ES2310154A1 - Dispositivo y metodo para la obtencion de imagenes multiespectrales optimizadas para la discriminacion de materiales. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo y método para la obtención de imágenes multiespectrales optimizadas para la discriminación de materiales. La invención describe un dispositivo para la iluminación selectiva en longitud de onda de motivos, así como un método que usa el citado dispositivo para obtener imágenes multiespectrales utilizando una cámara monocroma. Consiste en un conjunto de fuentes de luz que son encendidas individualmente y de forma secuencial por un sistema de control, mientras una cámara de visión artificial recoge una imagen a cada longitud de onda. Las longitudes de onda incluidas en el dispositivo se escogen previamente tras un estudio espectroscópico de los materiales a discriminar, teniendo estas longitudes de onda la característica de ser las más adecuadas para una tarea de discriminación de materiales concreta. La aplicación fundamental de la invención se centra en la discriminación de materiales a través de la visión artificial de los mismos.
Description
Dispositivo y método para la obtención de
imágenes multiespectrales optimizadas para la discriminación de
materiales.
La invención se encuadra en el sector de la
instrumentación para la visión artificial, más concretamente, en el
de las fuentes de luz utilizadas para iluminar los motivos que son
captados por las cámaras, y más concretamente, aquellos sistemas de
visión artificial que recogen imágenes en múltiples bandas
espectrales y en bandas espectrales no convencionales.
La visión multiespectral (spectral
imaging) es una forma de visión artificial en la que una o
varias bandas de energía electromagnética son empleadas para generar
una o varias imágenes de un mismo objeto. Esta imagen, proveniente
de la interacción entre la energía electromagnética incidente y el
objeto, se denomina imagen multiespectral y proporciona información
de la composición química del material que compone el objeto que
permite su identificación unívoca posibilitando el desarrollo de
sistemas que permitan la discriminación automática de diferentes
materiales.
La visión multiespectral puede conseguirse
siguiendo diferentes alternativas que pueden agruparse en dos vías:
escaneado del objeto en longitud de onda y/o en espacio, y la
obtención de las imágenes espectrales simultáneamente o
cuasi-simultáneamente.
Dentro de la opción de escaneado del objeto hay
diferentes categorías: escaneado espectral, escaneado espacial,
escaneado espectral-espacial y escaneado del
espectro de la fuente de luz. El escaneado espectral emplea una
pluralidad de filtros ópticos de banda estrecha ubicados entre el
objeto y el detector de luz en instantes temporales diferentes
obteniendo ara cada instante la correspondiente imagen espectral. En
el escaneado espacial se genera una pluralidad de imágenes
espectrales para una línea sobre el objeta; otra dimensión de la
imagen se debe escanear mecánicamente. El escaneado
espectral-espacial emplea filtros interferenciales
lineales y variables cuya banda óptica pasante cambia a lo largo de
una de las dimensiones espaciales. Combinándolo con filtrado óptico
temporal se puede conseguir el escaneado
espectral-espacial. El escaneado del espectro de la
fuente de luz se consigue variando selectivamente la longitud de
onda que ilumina al objeto generando una imagen espectral para cada
incidencia.
La adquisición simultánea de visión
multiespectral sólo puede generar un número pequeño de imágenes
espectrales y dentro de esta aproximación también existen varias
alternativas: múltiples cámaras en paralelo, clonación de imágenes,
óptica dispersiva, múltiples microfiltros y CCD no convencionales.
La opción de múltiples cámaras emplea una pluralidad de cámaras
cada una capturando una imagen a una longitud de onda diferente. La
clonación de imágenes emplea óptica específica basada en prismas,
espejos, partidores de haz, etc. para obtener copias de la imagen
que posteriormente pueden filtrarse ópticamente antes de la
detección. La óptica dispersiva emplea redes de difracción para
formar varias imágenes espacialmente distorsionadas con bandas
espectrales sobrepuestas sobre un detector. Los CCD color
convencionales emplean una configuración de patrón de microfiltros
en colores
cyan-magenta-amarillo-verde
(CMYG) o rojo-verde-azul (RGB) para
aproximar el color del objeto de la imagen. Como las bandas
espectrales de los microfiltros suelen ser amplias, la selectividad
en longitud de onda de esta alternativa suele ser baja. Por último,
la visión multiespectral basada en CCD no convencionales emplea un
tipo de CCD cuyos pixeles se encuentran a diferentes profundidades
en el substrato del mismo. La ubicación en profundidad de cada
pixel forma un filtro óptico paso de banda cuya banda espectral
está relacionada con su profundidad.
Todas las soluciones anteriores se caracterizan
por necesitar una óptica adicional que realice la función de
separación o elección de las bandas espectrales. Además, las
fuentes de luz necesarias para iluminar los objetos bajo análisis
suelen ser fuentes de luz blanca, es decir, con emisión de luz en
un gran rango espectral, por ejemplo, focos halógenos, mientras que
los elementos ópticos mencionados se encargan de seleccionar las
bandas espectrales requeridas. Como en última estancia es habitual
que sólo algunas bandas espectrales sean analizadas, este tipo de
fuentes de luz "blancas" de gran anchura espectral emiten más
luz de la necesaria, con el consiguiente gasto energético
inútil.
[1] Patente US 4170987: "Medical diagnosis
system and method with multispectral imaging".
[2] Patente WO/2007/056102: "System for
multispectral imaging".
[3] Patente WO/2006/104785: "Combining
multi-spectral light from spatially separated
sources".
[4] Patente WO/2003/054839: "Apparatus for
providing multi-spectral light for a projection
display device".
[5] Patente US 5099317: "Video camera
apparatus using a plurality of imaging devices".
[6] Patente US 7019777: "Multispectral imaging
system with spatial resolution enhancement".
[7] Patente US 5790188: "Computer controlled,
3-CCD camera, airborne, variable interference
filter imaging spectrometer system".
[8] Patente US 4790654: "Spectral
filter".
[9] Patente WO/2008/024201: "Optically
enhanced multi-spectral detector structure".
El problema técnico planteado es el de la
discriminación de diferentes materiales (decidir si se trata de uno
u otro de ellos) a partir de las imágenes captadas por una cámara
de visión artificial.
Diferentes tipos de cámara ofrecen diferentes
prestaciones para esta tarea, así, las cámaras en color, por
recoger información en tres bandas espectrales (rojo, azul y
verde), suelen proporcionar imágenes más adecuadas para las tareas
de discriminación que las cámaras en blanco y negro o monocromas.
Todavía mejores en este aspecto son las cámaras multiespectrales,
que producen imágenes en un número grande de banda espectrales. En
cualquier caso, para la obtención de las imágenes, suele iluminarse
la escena con una fuente de luz blanca (que emite un continuo de
longitudes de onda en un rango espectral grande, por ejemplo, toda
la zona visible al ojo humano, desde 400 nm hasta 700 nm). Es
necesario por lo tanto que la cámara, u otro elemento externo,
realicen mediante elementos ópticos apropiados la selección de las
bandas espectrales concretas a registrar. Esto se consigue, por
ejemplo en las cámaras de color, con tres filtros espectrales paso
banda, que dejan pasar exclusivamente los colores rojo, azul y
verde.
En esta invención, se propone actuar sobre la
fuente de luz para conseguir obtener imágenes multiespectrales con
un número arbitrario de bandas espectrales, siendo la cámara que
capta las imágenes una cámara monocroma convencional, y por lo tanto
sin necesidad de elementos ópticos adicionales. Esto se consigue
porque la iluminación de la escena se realiza con el dispositivo
objeto de esta invención, que incorpora una serie de fuentes de luz
de pequeña anchura espectral, tales como diodos
electroluminiscentes (LED) o diodos láser, que son encendidas de
forma individual y secuencialmente para iluminar el objeto bajo
análisis a diferentes longitudes de onda. Estas fuentes de luz
están situadas sobre una superficie, típicamente plana, colocadas
de tal forma que emiten su haz de radiación óptica sobre la escena
a iluminar. Un sistema de control, típicamente implementado con un
ordenador, se encarga de encender cada una de las fuentes de luz, a
la vez que da órdenes a una cámara de visión para capturar una
imagen de la escena. El conjunto de imágenes captadas a la totalidad
de longitudes de onda disponibles forman una única imagen
multiespectral. Un proceso posterior, implementado típicamente en un
ordenador, analiza esta imagen multiespectral para tratar de
identificar los diferentes materiales presentes en la escena. Un
ejemplo de algoritmo de discriminación es el Spectral Angle
Mapping (SAM).
La principal novedad de la invención es la
selección de longitudes de onda disponibles en el dispositivo de
iluminación. Éstas longitudes de onda son obtenidas previamente
tras un estudio espectroscópico de los materiales que se quieren
clasificar. De este estudio, que puede basarse en algoritmos como
Sequential Floating Forward Selection (SFFS) o similares, se
extraen una serie de longitudes de onda que tienen la
característica particular de ser las más adecuadas para una tarea
concreta de discriminación de materiales. Cada implementación de la
invención (el número de longitudes de onda necesarias y sus valores
concretos de longitud de onda) es por tanto específica para una
tarea de discriminación concreta.
Se plantea también la posibilidad de que para
cada una de las longitudes de onda, el número de fuentes de luz
disponibles sea superior a uno. Esto permitirá obtener un área
emisora de luz más grande (para iluminar escenas más voluminosas),
una mayor radiación óptica (que puede aumentar la cantidad de luz
recogida por la cámara y por tanto la calidad de las imágenes) o
una iluminación más uniforme, que facilita la tarea de
discriminación posterior.
En otra variación de la invención, se plantea la
posibilidad de añadir un elemento óptico difusor, trabajando en
configuración transmisiva, pero sin excluir una configuración
reflectiva, cuyo cometido es en cualquier caso producir un patrón de
iluminación más uniforme sin modificar el número o configuración de
las fuentes de luz.
En otra variación de la invención, se plantea el
situar las fuentes de luz sobre una superficie no plana,
pretendiendo emitir la luz en diferentes direcciones espaciales,
para de esta forma reducir la ocurrencia de sombras en la
iluminación que puedan dejar zonas de la escena con una iluminación
insuficiente, y por tanto, puedan dificultar la tarea de
discriminación posterior. Se plantea situar las fuentes de luz
sobre una superficie curva (esférica o parabólica, sin descartar
otras posibles formas), así como la distribución de las fuentes de
luz sobre diferentes superficies planas independientes que formen
ángulos entre ellas diferentes de cero grados.
Figura 1: Muestra un esquema del dispositivo de
iluminación (1), que comprende un conjunto de fuentes de luz de
anchura espectral pequeña y diferentes longitudes de onda de
emisión (2); el dispositivo está conectado con un cable (3) a un
sistema de control (4) que decide el encendido y apagado de las
fuentes. Adicionalmente, el sistema de control (4) controla la
adquisición de imágenes de una cámara (5), que apunta a los
materiales (6) que se quieren discriminar. El método propuesto
implementado en el sistema de control ilumina secuencialmente con
cada longitud de onda disponible, a la vez que captura una imagen
de la misma escena para cada longitud de onda, formando en conjunto
una imagen multiespectral con ayuda del dispositivo de iluminación
(1).
Una posible realización de la invención es como
sigue: Sobre una placa de circuito impreso se distribuyen un
conjunto de seis fuentes de luz tipo LED, situadas lo más próximas
posibles entre sí, y emitiendo a las longitudes de onda
siguientes:
\lambda_{1}=407,5 nm, \lambda_{2}=430
nm, \lambda_{3}=466,56 nm, \lambda_{4}=577,19 nm,
\lambda_{5}=599,69 nm, \lambda_{6}=674,69 nm.
Estas longitudes de onda han sido seleccionadas
mediante un algoritmo Sequential Floating Forward Selection
(SFFS) como aquellas que permiten discriminar mejor entre hojas de
tabaco secas, y materiales extraños tales como papel, cartón,
cuerda, láminas de plástico y cuero. Esta implementación de la
invención es por tanto de utilidad en la industria de procesado de
tabaco, para detectar automáticamente la presentación de cuerpos
extraños no deseados entre las hojas de tabaco que entran al
proceso productivo.
La placa de circuito impreso sobre las que se
colocan las fuentes de luz comprende también un microcontrolador,
que controla la inyección de corriente en las fuentes de luz, y por
tanto su encendido, y que incorpora también una conexión USB,
conectada a un ordenador de control. El microcontrolador está
adecuadamente programado para recibir ordenes de encendido y
apagado de las fuentes de luz desde el ordenador de control.
El sistema de control utiliza este dispositivo
de iluminación para iluminar una cinta transportadora que
transporta hojas de tabaco secas y picadas, secuencialmente a las
seis longitudes de onda disponibles. Durante cada iluminación, una
cámara de video con detector CCD de Silicio toma una imagen de la
cinta transportadora, componiéndose una imagen multiespectral a
seis longitudes de onda diferentes. En análisis de la imagen
multiespectral permitiría detectar fácilmente la presencia de los
materiales extraños mencionados si estos estuviesen mezclados con el
tabaco.
Claims (6)
1. Dispositivo para la obtención de imágenes
multiespectrales, formado por un conjunto de múltiples fuentes de
luz, espectralmente estrechas, tales como diodos
electroluminiscentes (LED) o diodos láser, que pueden encenderse y
apagarse a voluntad mediante un sistema de control externo, y que
son utilizadas para iluminar los materiales cuya imagen
multiespectral se desea obtener, y que se caracteriza porque
las longitudes de onda de emisión de cada una de las fuentes de luz
han sido escogidas previamente mediante un algoritmo de selección
de longitudes de onda, por ejemplo Sequential Forward Floating
Selection (SFFS), que es capaz de obtener las longitudes de
onda óptimas para una tarea concreta de discriminación de
materiales, es decir, aquellas longitudes de onda que permiten
discriminar con más exactitud entre los diferentes materiales de la
escena iluminada por el dispositivo.
2. Dispositivo para la obtención de imágenes
multiespectrales, que de acuerdo con la reivindicación 1, se
caracteriza porque el número de fuentes de luz para cada
longitud de onda puede ser mayor que uno, si las necesidades de
potencia óptica o del tamaño del área a iluminar lo exigen.
3. Dispositivo para la obtención de imágenes
multiespectrales, que de acuerdo con la reivindicación 1, comprende
un material difusor, preferentemente en forma de lámina, trabajando
en configuración transmisiva pero sin descartar un difusor
reflectivo, situado entre las fuentes de luz y los materiales a
iluminar con la intención de homogeneizar la distribución espacial
de la radiación luminosa y así producir una iluminación más
uniforme.
4. Dispositivo para la obtención de imágenes
multiespectrales, que de acuerdo con la reivindicación 1, se
caracteriza por una distribución espacial de las fuentes de
luz sobre una superficie no plana, tal como esférica, parabólica, o
formada por múltiples segmentos planos a diferentes ángulos, de
forma que los materiales a discriminar son iluminados desde
diferentes ángulos y así se disminuye la ocurrencia de sombras no
deseadas.
5. Dispositivo para la obtención de imágenes
multiespectrales, que de acuerdo con la reivindicación 1, se
caracteriza porque el sistema de control puede no sólo
apagar y encender las diferentes fuentes de luz sino también
controlar la potencia óptica de cada una entre cero y un valor
máximo admitido por cada fuente de luz.
6. Método de obtención de imágenes
multiespectrales optimizadas para la discriminación de materiales
que de acuerdo con las reivindicaciones 1 a 5, se
caracteriza porque el sistema de control realiza el encendido
secuencial de las fuentes de luz, una longitud de onda cada vez, y
da instrucciones a la cámara de visión para capturar una imagen de
los materiales iluminados con cada longitud de onda, de forma que
se obtienen múltiples imágenes de la misma escena, cada una a una
longitud de onda diferente, formando una imagen multiespectral
conjunta, con la característica de que las longitudes de onda
disponibles en la imagen son aquellas que han sido previamente
identificadas como aquellas más adecuadas para llevar a cabo la
tarea posterior de discriminar, a partir de la imagen
multiespectral, los diferentes materiales presentes en la escena
que se desea discriminar.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| EC2A | Search report published |
Date of ref document: 20081216 Kind code of ref document: A1 |
|
| FC2A | Grant refused |
Effective date: 20100125 |