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Verfahrenstechnik 10/2016

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Verfahrenstechnik 10/2016

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MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN Der Blick aufs Ganze Chemical Color Imaging: Evolution der industriellen Bildverarbeitung Peter Stiefenhöfer Chemical Color Imaging (CCI) macht komplexe Hyperspektraldaten auf molekularer Ebene für die industrielle Bildverarbeitung nutzbar. So lassen sich z. B. Nahrungsmittel oder Kunststoffe aufgrund ihrer unterschiedlichen Molekularstruktur und der chemischen Eigenschaften eindeutig unterscheiden. Hyperspektral-Bildverarbeitungssysteme auf Basis einer generischen, intuitiv konfigurierbaren Datenverarbeitungsplattform machen wissenschaftliche Methoden der hyperspektralen Analyse intuitiv zugänglich und erschließen damit neue Anwendungsgebiete. Moderne 3-D-Bildverarbeitungssysteme mit Farbkameras erzeugen hochpräzise räumliche Bilder der untersuchten Objekte. Allerdings sind diese Systeme ausgelegt auf die Analyse von Oberflächen und finden ihre Grenzen immer dann, wenn die zu untersuchenden Objekte eine unterschiedliche molekulare Struktur besitzen oder gar einem Veränderungsprozess unterliegen. Ersteres ist beispielsweise bei der Trennung von Kunststoffen im Recycling der Fall, während etwa im Lebensmittelbereich der Reife grad von Früchten und möglicher Schimmel befall eine große Rolle spielen. Autor: Dipl.-Ing. Peter Stiefenhöfer, Leiter Marketing & Öffentlichkeitsarbeit, Stemmer Imaging GmbH, Puchheim Chemischer Fingerabdruck Solche Informationen können nur mit Hyperspektralkameras gewonnen werden, denn anhand ihrer chemischen Eigenschaften hinterlassen Objekte mit ihrer spektralen Signatur einen einzigartigen „Fingerabdruck“. Diese spektralen Signaturen ermöglichen eine Materialerkennung durch die Molekülstruktur einzelner Objekte. Allerdings war hyperspektrale Kameratechnologie bislang noch nicht flächendeckend im industriellen Umfeld anwendbar. „Ein Grund dafür ist, dass die Entwicklung hyperspektraler Applikationen bisher nur Experten der Spektroskopie und Chemometrie vorbehalten war“, erklärt Markus Burgstaller, Geschäftsführer bei Perception Park. „Viele Anwendungsversuche scheitern zudem daran, dass die Farbbildverarbeitungssysteme bestehender Maschinen in der Regel nicht in der Lage sind, hyperspektrale Kameras sinnvoll zu integrieren. Als Folge muss jede einzelne Anwendung basierend auf hyperspektraler Kameratechnologie von Grund auf neu entwickelt und umgesetzt werden, was im industriellen Umfeld meist nicht wirtschaftlich darstellbar ist.“ Die hyperspektrale Kameratechnologie ist jetzt auch im industriellen Umfeld anwendbar. Aussagekräftige Kombination Chemical Color Imaging (CCI) schließt diese technologische Lücke und ermöglicht erstmals, dass die chemischen Eigenschaften von Objekten mittels Bildverarbeitung in Echtzeit bewertet werden können. Die damit verbundenen Vorteile der Spektroskopie werden dabei in einem ganzheit lichen Ansatz mit denen der industriellen Bildverarbeitung zusammengeführt. „Kernelement von CCI ist die Extraktion von zweidimensionalen Feature-Bildern, den Chemical Color Images, aus komplexen, multidimensionalen Hyperspektral-Daten. In diesen Feature-Bildern werden dem An- wender die gesammelten, ortsaufgelösten, spektroskopischen Informationen in Farbe codiert dargestellt. Durch den Einsatz von CCI erscheint die hyperspektrale Kamera im System des Anwenders also wie eine Farbkamera. Die Farben (Chemical Colors) spiegeln molekulare Eigenschaften der untersuchten Objekte wider“, erläutert Markus Burgstaller. Die Vorzüge der Spektroskopie hinsichtlich ihrer Selektivität werden um den „örtlich verstehenden“ Charakter erweitert, den die Bildverarbeitung ermöglicht. Ein besonderer Vorteil liegt dabei darin, dass keine Klassifikation, sondern eine gezielte Reduktion der spektroskopischen Information hin auf interpretierbare chemische Eigenschaften stattfindet. Intuitive Plattform Perception Park hat mit dem Perception- System eine generische, intuitiv konfigurierbare Datenverarbeitungsplattform entwickelt, die wissenschaftliche Methoden gekapselt zur Verfügung stellt und für jedermann intuitiv zugänglich macht. Diese Abstraktion von komplexen spektralen Informationen über vorhandene chemische Eigenschaften macht die Handhabung der Kamera auch für Benutzer ohne Expertenwissen über Spektroskopie und Chemometrie möglich und interpretierbar. „Aufgrund dieses generischen Zuganges müssen neue Anwendungen nicht von Grund auf programmiert werden. Vielmehr können Anwender selbstständig Applikationen entwickeln und konfigurieren, ohne dass Spezialkenntnisse in Chemometrie, Spektroskopie oder hyperspektraler Datenverarbeitung zwingend erforderlich sind“, erklärt Burgstaller. Einmal konfiguriert, läuft das Perception-System im Stand-alone-Betrieb als Adapter zwischen Kamera und Maschine. Als Schnittstelle zur Maschine dient dabei stets ein bekanntes Bildverarbeitungsformat, über das der Anwender eigenständig eine Entscheidung treffen 38 VERFAHRENSTECHNIK 10/2016

MESSEN, REGELN, AUTOMATISIEREN automatische Trennung von Kunststoffen. Hier besteht die Aufgabe z. B. darin, Kunststoffteile aus Polyethylen (PE) und Polypropylen (PP) anhand ihrer chemischen Zusammensetzung zu erkennen und zu trennen. Das Perception-System kann unterschiedliche Kunststoffe im selben Prozessschritt zuverlässig identifizieren. Gesamtsystem verfügbar Im Realbild (links) zeigen Zucker, Salz und Zitronensäure kaum Unterschiede, während sie im CCI-Bild (rechts) klar zu identifizieren sind kann, die auf dem Chemical Color Imaging basiert. Viele Möglichkeiten Chemical Color Imaging wird typischerweise von Lösungsanbietern wie Maschinenbauern vornehmlich in industriellen Prozessen angewendet. Für sie bedeutet CCI eine größere Unabhängigkeit von externen Tech nologielieferanten und mehr Flexibilität bezüglich der eigenen Applikation. Dies schlägt sich beispielsweise in der lebensmittelverarbeitenden Industrie, wo sich das Sortiergut z. B. durch Nachreifung schnell verändert, positiv auf Weiterentwicklungen und Anpassungen nieder. Neben der Lebensmittelbranche sind die Hauptanwenderindustrien von Chemical Color Imaging derzeit der Bergbau, die Pharmaindustrie sowie das Recycling. Bei Letzterem ermöglicht die Technologie eine Durch die Zusammenarbeit zwischen Perception Park und Stemmer Imaging steht die Hyperspektraltechnologie nun erstmals auch industriellen Anwendern ohne Fachwissen in den Themen Spektroskopie und Chemometrie als modulares System zur Verfügung. Die intuitiv konfigurierbare Softwareplattform namens Perception Studio stellt dabei wissenschaftliche Methoden der hyperspektralen Analyse gekapselt zur Verfügung. Diese Software dient als Basis für die Systeme, die Stemmer Imaging durch die Ergänzung um Hardwarekomponenten wie geeignete CMOS- und InGaAs-Industrie-kameras, Beleuchtungen, Optiken und Bilderfassungskarten sowie Bildverarbeitungsrechner zu CCI-Komplettsystemen erweitert. Fotos: Fotolia, Stemmer Imaging www.stemmer-imaging.de E I N L A D U N G Mittwoch, 9. Nov. 2016 8:00 bis 16:00 Uhr RuhrCongress Bochum Stadionring 20 44791 Bochum Messtechnik Steuerungstechnik Regeltechnik Prozessleitsysteme Automatisierung Führende Fachfirmen der Branche präsentieren ihre Geräte und Systeme und zeigen neue Trends im Bereich der Automatisierung auf. Die Messe wendet sich an Fachleute und Entscheidungsträger die in ihren Unternehmen für die Automatisierung verantwortlich sind. Der Eintritt zur Messe und die Teilnahme an den Fachvorträgen ist für die Besucher kostenlos. MEORGA GmbH Sportplatzstraße 27 66809 Nalbach Tel. 06838 / 8960035 Fax 06838 / 983292 www.meorga.de info@meorga.de Meorga.indd 1 29.08.2016 15:47:29 VERFAHRENSTECHNIK 10/2016 39

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