Multispectral and hyperspectral vision

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1 Multispectral and hyperspectral vision Vittorio Sala, R&D presso image S s.p.a. Smart Vision - Le tecnologie per l industria del futuro

2 Spettro onde elettromagnetiche La luce visibile è solo una minima parte dello spettro Camera Luce Campione Nuclei atomici (fisica delle particelle) Livelli elettronici profondi (radiografie) Oscillazioni delle molecole (sorting) Rotazioni delle molecole Telecomunicazioni

3 Riflettanza Spettro onde elettromagnetiche L analisi dello spettro può portare informazioni sulla chimica dei materiali che non si trovano in una immagine a colori. Camera 1 Luce Saccarosio Stevia Campione Fruttosio Immagine a colori Analisi dello spettro nel medio infrarosso

4 Sensori in silicio Il sensore CMOS di una telecamera industriale realizzato in silicio è sensibile nelle regioni spettrali: Visibile ( nm ) Infrarosso vicino (700 nm 1000 nm) E possible limitare la sensibilità applicando dei filtri sull ottica. Visibile Infrarosso vicino (NIR) E possible integrare più sensori in una singola telecamera Sensore VIS Pixel Lente Sensore NIR

5 Sensori Bayer a colori L applicazione di filtri colorati ai singoli pixel permette di ottenere immagini a colori. Per ottenere l immagine a colori è necessario stimare il valore di luminosità dei pixel mancanti.

6 Sensori Bayer a colori L applicazione di filtri colorati ai singoli pixel permette di ottenere immagini a colori. La risposta spettrale dei filtri è progettata per essere simile a quella dell occhio umano. Visibile

7 Telecamera multispettrale Blu Rosso Verde NIR E possible sostituire nella matrice Bayer alcuni filtri sensibili al verde con filtri sensibili all infrarosso vicino. Si ottiene una telecamera con 4 bande, detta multispettrale.

8 Indice vegetativo NDVI Immagine a colori di un campo coltivato La clorofilla assorbe molto nel rosso e poco nel NIR Il confronto dell immagine NIR con l immagine rossa permette di valutare lo stato di salute delle piante. La componente NIR permette di calcolare l immagine NDVI che mette in evidenza le zone più critiche del campo NDVI= =

9 Telecamere multispettrali per ogni esigenza E possible sviluppare filtri modellati sulle esigenze di ogni cliente fino a decine di bande Applicazioni agricole Applicazioni biomediche Giallo Rosso Limite di assorbimento della piante NIR Emoglobina Emoglobina non ossigenata Emoglobina ossigenata Lipidi

10 Tecnologia iperspettrale lineare Sono disponibili a livello commerciale sensori lineari con 3 o più bande. Sensore multispettrale 4 linee: NIR, rosso, verde, blu Sensore monocromatico Sensore a colori 2 linee Sensore a colori 3 linee

11 Quantum effciency Riflettanza Sensori: silicio vs InGaAs Spettri di riflettanza per alcuni polimeri di uso comune I sensori InGaAs sono sensibili alla luce del medio infrarosso, dove lo spettro è determinato dalle oscillazioni vibrazionali del materiale. PET HDPE 80% Sensore in silicio Sensore InGaAs PVC 60% 40% % 0% H O H

12 Intensità relativa Intensità relativa Sorgenti di luce Illuminatore visibile e NIR per sensori in silicio Faretti alogeni: Poco efficienti Vita utile breve Spettro della luce variabile in funzione dell usura del filamento Illuminatore nel medio infrarosso per sensori InGaAs Gli illuminatori led a spettro continuo superano i limiti dei faretti alogeni

13 Spettrometro Tecnologia iperspettrale La necessità di identificare e riconoscere sotanze organiche in base allo spettro vibrazionale nel medio infrarosso ha portato alla tecnologia iperspettrale. Lunghezza d onda [nm] Lunghezza d onda [nm] Preciso ma necessita di essere posizionato sull oggetto Tecnologia lineare a filtro Veloce Necessita ricostruzione dello spettro Tecnologia pushbroom: Elevata risoluzione Robusta

14 Tecnologia iperspettrale pushbroom Sensore silicio (400 nm nm) Dimensione spaziale fino a 1024 pixel Fino a 330 frame/s Fino a 224 bande spettrali (FWHM 5,5 nm) Utile per analisi colorimetriche Sensore InGaAs (900 nm nm) Dimensione spaziale fino a 640 pixel Fino a 660 frame/s Fino a 224 bande spettrali (FWHM 5,5 nm) Utile per analisi chemometriche Misure di concentrazione Separazione di rifiuti solidi urbani Lunghezza d onda [nm] Tecnologia pushbroom: Elevata risoluzione Robusta

15 Chemical colour imaging L analisi degli spettri può portare a ottenere informazioni invisibili nell imagine a colori o metterli in evidenza. Per semplicità, il risultato dell analisi può essere rappresentato in falsi colori.

16 Esempio di applicazione: separazione rifiuti solidi urbani Acquisizione dell immagine iperspettrale Addestramento del classificatore su spettri di esempio Riconoscimento

17 Grazie per l attenzione.

18 Marchi ai quali si fa riferimento nella presentazione