, interfață GigE Vision, 30 fps) și AD-130GE (1,3 MPixel, interfață GigE Vision, 31 fps.) Fiecare cameră se bazează pe același aspect multispectral, în sensul că un CCD Bayer captează imagini în culori vizibile (400 până la 700 nm) pe un canal, iar un senzor monocrom captează date în infraroșu apropiat (750 până la 900+ nm) pe un al doilea canal.

Pentru utilizatorii de camere cu scanare liniară, JAI oferă trei camere multispectrale în seria Sweep+. Aceste camere cvadriliniare, bazate pe prisme, oferă canale separate pentru datele R, G, B și NIR. SW-2001Q-CL se bazează pe o matrice de 4 x 2048 pixeli CCD și dispune de o interfață Camera Link cu o frecvență de linie de 19 kHz, în timp ce LQ-401CL – de asemenea cu interfață Camera Link – utilizează o matrice CMOS de 4 x 4096 cu o frecvență de linie de 18 kHz. Dispunând de o interfață 10GigE, SW-4000Q-10GE utilizează o matrice CMOS de 4 x 4096 cu o frecvență de linie de 72 kHz.

Relaționat: Tehnologiile de învățare profundă și de imagistică hiperspectrală fac echipă pentru identificarea cartofilor bolnavi

În cele din urmă, compania oferă, de asemenea, o opțiune de scanare a liniilor multispectrale în seria Wave, cu modelul WA-1000D-CL, care dispune de doi senzori de linie InGaAs montați pe prisme (2 x 1024 pixeli, interfață Camera Link, frecvență de linie de 39 kHz). Un canal acoperă spectrul NIR superior și banda SWIR inferioară (900 – 1400 nm), în timp ce al doilea canal se încadrează în porțiunea superioară a benzii SWIR de la 1400 la 1700 nm.Figura 3: Pe baza unui detector InSb răcit, camera de imagistică hiperspectrală FX50 poate fi utilizată pentru sortarea plasticului negru și pentru detectarea contaminării pe suprafețele metalice.

„Utilizând diferite surse de lumină în bandă îngustă în gama NIR și SWIR, împreună cu tehnici de fuziune a imaginilor, această cameră poate fi utilizată pentru a detecta și sorta substanțe greu de diferențiat, în special în aplicații precum inspecția alimentelor și reciclarea materialelor plastice”, spune Rich Dickerson, manager, Marketing Communications, JAI.

De asemenea, Salvo Technologies (anterior PIXELTEQ; Seminole, FL, SUA; www.opticalfiltershop.com), care dezvoltă camere multispectrale prin fabricarea de filtre și atașarea de microfiltre modelate direct la senzorii de imagine printr-un sistem de aliniere activă, oferă o gamă de camere multispectrale și polarimetrice. Camerele din seria SpectroCam, care sunt disponibile în versiunile ultraviolet, VIS și SWIR, se bazează pe o roată de filtre care se rotește continuu, alcătuită din șase până la opt filtre optice interschimbabile. Versiunile UV și VIS – care acoperă 200 până la 900 nm și, respectiv, 400 până la 1000 nm – se bazează pe senzori de imagine CCD, în timp ce versiunile SWIR utilizează senzori InGaAs.

Camerele multispectrale PixelCam oferă capacități de formare a imaginilor multispectrale din trei până la nouă benzi spectrale, la o viteză de până la 30 fps. Toate cele trei modele se bazează pe senzori CCD (4 sau 8 MPixel) cu matrice de filtre dicroice personalizate integrate în matricea de plan focal la nivel de plachetă, care extrag informații spectrale cu contrast ridicat la anumite lungimi de undă vizibile și infraroșii, potrivit companiei. Aceste camere sunt sensibile în intervalul 400-1.000 nm și sunt disponibile în versiuni GigE sau CoaXPress cu rate de cadre de până la 15 fps.

Spectral Devices (London, ON, Canada; www.spectraldevices.com) oferă două tipuri de camere multispectrale, snapshot și line scan. Camerele de scanare liniară ale companiei se bazează pe senzorul de imagine CMV2000 CMOS cu obturator global CMOS de 2 MPixeli de la ams (Premstaetten, Austria; www.ams.com) și sunt oferite în trei camere standard cu patru benzi, precum și în modele de camere personalizate care variază de la 2 la 16 benzi diferite. Aceste camere vizează aplicații cum ar fi asigurarea și inspecția calității produselor alimentare și inspecția plachetelor.Figura 4: Cu o gamă spectrală de 400 până la 1000 nm, camera hiperspectrală Pika L măsoară doar 3,9 x 4,9 x 2,2 inci și vizează aplicații de viziune artificială și teledetecție.

Camerele instantanee se bazează pe senzorul de imagine CMV4000 CMOS de 4 MPixeli, de asemenea dezvoltat de ams, și sunt concepute pentru captarea simultană a unei scene în mai multe benzi. Oferite în șase modele standard – precum și în modele personalizate – camerele captează între 2 și 16 benzi la viteze de până la 94 fps la o rată maximă a cadrelor. Aceste camere multispectrale, potrivit companiei, sunt potrivite pentru a fi utilizate în aplicații precum robotica, procesarea alimentelor și măsurarea culorilor.

Relaționat: Imagistica aeriană ajută agricultura de precizie

Pe partea de senzori, imec (Leuven, Belgia; www.imec-int.com) a dezvoltat un senzor de imagine multispectrală cu integrare cu întârziere în timp (TDI) numit Argus, care se bazează pe tehnologia CCD-in-CMOS. Senzorii utilizează un format cu 4096 de coloane și 256 de trepte per matrice CCD (sau bandă), cu o dimensiune a pixelilor de 5,4 µm. În plus, este disponibilă o versiune cu șapte benzi, care permite utilizatorilor să adauge șapte filtre spectrale.

Aceste prototipuri integrează drivere CMOS și circuite de citire și ating o rată de linie de până la 300 kHz. Atunci când este combinat cu filtre spectrale, este posibilă realizarea de imagini TDI multispectrale, și cu un număr personalizat de benzi și etape TDI. Filtrele de culoare sau spectrale pot fi post-procesate pe plachetă sau pe capacul de sticlă de acoperire.

Imagistică hiperspectrală

Pentru a permite imagistica hiperspectrală, imec a creat, de asemenea, senzori de imagine hiperspectrală gata de utilizare, pe bază de plachete aplicate direct deasupra pixelilor (figura 2) pe senzorul de imagine CMV2000 CMOS de la ams. Acești senzori de imagine sunt disponibili în format mozaic instantaneu, mozaic instantaneu în plăci, wedge cu scanare liniară și CCD cu scanare liniară cu integrare cu întârziere în timp (TDI) și oferă opțiuni cu 4, 7, 16, 25, 32, 100+ și 150+ benzi. Senzorii de imagine sunt integrați în mai multe modele de camere de tratare a imaginii, toate acestea fiind potrivite pentru utilizarea în diverse aplicații de inspecție industrială.

XIMEA (Münster, Germania; www.ximea.com) oferă patru modele bazate pe senzori imec, inclusiv doi senzori mozaic-țesut cu 16 și 25 de benzi și două modele de scanare liniară cu 100 și 150 de benzi. Aceste camere dispun fie de interfață USB3 cu viteze de 170 fps, fie de PCIe cu viteze de până la 340 fps, precum și de intervale spectrale RGB+NIR, de la 470 la 630 nm, de la 600 la 950 nm, de la 600 la 975 nm și de la 470 la 900 nm, în funcție de model.

„Prin aplicarea de filtre spectrale în bandă îngustă la nivel de pixel cu ajutorul procesării cu peliculă subțire de semiconductori, tehnologia imec permite soluțiilor de senzori de imagine hiperspectrală să reducă factorul de formă, să scadă greutatea și să fie potrivite pentru sistemele de viziune încorporate”, spune Ivan Klimkovic, Key Account Manager la XIMEA. „XIMEA a cuplat senzorii hiperspectrali de la imec cu platforma sa de camere xiQ, care completează factorul de mărime important, oferind dimensiuni de 26,4 x 26,4 x 31 mm și o greutate de numai 31 de grame.”

Photonfocus (Lachen, Elveția; www.photonfocus.com) oferă trei camere hiperspectrale care dispun, de asemenea, de senzori imec. Disponibile în format mozaic instantaneu, aceste camere oferă opțiuni cu 16 sau 25 de benzi. Cu o interfață GigE, camerele oferă viteze de până la 50 fps și intervale spectrale de 470 până la 630 nm, 470 până la 900 nm, 595 până la 860 nm, 600 până la 975 nm și 665 până la 975 nm, în funcție de model.

În plus, imec a încheiat un parteneriat cu Adimec (Eindhoven, Olanda; www.adimec.com) pentru a dezvolta sistemul hiperspectral VNIR imec, care se bazează pe o cameră de viziune artificială Adimec Quartz cu un senzor de imagine CMOS de 2 MPixeli. Oferind un format de scanare liniară cu peste 150 de benzi și o interfață Camera Link, acest sistem dispune de o gamă spectrală de la 470 la 900 nm sau de la 600 la 1000 nm.

Imec are, de asemenea, propriile sale produse hiperspectrale, inclusiv sistemele SNAPSCAN NIR, SNAPSCAN VNIR și SNAPSCAN SWIR, care dispun de o interfață USB 3.0 și oferă formate de scanare instantanee și de linie cu 100+ și 150+ benzi, precum și intervale spectrale de la 470 la 900 nm, de la 600 la 1000 nm și de la 1100 la 1700 nm, în funcție de model.

Relaționat: Sistemul de imagistică hiperspectrală clasifică produsele agricole

Numeroase companii de viziune artificială dezvoltă, de asemenea, camere hiperspectrale în afara domeniului imec, inclusiv Specim (Oulu, Finlanda; www.specim.fi), care oferă seria de camere FX. Aceste camere hiperspectrale funcționează în modul de scanare liniară, sunt disponibile în GigE, Camera Link sau Ethernet personalizat și sunt concepute special pentru aplicații industriale de viziune artificială.

Camera FX50 (figura 3) se bazează pe un detector InSb răcit și are o rezoluție spațială de 640 de pixeli, o gamă spectrală de la 2,7 la 5,3 µm, o viteză de achiziție a imaginii de 380 fps și o selecție liberă a lungimilor de undă din 154 de benzi din cadrul acoperirii camerei. Această cameră, potrivit companiei, este potrivită pentru utilizarea în sortarea plasticului negru și pentru detectarea contaminării pe suprafețele metalice.

„Deșeurile de plastic reprezintă o problemă uriașă: se estimează că, până în 2050, în oceane va exista mai mult plastic decât pește. Majoritatea materialelor plastice nereciclabile constă în tipuri mixte de plastic care nu pot fi reutilizate deoarece tehnologiile tradiționale de sortare a plasticului nu îndeplinesc cerințele industriale pentru a le separa în mod suficient de fiabil și eficient”, spune Hannu Mäki-Marttunen, Head of Sales & Marketing la Specim. „Aici intervin camerele hiperspectrale din seria Specim FX. Cu FX17 și cu nou-nouțul FX50, putem acum să identificăm și să sortăm diferite materiale plastice, chiar și materiale plastice negre, cu o precizie de până la 99%.”

El continuă: „Acest lucru înseamnă că clienții finali ai Specim pot acum să transforme deșeurile de plastic într-o resursă valoroasă care poate fi reutilizată ca materie primă pentru industria materialelor plastice.”

Modelul FX17 este o cameră bazată pe InGaAs cu o gamă spectrală de la 900 la 1700 nm, viteză de achiziție a imaginilor de 670 fps și selecție liberă a lungimilor de undă din 224 de benzi din cadrul acoperirii camerei. Printre aplicațiile vizate se numără calitatea alimentelor și a furajelor, sortarea deșeurilor, reciclarea și măsurarea umidității. Modelul FX10 este o cameră bazată pe un senzor de imagine CMOS, cu o gamă spectrală de la 400 la 1000 nm, o viteză de achiziție a imaginii de 330 fps și o selecție liberă a lungimilor de undă din 224 de benzi din aria de acoperire a camerei. Potrivit companiei, această cameră se adresează aplicațiilor de viziune artificială, cum ar fi inspecția calității alimentelor și detectarea culorii/densității în aplicațiile de imprimare.

Specim oferă o serie de alte camere hiperspectrale, inclusiv modelele Fenix, PFD-65-V10E și sCMOS-50-V10E, precum și camera portabilă Specim IQ, care permite analiza mobilă a materialelor și oferă o gamă spectrală cuprinsă între 400 și 1000 nm.

HinaLea Imaging (Kapolei, HI, SUA; www.hinaleaimaging.com) produce, de asemenea, camere hiperspectrale, inclusiv camera cu câmp larg Model 4200, care are o rezoluție spațială a senzorului de 2,3 MPixeli, sensibilitate în intervalul 400-1000 nm și acces la până la 600 de benzi spectrale. Compania oferă, de asemenea, modelul 4100H portabil, care se pare că oferă cuburi de date de 2,3 MPixeli la până la 550 de benzi spectrale în lungimile de undă din spectrul vizibil și infraroșu apropiat (de la 400 la 1000 nm). Dispozitivul are, de asemenea, un procesor încorporat și un sistem de iluminare încorporat.

„Primim un interes enorm și în creștere pentru camerele noastre pentru inspecția siguranței alimentare și pentru procesarea semiconductorilor”, spune Alexandre Fong, vicepreședinte, Inginerie. „Odată cu introducerea soluțiilor spectrale rentabile, există potențialul de a transforma aplicațiile de inspecție automatizată cu această profunzime de informații noi.”

Țintind aplicațiile avansate de viziune artificială ca una dintre piețele sale principale, Headwall Photonics (Bolton, MA, SUA; www.headwallphotonics.com) este o altă companie care dezvoltă camere spectrale. Pentru camera sa Micro-Hyperspec, de exemplu, compania enumeră vizionarea mașinilor ca fiind o aplicație țintă. Această cameră este disponibilă în versiunile VNIR, NIR, NIR extins și SWIR, toate acestea oferind interfață Camera Link: VNIR A-Series (400 până la 1000 nm, senzor CCD de siliciu, 324 de benzi spectrale selectabile, 90 fps); VNIR E-Series (400 până la 1000 nm, senzor sCMOS, 369 de benzi spectrale selectabile, 250 fps); NIR 640 (900 până la 1700 nm, detector InGaAs, 134 de benzi spectrale selectabile, 120 fps); NIR 320 (900 până la 1700 nm, detector InGaAs, 67 de benzi spectrale selectabile, 346 fps); VNIR extins 640 (600 până la 1700 nm, detector InGaAs, 267 de benzi spectrale selectabile, 120 fps); SWIR 384 (900 până la 2500 nm, detector MCT, 166 de benzi spectrale selectabile, 450 fps); și SWIR 640 (900 până la 2500 nm, detector MCT, 267 de benzi spectrale selectabile, >200 fps).

Concepută exclusiv pentru aplicații de viziune artificială este camera Hyperspec MV a companiei, care are o gamă de lungimi de undă de la 400 la 1000 nm, 270 de benzi spectrale selectabile, o interfață Camera Link și o viteză de achiziție a imaginilor de 485 fps.

În timp ce BaySpec (San Jose, CA, SUA; www.bayspec.com), este o companie care dezvoltă instrumente spectrale pentru industrii, inclusiv cercetare și dezvoltare, biomedicale și telecomunicații optice, compania are, de asemenea, camere hiperspectrale care sunt potrivite pentru inspecție industrială. Una dintre aceste camere este camera USB 3.0, care servește drept motor optic pentru camerele hiperspectrale OCI-1000 (push-broom, până la 120 fps) și OCI-2000 (instantanee, până la 120 fps) ale companiei, care acoperă intervalul de 600 până la 1000 nm cu până la 100 (OCI-1000) sau 25 (OCI-2000) de benzi spectrale selectabile.

O altă opțiune este camera hiperspectrală GoldenEye Snapshot a companiei, care utilizează tehnologia FT-PI brevetată și acoperă o gamă extinsă de la 400 la 1700 nm, dispune de 40 până la 52 de benzi spectrale selectabile și o rată a cadrelor de 1 fps la 648 x 488 pixeli spațiali.

În mod similar, Resononon (Bozeman, MT, SUA; www.resonon.com) este o companie care dezvoltă camere hiperspectrale pentru aplicații de laborator, în aer liber și de teledetecție, fiind în același timp atentă și la piața de viziune artificială. Potrivite pentru utilizarea în aplicații de imagistică industrială sunt următoarele camere, potrivit companiei: Pika L (Figura 4; interval spectral de 400 până la 1000 nm, 281 de benzi spectrale selectabile, 249 fps, interfață USB 3.0), Pika XC2 (interval spectral de 400 până la 1000 nm, 447 de benzi spectrale selectabile, 165 fps, interfață USB 3.0), Pika XC2 (interval spectral de 400 până la 1000 nm, 447 de benzi spectrale selectabile, 165 fps, interfață USB 3.0), Pika NIR-320 (interval spectral de 900 până la 1700 nm, 164 de benzi spectrale selectabile, 520 fps, interfață GigE) și Pika NIR-640 (900 până la 1700 nm, 328 de benzi spectrale selectabile, 249 fps, interfață GigE.)

În cele din urmă, oferind două camere de imagistică hiperspectrală pentru aplicații de imagistică industrială în linia sa HySpex este Norsk Elektro Optikk (NEO; Skedsmokorset, Norvegia; www.hyspex.no). Camera HySpex SWIR-384 se bazează pe un senzor MCT și oferă o gamă spectrală de la 950 la 2500 nm cu 288 de benzi spectrale selectabile și o rată de cadre de 400 fps la întreaga gamă spectrală (scalabilă prin reducerea gamei), în timp ce HySpex VNIR-1024 se bazează pe un senzor de imagine CMOS și oferă o gamă spectrală de la 400 la 1000 nm cu 108 benzi spectrale selectabile și o rată de cadre de 700 fps la rezoluția spectrală completă.

Ambele camere hiperspectrale, potrivit companiei, sunt extrem de clare – atât din punct de vedere spectral, cât și spațial – cu mai puțin de 10% erori de înregistrare spațială și spectrală (smile și keystone).