Les caméras hyperspectrales SPECIM
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- Nadine Labranche
- il y a 7 ans
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1 Projet bibliographique Rapport final Les caméras hyperspectrales SPECIM Source : Licence Professionnelle Gestion de la Production Industrielle Spécialité Vision Industrielle 09/12/11 Simon VERDAVOIR et Jérémy FOULON
2 Sommaire Introduction...p3 1. Présentation de l'entreprise SPECIM...p4 2. Fonctionnement de l'imagerie hyperspectrale...p4 a) Décomposition d'un système d'imagerie hyperspectrale...p4 b) Fonctionnement du système...p5 3. Description technique des caméras Specim...p7 a) Les différentes caméras de Specim...p8 b) Comparaison technique avec des caméras de concurrents...p17 4. Exemples d'application...p20 a) Application dans l'industrie pharmaceutique...p20 b) Application dans le recyclage...p23 Conclusion...p25 Bibliographie...p26 2/27
3 Introduction Ce projet bibliographique vise à présenter les caméras hyperspectrales Specim. La première caméra hyperspectrale fut créée par la NASA en Mais c'est au milieu des années 1990 que l'imagerie hyperspectrale s'est réellement développée. Specim fut une entreprise pionnière dans ce domaine et elle en est devenue un des leaders mondiaux. Par conséquent, Specim fait partie des entreprises qui ont créé de nouvelles perspectives en matière d'analyse de données par imagerie. Cette technologie présente certains avantages que nous nous proposons de développer plus loin. Après la présentation de cette entreprise, nous étudierons le système et le fonctionnement de l'imagerie hyperspectrale. Ensuite, nous verrons une description technique des différentes caméras de Specim ainsi qu'une comparaison avec des caméras hyperspectrales fabriquées par la concurrence. Enfin, nous verrons également deux exemples concrets de la potentielle utilisation des caméras hyperspectrales. 3/27
4 1.Présentation de l'entreprise SPECIM L'entreprise Specim est un leader mondial en imagerie hyperspectrale. Pionnière dans ce domaine, elle fut créée en 1995 à Oulu en Finlande par trois scientifiques possédant une vaste expérience en spectrométrie optique. Les produits de pointe de Specim sont utilisés par une clientèle croissante dans plus de 40 pays. Source: Specim a atteint cette renommée sur le marché grâce aux hautes performances de ses produits hyperspectraux. De plus, l'entreprise conçoit des systèmes complets d'imagerie hyperspectrale. En effet, Specim fabrique à la fois les caméras hyperspectrales et les spectrographes. L'entreprise fabrique également ses propres lentilles spécifiquement conçues pour l'imagerie hyperspectrale. Enfin, elle délivre des logiciels d'acquisition et de traitement des images hyperspectrales. Specim fut la première société au monde capable de fournir des produits standards d'imagerie hyperspectrale couvrant des rayons allant de l'ultraviolet jusqu'à l'infrarouge lointain. Cependant, Specim possède de sérieux concurrents sur le marché international comme l'entreprise américaine «Resonon», l'entreprise franco-québecoise «Photon etc» qui fournit la NASA, ainsi que l'entreprise américaine «Headwall photonics». Nous ferons d'ailleurs plus loin une comparaison entre une caméra de chaque fabricant dans la même gamme spectrale. 2.Fonctionnement de l'imagerie hyperspectrale a) Décomposition d'un système d'imagerie hyperspectrale Un système d'imagerie hyperspectrale est composé d'une source lumineuse, d'une caméra hyperspectrale et d'un spectrographe, tout deux reliés à un ordinateur possédant 4/27
5 un logiciel d'acquisition des images hyperspectrales. Pour réussir l'acquisition de l'image, un déplacement contrôlé de la caméra ou de l'objet est nécessaire. Source: Da-Wen SUN, Hyperspectral Imaging for food quality Analysis and Control b) Fonctionnement du système Avant-propos La lumière est une onde électromagnétique. La lumière du visible se trouve sur une plage de longueur d'onde allant de 400nm à 700nm. Tous les objets reflètent, absorbent ou émettent un rayonnement électromagnétique qui correspond à leur composition et à leur structure. Les caméras classiques sont dites multispectrales, c'est-a-dire qu'elles restituent une image à l'aide de l'analyse de trois composantes du spectre du visible : le bleu, le rouge et le vert. Plus performante que l'imagerie multispectrale, l'imagerie hyperspectrale permet d'acquérir simultanément les images de nombreuses bandes spectrales (jusqu'à plus de 500 bandes) séparées seulement de quelques nanomètres. La caméra hyperspectrale Une caméra hyperspectrale est une caméra classique noir et blanc ou couleur à laquelle on ajoute un spectrographe qui permet de séparer la lumière en ses différentes composantes. Chaque composante est ensuite associée à sa longueur d'onde. Ainsi, on peut dessiner une courbe composée des différentes longueurs d'onde de la lumière réfléchie par le matériau. A un matériau donné correspond donc une courbe bien précise qui constitue sa signature spectrale. 5/27
6 Le spectrographe Source : Un spectrographe est composé de lentilles et d'un élément dispersif (comme un prisme). La façon la plus commune dans les systèmes d'imagerie hyperspectrale est de garder le spectrographe et l'éclairage en un seul endroit et un véhicule motorisé pour déplacer la cible. Le spectrographe peut donc balayer l'objet ligne par ligne. Pour chaque ligne, le système composé de la caméra et du spectrographe envoie à un ordinateur une image matricielle composée d'un axe spatial (la ligne visualisée) et d'un axe spectral (la signature spectrale de la ligne de l'objet). 6/27
7 Le logiciel d'acquisition Un logiciel d'acquisition permet de contrôler le mouvement pas à pas. L'échantillon se déplace sous la caméra spectrale et le logiciel enregistre les images des raies spectrales qui sont stockées lorsque l'échantillon est en mouvement. 3.Description technique des caméras de Specim Avant-propos Nous allons développer ici différentes caméras hyperspectrales, leur diversité réside essentiellement dans leur capacité à analyser une plage de longueur d'onde spécifique. Comme le montre le schémas ci dessous, il existe un sigle pour chaque plage de longueur d'onde. Source : 7/27
8 Chaque caméra s'utilise pour une des plages de longueur d'onde suivante : hyperspectrale-uv-vis : pour le domaine de l'ultraviolet au proche infrarouge (350 à 800 nm), l'analyse peut s'effectuer exclusivement sur le visible hyperspectrale-vnir : pour le domaine du visible au proche infrarouge (400 à 1100 nm) hyperspectrale-nir-swir : dans l'infrarouge proche (800 à 2500 nm) hyperpsectrale MWIR-LWIR : infrarouge lointain (non développé ici) Ces plages de données (nommées VIS, VNIR, SWIR... ) sont communes à certains concurrents de specim, la comparaison des produits est ainsi simplifiée. (Note : les images des caméras suivantes proviennent toutes du site de Specim) a) Les différentes caméras de Specim CAMÉRA SPECTRALE PS Source : Cette caméra hyperspectrale PS fonctionne pour les gammes VIS (380 à 800 nm) et VNIR (400 à 1000 nm). Elle est un excellent outil pour des applications scientifiques dans le laboratoire et de terrain. Son prix est de 2465 euros. 8/27
9 Caméra spectrale PS Caractéristiques optiques V8E V10E V8 V10 Spectrographe V8E V10E V8 V10 Gamme spectrale nm nm nm nm Résolution spectrale 2 nm 2,8 nm 6 nm 6,8 nm Echantillonnage spectral 0,48 à 3,86 nm / pixel 0,63 à 5,06 nm / pixel 0,43 à 3,4 nm / pixel 0,63 à 5,0 nm / pixel Résolution spatiale < 9 μm < 30 μm < 40 μm Ouverture numérique F/2.4 F/2.8 Caractéristiques électriques Capteur Pixels en plein cadre Pixels actifs (spatial x spectral) Pas des pixels Sortie caméra Interface Cadence Plage de temps d'exposition Consommation électrique Tension d'entrée Caractéristiques mécaniques Interligne CCD 1392 (spatiale) x 1040 (spectrale) 1392 x x x μm Numérique 12 bits Firewire 11 images par seconde (plein cadre), jusqu'à 62 images par seconde (1 x 8 «binning*») 1 μm s <5W 12V (OEM), 24V (cased) V8E/V10E Cased V10E/V8E OEM V8/V10 OEM Dimensions (L x l x H) 330 x 85 x 90 mm 241 x 73 x79 mm 220 x 60 x 70 mm Corps En aluminium anodisé avec des trous de montage 9/27
10 Réglages par l'utilisateur Obturateur avec contrôle USB Aucun Oui En option Aucun *Le binning est une technique d'acquisition numérique qui consiste à regrouper plusieurs pixels du capteur de la caméra sur une ou deux directions. Les charges contenues dans les pixels sont généralement cumulées dans le capteur CCD, avant toute numérisation. Cette technique permet d'augmenter la sensibilité au détriment de la résolution. Elle peut également être utilisée lorsque la pleine résolution n'est pas nécessaire, pour réduire le temps de lecture du capteur ou réduire la taille de l'image en mémoire. (source : wikipédia) CAMÉRA SPECTRALE HS Cased Spectral Camera HS OEM Spectral Camera HS Cette caméra hyperspectrale HS fonctionne pour les gammes de longueurs d'onde VIS et VNIR, c'est-à-dire de 380 à 800 nm et de 400 à 1000 nm. Grâce à sa haute résolution spatiale et spectrale, cet appareil HS est un excellent outil pour l'industrie et la science. 10/27
11 Caméra spectrale HS Caractéristiques optiques V8E V10E Spectrographe V8E V10E Gamme spectrale nm nm Résolution spectrale 2 nm 2,8 nm Echantillonnage spectral 0,55 à 4,4 nm / pixel 0,72 à 5,8 nm / pixel Résolution spatiale Ouverture numérique Caractéristiques électriques Capteur Pixels en image pleine Pixels actifs (spatial x spectral) Pas des pixels Sortie caméra Interface Cadence Plage de temps d'exposition < 9 μm F/2.4 Interligne CCD 1600 (spatiale) x 1200 (spectrale) 1600 (spatiale) x 840 (spectrale) 7,4 μm Numérique 12 bits CameraLink 33 images par seconde (plein cadre), jusqu'à 120 images par seconde («ROI*») 0,1-100 ms Consommation électrique <5W Tension d'entrée Caractéristiques mécaniques OEM 12V (OEM), 24V (cased) Cased Dimensions (L x l x H) 260 x 70 x 79 mm 330 x 85 x 90 mm Corps Réglages par l'utilisateur En aluminium anodisé avec des trous de montage Aucun Obturateur En option Oui, avec contrôle USB *ROI : Region Of Interest 11/27
12 CAMÉRA SPECTRALE PFD Cased Spectral Camera PFD OEM Spectral Camera PFD Cette caméra hyperspectrale PFD fonctionne pour les gammes de longueurs d'onde VIS et VNIR, c'est-à-dire de 380 à 800 nm et de 400 à 1000 nm. Cet appareil PFD est un excellent outil pour les mesures industrielles. Caméra spectrale PFD Caractéristiques optiques V8E V10E Spectrographe V8E V10E Gamme spectrale nm nm Résolution spectrale 2 nm 2,8 nm Echantillonnage spectral 0,59 à 4,75 nm / pixel 0,78 à 6,27 nm / pixel Résolution spatiale Ouverture numérique Caractéristiques électriques Capteur Pixels en image pleine < 9 μm F/2.4 CMOS 1312 (spatiale) x 1024 (spectrale) 12/27
13 Pixels actifs (spatial x spectral) Pas des pixels Sortie caméra Interface Cadence Plage de temps d'exposition 1312 (spatiale) x 768 (spectrale) 8,0 μm Numérique 12 bits CameraLink 65 images par seconde (plein cadre), jusqu'à 180 images par seconde («binning») 0,1-100 ms Consommation électrique <5W Tension d'entrée Caractéristiques mécaniques OEM 12V (OEM), 24V (cased) Cased Dimensions (L x l x H) 231 x 80,5 x 78 mm 330 x 85 x 90 mm Poids 1,8 kg 2,7 kg Corps Réglages par l'utilisateur En aluminium anodisé avec des trous de montage Aucun Obturateur En option Oui, avec contrôle USB CAMÉRA SPECTRALE NIR Cased camera 13/27
14 OEM camera Cette caméra hyperspectrale NIR fonctionne pour la gamme de longueurs d'onde NIR, c'est-à-dire de 900 à 1700 nm. Cet appareil NIR est un excellent outil pour des applications d'imagerie chimique, dans l'industrie agroalimentaire et dans des applications d'analyse et de tri dans les divers procédés de recyclage. Caméra spectrale NIR Caractéristiques optiques Spectrographe Gamme spectrale Résolution spectrale Echantillonnage spectral Résolution spatiale Ouverture numérique Caractéristiques électriques Capteur XLNIR XHNIR VLNIR ImSpector N17E nm + ou - 10nm 5 nm 4 nm / pixel 2,6 nm / pixel 4 nm / pixel < 15 μm F/2.0 Matrice de photodiode TE-refroidis InGaAs Pixels en image pleine 320 x x x 256 Pixels actifs (spatial x spectral) 320 (spatial) x 240 (spectral) 640 (spatial) x 360 (spectral) 320 (spatial) x 240 (spectral) Taille d'un pixel 30 x 30 μm 20 x 20 μm 30 x 30 μm 14/27
15 Sortie caméra 12-bit, USB2, 14-bit, USB2, LVDS, 12-bit, Interface CameraLink CameraLink CameraLink Cadence Plage de temps d'exposition Consommation électrique Tension d'entrée 100 / 350 images par seconde 15 (USB») / 60 / 90 images par seconde 1 μs ms 50 images par seconde < 4W, refroidis 30W < 30W 12V Caractéristiques mécaniques Dimensions (L x l x H) OEM Cased OEM Cased 350 x 100 x 130 mm 385 x 120 x 135 mm 350 x 100 x 115 mm 385 x 120 x 135 mm Poids 4,5 kg 5,38 kg 4,4 kg 5,28 kg Corps Réglages par l'utilisateur Obturateur En option En aluminium anodisé avec des trous de montage Oui, avec contrôle USB Aucun En option Oui, avec contrôle USB CAMÉRA SPECTRALE SWIR Spectral camera SWIR 15/27
16 Cette caméra hyperspectrale SWIR fonctionne pour la gamme de longueurs d'onde NIR, c'est-à-dire de 900 à 2500 nm. Cet appareil NIR est un excellent outil pour des applications d'imagerie chimique, pour de l'assurance qualité pharmaceutique, pour l'analyse des aliments et de l'agriculture et des technologies de processus analytique. Caméra spectrale SWIR Caractéristiques optiques Spectrographe Gamme spectrale Résolution spectrale Echantillonnage spectral Résolution spatiale Ouverture numérique Caractéristiques électriques Capteur Pixels en image pleine Pixels actifs (spatial x spectral) Taille d'un pixel Sortie caméra Interface Cadence Plage de temps d'exposition Consommation électrique Tension d'entrée ImSpector N25E nm 10 nm 6,3 nm / pixel < 15 μm F/2.0 MCT camera 320 (spatial) x 256 (spectral) 320 (spatial) x 240 (spectral) 30 x 30 μm 14-bit LVDS Port série 100 images par seconde 0,1-20 ms < 200W 24V 16/27
17 b) Comparaison technique avec des caméras de concurrents Caméra hyperspectrale grand champ V-EOS Source : EOSTM-89 Caméra hyperspectrale grand champ V-EOS Caractéristiques optiques Gamme spectrale nm Résolution spectrale Echantillonnage spectral Résolution spatiale 2 nm 0.1 nm 2 mm à 1.20 m avec un FOV de 1.85 m x 1.35 m 17/27
18 Caractéristiques électriques Capteur Taille d'un pixel Sortie caméra Interface Cadence Consommation électrique Tension d'entrée Interligne CCD 6.45 μm x 6.45 μm 14 bits USB 13,5 images par seconde 20W 24V Caractéristiques mécaniques Dimensions (L x l x H) Poids 305 x 610 x 270 mm 20 kg Comparé à la caméra PFD de Specim, cette caméra offre une cadence d'acquisition des images nettement inférieure. Elle est également plus de 7 fois plus lourde. Les résolutions spatiale et spectrale sont meilleures. Elle est de plus grande taille et elle consomme plus. Par conséquent, cette caméra est moins performante que la caméra PFD de Specim. Caméra Headwall s Hyperspec VNIR Source : 18/27
19 Headwall s Hyperspec VNIR C-Series C-Series Caractéristiques optiques Gamme spectrale Résolution spectrale nm 2-3 nm Echantillonnage spectral 0,72 nm / pixel 0,89 nm / pixel Ouverture numérique F/2.0 Caractéristiques électriques Pixels actifs (spatial x spectral) 1392 (spatiale) x 837 (spectrale) 1004 (spatiale) x 675 (spectrale) Pas des pixels 6,45μm 8,0 μm Sortie caméra 12 bits 14 bits Interface PCI USB Cadence 12 à 23 images par seconde 12 à 236 images par seconde Caractéristiques mécaniques Poids 3 kg 3,4 kg Comparé à la caméra PFD de Specim, cette caméra présente en général des caractéristiques semblables. Caméra Pika II de RESONON Source : 19/27
20 Caméra Pika II Caractéristiques optiques Gamme spectrale Résolution spectrale Pas des pixels nm + / - 5 nm 2,1 nm 7 μm Résolution spatiale 2 mm à 1.20 m avec un FOV de 1.85 m x 1.35 m Ouverture numérique F/3 Caractéristiques électriques Sortie caméra 12 bits Interface Firewire 800 (IEEE 1394b) Cadence Pixels actifs (spatial x spectral) Caractéristiques mécaniques 145 images par seconde 640 (spatial) x 240 (spectral) Dimensions (L x l x H) Poids 102 x 165 x 70 mm 1,043 kg Comparé à la caméra PFD de Specim, cette caméra présente des caractéristiques légèrement supérieures. 4.Exemples d'application a) Application dans l'industrie pharmaceutique Exemple d'application dans l'industrie pharmaceutique par imagerie proche infrarouge 20/27
21 L'identification de la signature spectrale, ici d'un principe actif permet de lutter contre la contrefaçon. L'analyse des longueurs d'ondes permet l'identification d'élèments, le bleu montre une présence de stéarate de magnésium sur le comprimé contrefait. La présence de sorbitol fut confirmé après chromatographie. 21/27
22 Source des images et des légendes de cet exemple : Article de Roggo Y., Gendrin C., Spiegel C, intitulé Intérêt de l imagerie chimique proche infrarouge pour l industrie pharmaceutique, publié en novembre 2007 dans le numéro 258 de Spectra Analyse : b) Application dans le recyclage Exemple d'application dans le domaine du recyclage Source : 22/27
23 Depuis plusieurs années, nous produisons une nouvelle catégorie de déchets de plus en plus envahissante : celle des métaux non-ferreux. Ces métaux sont essentiellement l'aluminium, le cuivre, le zinc et le plomb. Dans un but environnemental, le recyclage se développe mais pour recycler, il faut trier. C'est ici qu'intervient le projet européen Sormen, qui vise à développer une technique de triage plus rapide et plus rentable. Cette technique est l'imagerie hyperspectrale et c'est Specim qui fournit la caméra hyperspectrale permettant de réaliser le tri. D'après larticle, «Les avantages de cette technique sont importants. Le gain de rapidité lié aux moyens numériques utilisés est très net. La vitesse de triage est en effet d'une pièce toute les 5 millisecondes, ce qui est 10 fois plus rapide qu'une caméra classique... avec 500 fois plus de données. C'est le deuxième avantage. En effet, l'imagerie hyperspectrale couplée au système d'éclairage permet d'augmenter nettement la qualité du tri. La rentabilité est le troisième avantage. Comme le prix des matériaux réutilisés dépend en grande partie de la pureté (les produits obtenus sont actuellement vendus à un prix inférieur au produit pur), ce projet permettra de vendre les produits finis à un prix plus élevé, augmentant la valeur ajoutée du processus de recyclage.» 23/27
24 Conclusion La première caméra hyperspectrale fut créée par la NASA en Elle nécessitait un stockage des données et un temps de traitement énormes. Depuis les années 2000, de nombreuses recherches ont été faites. Ainsi, la compression par algorithmes, l'amélioration des capteurs, la diminution du temps d'acquisition des données (etc) ont ouvert de nouvelles perspectives. Ces progrès ont été cruciaux dans la mise en place des systèmes d'imagerie hyperspectrale en industrie. Aujourd'hui, les avantages de cette technologie commencent à séduire. En effet, même si les industriels commencent seulement à l'utiliser, ce système d'imagerie est souvent utilisé dans d'autres domaines comme l'aérospatial et la télédétection. Les hautes performances qu'offrent les caméras hyperspectrales sont supérieures aux performances des caméras classiques. Elles apportent plus d'informations sur la couleur de l'objet. De plus, l'imagerie hyperspectrale assure une performance, une rentablité et une qualité non négligeables. Elles réalisent donc des analyses plus poussées qui permettent d'imaginer de nouvelles applications aux systèmes de vision. C'est pourquoi, les caméras hyperspectrales possèdent un avenir certain et leur utilisation ne devrait cesser de croître dans les prochaines années. 24/27
25 Bibliographie sites internet : fournisseur européen de matériel d'optique : l'imagerie hyperspectrale selon wikipedia : site de «SPECIM», constructeur de caméras hyperspectrales : entreprise québécoise «Photon etc» d'instrumentation optique produisant des caméras hyperspectrales et des logiciels d'exploitation : entreprise américaine «RESONON» de production de caméras hyperspectrales et de logiciels d'exploitation : site de WAY-2C expliquant les méthodes d'interprétation des images hyperspectrales : Lien vers des power point sur l'imagerie hyperspectale : Base de données sur la vision industrielle : entreprise américaine «Headwall photonics» de production de caméras hyperspectrales et de logiciels d'exploitation : Site de vulgarisation de l'université de Liège, article publié le 26 novembre 2007 : Archives ouvertes : Article de Nadège AUMOND, intitulé L optique spatiale détecte les défauts de teinture, publié le 21 avril 2005 dans L Usine Nouvelle 25/27
26 Article de Roggo Y., Gendrin C., Spiegel C, intitulé Intérêt de l imagerie chimique proche infrarouge pour l industrie pharmaceutique, publié en novembre 2007 dans le numéro 258 de Spectra Analyse : Thèses en ligne : Emmanuel CHRISTOPHE, «Compression des images hyperspectrales et son impact sur la qualité des données», année 2006 : Noura AYARI-NOURA, «Imagerie hyperspectrale par transformée de Fourier, limites de détection, caractérisation des images et nouveau concept d'imagerie», 13 avril 2011 : Jon Yngve HARDEBERG, «Acquisition and reproduction of colour images : colorimetric and multispectral approaches», 15 janvier 1999 : Mohand OUAHIOUNE«Compression d'images hyperspectrales par la transformée en ondelettes 3D», 29 septembre 2011 : e_en_o_1.pdf 26/27
27 Résumé Dans ce rapport de projet bibliographique sur les caméras hyperspectrales SPECIM, nous avons tout d'abord présenté l'entreprise finlandaise SPECIM. Puis, nous avons expliqué le fonctionnement de l'imagerie hyperspectrale. De plus, nous avons réalisé une étude technique des caméras Specim et de quelques caméras concurrentes. Pour finir, nous avons donné deux exemples d'application afin de montrer le potentiel de ce produit. Ce système d'imagerie consiste en une analyse linéaire d'un produit se déplaçant de manière contrôlée. Cette analyse se fait à l'aide d'une caméra et d'un spectrographe. Ce dernier permet de décomposer la lumière réfléchie par l'objet. Une image bidimentionnelle, composée d'un axe spatial et d'un axe spectral, est ainsi créé. On enregistre ces images par l'intermédiaire d'un logiciel d'acquisition. En revanche, ce système nécessite beaucoup de mémoire. En effet, ce n'est pas le nombre de bandes spectrales pour chaque image qui occupe le plus de mémoire mais plutôt le stockage de toutes les images. Cependant, ces problématiques ont été très travaillées ces dernières années. L'amélioration continue et l'innovation constante des technologies permettent de prédire un bel avenir aux caméras hyperspectrales. 27/27
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