Tehnologija hiperspektralnih senzora za snimanje dobija sve veću važnost u sektorima kao što su poljoprivreda, industrija, medicina i sigurnost, zahvaljujući svojoj sposobnosti da vidi dalje od vidljivog. Iako joj naziv može zvučati složeno, njen rad se zasniva na optičkim principima koji omogućavaju identifikaciju materijala i supstanci putem njihovih spektralnih svojstava.
U ovom članku ćemo se pozabaviti time šta je tačno hiperspektralni senzor slike, kako se razlikuje od drugih vrsta senzora kao što su multispektralni senzori, njihovim tehničkim karakteristikama i glavnim primjenama. Također ćemo istražiti prednosti koje ova tehnologija nudi i njene trenutne izazove.
Šta je hiperspektralni senzor slike?
Un hiperspektralni senzor To je uređaj sposoban za kontinuirano snimanje slika koje sadrže detaljne informacije iz stotina spektralnih opsega, obično u rasponu elektromagnetnog spektra koji ide od ultraljubičasto (350 nm) sve do bliski i srednji infracrveni spektar (do 2500 nm).
Ono što izdvaja ovu tehnologiju je to što Svaki piksel u generiranoj slici sadrži kompletan spektar, što omogućava identifikaciju materijala po njihovom jedinstvenom "spektralnom potpisu". Ovi spektralni potpisi odražavaju fizičke i hemijske karakteristike posmatranog objekta, što hiperspektralni senzor čini preciznim i nedestruktivnim alatom za detaljnu identifikaciju i praćenje materijala, tkanina ili predmeta.
Kako funkcioniše hiperspektralno snimanje?
La hiperspektralno snimanje To uključuje snimanje i obradu informacija iz elektromagnetnog spektra koji reflektuju ili emituju objekti. Senzor dijeli ovaj spektar na mnoštvo vrlo uskih susjednih pojaseva, generirajući trodimenzionalnu sliku, poznatu i kao hiperspektralna kocka, sa dvije prostorne dimenzije i jednom spektralnom dimenzijom.
Ova "kocka" omogućava analizu intenziteta svjetlosti na različitim talasnim dužinama za svaki piksel na slici. To rezultira jedinstvenim spektralnim profilom za svaku posmatranu tačku, pružajući ogromnu diskriminatornu moć između materijala koji golim okom mogu izgledati identično.
Jasna aplikacija bi mogla biti otkrivanje trulog dijela voća bez potrebe za rezanjem, budući da su spektralna svojstva zdravog i oštećenog tkiva različita čak i ako se to vizualno ne vidi.
Po čemu se razlikuje od multispektralnih senzora?
Multispektralni senzori također hvataju spektralne informacije, ali to čine u ograničenom broju opsega, obično 5 a 10, koji nisu nužno susjedni. Ovi pojasevi obično uključuju vidljive pojaseve (crvenu, zelenu i plavu) i neke blisko infracrvene pojaseve.
S druge strane, hiperspektralni senzori snimaju stotine vrlo uskih i susjednih traka, koji pruža mnogo veća spektralna rezolucijaZbog toga, hiperspektralni senzori mogu preciznije identificirati hemijske kompozicije ili identificirati materijale s vrlo sličnim svojstvima, nešto što ne bi bilo moguće s multispektralnim senzorima.
Prednosti i tehničke karakteristike hiperspektralne tehnologije
Hiperspektralni sistemi nude niz tehničkih prednosti koje ih čine jedinstvenim za napredne primjene:
- Beskontaktno mjerenje: Budući da su to kamere, informacije se mogu snimiti bez dodirivanja objekta.
- Nerazorna metoda: objekat nije izmijenjen ili oštećen prilikom analize.
- Visoka specifičnost: omogućava razlikovanje čak minimalne varijacije između vrlo sličnih materijala, zahvaljujući visokoj spektralnoj rezoluciji.
- Mogućnost mjerenja u realnom vremenu: Postoje rješenja koja vam omogućavaju trenutno snimanje i analizu slika, čak i u industrijskim okruženjima.
- Svestranost u različitim uslovima osvetljenja: Mogu se konfigurirati za rad s različitim vrstama rasvjete, kao što su infracrveno ili kontrolirano svjetlo.
Što se tiče korištene tehnologijePostoji nekoliko alternativa. Neke kamere koriste interferometrijske filtere tipa Fabry-Perot koji se primjenjuju direktno na senzore, što omogućava minijaturizaciju sistema, smanjuje troškove i čini ga prenosivijim. Druge koriste tehnike skeniranja kao što su "metla za guranje", što se sastoji od snimanja linije objekta u svakom trenutku, pomicanja senzora kako bi se konstruirala kompletna slika.
Spektralna i prostorna rezolucija
Jedna od najmoćnijih karakteristika hiperspektralnih senzora je njihova visoka spektralna rezolucija, što omogućava razlikovanje talasnih dužina sa vrlo malim razmakom, čak 10 do 20 nmTo se prevodi u veću sposobnost prepoznavanja spektralnih potpisa.
Međutim, ovu prednost često prati i niža prostorna rezolucija, budući da se količina podataka koju senzor treba snimiti povećava s dodavanjem tolikog broja spektralnih opsega. Nasuprot tome, multispektralni senzori obično imaju manje opsega, ali ih snimaju s većom prostornom rezolucijom.
Veličina, obrada podataka i složenost
Količina informacija generiranih hiperspektralnim slikama je ogromna. To su trodimenzionalni podaci koji zahtijevaju složena računarska obrada i specijalizirani softver. Ova analiza često uključuje tehnike kemometrija ili algoritmi mašinskog učenja za identifikaciju obrazaca u spektralnim potpisima.
Stoga je jedan od trenutnih izazova ove tehnologije efikasno skladištenje i brza analiza podatakaSrećom, pojavljuje se sve više rješenja koja olakšavaju korištenje ovih alata, čak i u industrijskim ili terenskim uvjetima.
Kada koristiti hiperspektralne senzore u odnosu na multispektralne?
Izbor između ovih tehnologija zavisi od konačnog cilja. multispektralni senzori to su obično jeftinije, brže za implementaciju i manje složeno, što ih čini idealnim za zadatke gdje nisu potrebni ekstremni spektralni detalji.
Međutim, ako analiza zahtijeva visoka preciznost i fino razlikovanje između materijala, kao što je slučaj u biomedicini, kontroli kvalitete ili mineraloškoj identifikaciji, onda je hiperspektralni senzor očito prikladniji.
U mnogim slučajevima, obje tehnologije se mogu čak i kombinovati kako bi se iskoristile njihove odgovarajuće prednosti.
Najznačajnije primjene hiperspektralnog snimanja
Hiperspektralni senzori imaju sve veću listu primjena, uključujući:
- Poljoprivreda i usjevi: procjena zdravlja biljaka, otkrivanje bolesti ili vodnog stresa, analiza hranjivih tvari i mapiranje vrsta.
- Prehrambena industrija: neinvazivna kontrola kvalitete, detekcija stranih tijela, nutritivna analiza i automatska klasifikacija.
- Medicina i bioznanosti: analiza tkiva, neinvazivna dijagnoza, otkrivanje rana ili ćelijskih abnormalnosti.
- Rudarstvo i geologija: tačna identifikacija minerala, mapiranje ležišta i analiza tla.
- Kontrola životne sredine: detekcija zagađivača u vodi i zraku, praćenje močvara ili požara.
- Sigurnost i odbrana: otkrivanje skrivenih predmeta, hemijskih supstanci ili napredni nadzor.
- Arheologija i umjetnost: analiza pigmenata, konzervacija radova i otkrivanje falsifikata.
- Farmaceutska industrija: kontrola procesa i autentifikacija proizvoda.
Istaknute tehnologije na tržištu
Postoji niz tehnologija i brendova koji su razvili specifična rješenja za različite primjene. Na primjer:
- Nireos HERA: Koristi Fourierovu transformacijsku (FT) spektroskopiju, pružajući visoku spektralnu tačnost i odličnu stabilnost, čak i u vibrirajućim industrijskim okruženjima.
- HAIP-Crna: Oslanja se na tehnologiju "push-broom" s prilagodbama za statična okruženja i prenosive sisteme, kao što su ručne kamere ili sistemi ugrađeni u dronove.
- SILIOS: Specijalizirani smo za multispektralne kamere tipa snapshot koje omogućavaju istovremeno snimanje više opsega zahvaljujući pikseliziranim filterima na CMOS ili InGaAs senzorima.
Zahvaljujući ovim dostignućima, ova tehnologija postaje sve fleksibilnija, prilagodljivija i dostupnija višestrukim sektorima.
Usvajanje hiperspektralnih senzora u različitim oblastima predstavlja priliku za inovacije koje omogućavaju preciznije i detaljnije prikupljanje podataka, olakšavajući donošenje bolje informisanih i optimizovanih odluka za svaki sektor.
