Mechanizmy i zastosowania systemów wizyjnych i pomiarów multispektralnych

Mechanizmy i zastosowania systemów wizyjnych i pomiarów multispektralnych

Jak to działa - odrobina fizyki, chemii i optyki

Spektroskopia, najkrócej rzecz ujmując, to nauka o tym, jak promieniowanie elektromagnetyczne (światło) jest emitowane i/lub odbijane przez różne obiekty / materiały. Mierzone są różnice w ich potencjale energetycznym, długości ich fal. Aby móc je badać niezbędne jest więc uprzednie rozdzielenie światła na różne zakresy długości fal elektromagnetycznych, a następnie pomiar intensywności każdego z nich.

 

Aby było to możliwe, niezbędne jest rozproszenie wiązki promieni na różne długości fal, na przykład za pomocą pryzmatu. A więc bardzo podobnie do tego, jak robiliśmy to kiedyś na lekcjach fizyki, z tą drobną różnicą, że w tym przypadku mówimy o wiązce światła wykraczającej poza widzialne spektrum. Mogą to być zakresy liczone w dziesiątkach i setkach nanometrów (np. ultrafiolet) a na drugim biegunie te wyrażane nawet w mikronach (np. podczerwień).

 

Różne cząsteczki i atomy w bardzo różny sposób reagują na światło. To, w jaki sposób pochłaniają, emitują lub odbijają światło zależy od ich struktury. Każda molekuła / atom posiada unikalną strukturę chemiczną, a co za tym idzie, charakteryzuje się unikalną reakcją na światło. Zostawia więc w badaniu swój indywidualny i niepowtarzalny “odcisk palca”, zwany też sygnaturą spektralną.

 

Czujniki hiperspektralne wychwytują te sygnatury w postaci zestawu obrazów. Każdy z tych obrazów stanowi wycinek widma elektromagnetycznego (pasma spektralnego).

Następnie są one nakładane na siebie, tworząc tzw. kostkę danych, zawierającą wymiary przestrzenne x i y a także wymiar λ – zakres fal (znany także jako wymiar spektralny).

 

Dane te są analizowane przez specjalistów wspieranych przez zaawansowane oprogramowanie, dlatego – bez dalszego zagłębiania się w szczegóły – warto zaznaczyć, że dopiero od niedawna mamy możliwość pełnego wykorzystania tych danych w systemach wizyjnych.

Z kosmosu na Ziemię

Obrazowanie hiperspektralne rozpoczęło swoją “karierę” w praktycznych zastosowaniach od dużych systemów, zainstalowanych w samolotach i satelitach. We wczesnych latach siedemdziesiątych satelita LandSat I był pierwszym, który dostarczył multispektralnych obrazów powierzchni ziemi.

W kolejnych latach podbój kosmosu a także wyścig zbrojeń między światowymi mocarstwami napędzał rozwój technologii wizyjnych, co owocowało wysyłaniem w przestrzeń kosmiczną licznych satelitów z zainstalowanymi coraz bardziej zaawansowanymi systemami obserwacyjnymi.

Ostatnie dekady to natomiast szybki rozwój projektów cywilnych. Satelity, samoloty oraz drony w każdej sekundzie przesyłają gigantyczne ilości danych pochodzących z obrazów multispektralnych.

Z dumą możemy powiedzieć, że członkowie zespołu Scanway także nieustannie pracują nad rozwojem tej technologii tworząc satelitę ScanSAT (kliknij).

Praktyczne zastosowania

Dostępne dziś kompaktowe (i nie kosztujące fortuny) systemy spektrograficzne mają ogromną ilość zastosowań i co nie powinno dziwić, dostarczają znacząco więcej informacji niż robił to LandSat. Wszystko to przy rozmiarach, które pozwalają trzymać takie urządzenie w jednej ręce.

 

Urządzenia te znajdują praktyczne zastosowanie we wspomnianej wyżej kontroli procesów przemysłowych i kontroli jakości, ale także w wielu innych obszarach, takich jak:

 

  • Geografia, geologia, kartografia

 

Dane multispektralne pozwalają na zdobycie znacznie bardziej kompletnej informacji o terenie, niż tradycyjna fotografia satelitarna. Na podstawie analizy światła odbitego przez różne fragmenty terenu można wyciągać wnioski w zakresie rodzaju skał, składu i wilgotności gleby, topnienia warstw lodu, czy też rodzaju roślinności na danym obszarze. Umożliwia to także poszukiwanie nowych źródeł surowców mineralnych.

 

  • Meteorologia

 

Satelitarne obrazy wielospektralne umożliwiają między innymi badanie rozkładu koncentracji pary wodnej, a także rozkładów temperatur nie tylko gazów- mas powietrza, ale także gruntu i wody.

 

  • Rolnictwo precyzyjne i leśnictwo

 

W rolnictwie odpowiednio wysokiej rozdzielczości zdjęcia hiperspektralne pozwalają na identyfikację określonych gatunków roślin (w tym chwastów), ich kondycji, fazy kwitnienia, pylenia, infekcji pasożytniczych, a także np. stopnia nawiezienia gleby. Obrazy multispektralne i hiperspektralne mają zastosowanie w badaniu rozkładu populacji roślin (w tym flory oceanicznej) czy też drzewostanów na obszarach leśnych. Dokładna analiza światła odbitego od roślin umożliwia wykrywanie obecności określonych gatunków, a także pozwala określić ich stan.

 

  • Ekologia

 

Obrazowanie hiperspektralne jest także doskonałym narzędziem do zdalnego (satelitarnego) wykrywania zanieczyszczeń środowiska. Substancje chemiczne, zwłaszcza organiczne mają charakterystyczne widma emisji i absorpcji fal elektromagnetycznych; obrazowanie hiperspektralne pozwala na identyfikację śladów emisji zanieczyszczeń, na lądzie w wodzie i w powietrzu (w tym np. analiza smogu), a także na monitorowanie emisji gazów cieplarnianych oraz tych szkodliwie wpływających na warstwę ozonową. Wspiera także sortowanie odpadów- np. identyfikację plastiku nadającego się do recyclingu.

 

  • Ratownictwo i poszukiwania obiektów

 

Obrazowanie wielospektralne umożliwia identyfikację obiektów niewidocznych w obrazie z tradycyjnych kamer kolorowych lub podczas obserwacji bezpośredniej.

 

  • Medycyna i biotechnologia

 

Obrazy multispektralne mają zastosowanie także w warunkach laboratoryjnych w biologii i medycynie, takich jak np. analiza ran, zmian nowotworowych, czy analizie mikroskopowej tkanek.

 

  • Produkcja żywności

 

Obrazowanie wielospektralne coraz częściej jest wykorzystywane w badaniach surowców i gotowych produktów spożywczych m.in. do wykrywania defektów, uszkodzeń, zanieczyszczeń, infekcji pasożytniczych czy grzybiczych oraz pozostałości środków ochrony roślin.

 

  • Systemy wizyjne w produkcji farmaceutycznej

 

Systemy wizyjne usprawniają kontrolę jakości zarówno surowców (w tym substancji czynnych), jak i gotowych produktów oraz ich opakowań. Pozwalają zapewnić np. jednorodny rozkład substancji czynnej w masie tabletkowej, czy też mierzyć poziom wilgotności.

 

  • Systemy wizyjne w kryminalistyce

 

Obrazowanie wielospektralne jest też narzędziem pozwalającym na usprawnienie prac śledczych i zbieranie dowodów – pozwala na szybkie wykrycie mikrośladów określonych substancji organicznych lub chemicznych, detekcję fałszerstw (np. banknotów), wspiera pracę grafologów.

 

  • Systemy wizyjne w sztuce i archeologii

W badaniach zabytkowych dzieł sztuki (np. obrazów i książek) obrazowanie wielospektralne jest doskonałym narzędziem do nieinwazyjnego badania autentyczności czy też niewidzialnej gołym okiem treści dzieła.

 

  • Systemy wizyjne w obronności i bezpieczeństwie

Systemy hiperspektralne idealnie sprawdzają się szczególnie w identyfikacji celów oraz odkrywania obiektów zakamuflowanych.

 

Co czeka nas w przyszłości

Za sobą mamy już czasy, w których obserwacje multispektralne pozostawały domeną akademickich, wojskowych czy kosmicznych naukowych ośrodków badawczych i laboratoriów.

Do niedawna ograniczeniem był wciąż eksperymentalny charakter tworzonych rozwiązań.

Ale teraz technologie, które pozwoliły ludzkim oczom “sięgnąć tam, gdzie wzrok nie sięga” są teraz dostępne niemal na wyciągnięcie ręki. Tak uzbrojone ludzkie oko nie było jeszcze nigdy.

 

Oczywiście same urządzenia są w dużej mierze ogólnodostępne. Szkopuł tkwi w ich odpowiednim zestawieniu i dostosowaniu do wymogów konkretnej sytuacji badawczej. Stąd wiele praktycznych wyzwań (szczególnie w przemyśle), w których mogą pomóc nowoczesne systemy wizyjne, wymaga dedykowanych rozwiązań, dopasowanych dokładnie do danego sytuacji (np. wymogów i ograniczeń konkretnej linii produkcyjnej), charakterystyki badanego obiektu. Takimi rozwiązaniami zajmujemy się właśnie w firmie Scanway. Opracowujemy systemy przygotowane dla konkretnych rodzajów obserwacji, branż czy rodzajów linii produkcyjnych.

 

Nowoczesne narzędzia dostarczają jednak przede wszystkim surowych danych.

Dlatego kolejnym wyzwaniem pozostaje przetworzenie i analiza pozyskanych informacji.

I w tym miejscu zataczamy pełne koło – wracamy do człowieka i jego możliwości, tym razem już nie samego narządu wzroku, ale zdolności poznawczych i bazujących na nich wiedzy i doświadczenia.

Mimo że w coraz większym stopniu posiłkujemy się rozwiązaniami z zakresu big data, sztucznej inteligencji, uczenia maszynowego i sieci neuronowych, to wciąż do analizy i przede wszystkim wyciągania ostatecznych, istotnych wniosków z obrazów multispektralnych potrzebni są ludzie – zespoły specjalistów o szerokiej, multidyscyplinarnej wiedzy. To oni są ostatnim ogniwem w łańcuchu, szczególnie tam, gdzie gotowe rozwiązania nie wystarczają. Dokładnie taki zespół pracuje w Scanway.

 

Przyszłość wygląda optymistycznie. Praktycznych aplikacji dla technologii wizyjnych jest coraz więcej. Najważniejsze jest to, że mogą one być wykorzystywane nie tylko do zastosowań komercyjnych, ale także – jak górnolotnie by to nie brzmiało – przyczyniać się dla szeroko rozumianego dobra ludzkości: usprawniać ochronę środowiska, lepiej przewidywać zjawiska pogodowe i geologiczne, podnosić poziom bezpieczeństwa ludzi, wspierać rozwój medycyny. W codziennej pracy to realizacja tej właśnie misji zapewnia największą satysfakcję.

 

Bądź na bieżąco!