Os pesquisadores desenvolveram um sistema de imagem compacto que pode medir a forma e as propriedades de reflexão da luz de objetos com alta velocidade e precisão. Este sistema de imagem hiperespectral 5D - assim chamado porque captura vários comprimentos de onda de luz mais coordenadas espaciais em função do tempo - pode beneficiar uma variedade de aplicações, incluindo classificação de produtos com base óptica e identificação de pessoas em áreas seguras de aeroportos. Com mais miniaturização, o gerador de imagens pode permitir a inspeção baseada em smartphone da maturação da fruta, ou monitoramento médico pessoal.

O que mais, "porque nosso sistema de imagem não requer contato com o objeto, pode ser usado para registrar artefatos ou obras de arte historicamente valiosas, "disse o líder da equipe de pesquisa Stefan Heist, da Friedrich Schiller University Jena e do Instituto Fraunhofer de Óptica Aplicada e Engenharia de Precisão, Alemanha. Isso pode ser usado para criar um arquivo digital detalhado e preciso, ele adicionou, ao mesmo tempo que permite o estudo da composição material do objeto.

Os imageadores hiperespectrais detectam dezenas a centenas de cores, ou comprimentos de onda, em vez dos três detectados por câmeras normais. Cada pixel de uma imagem hiperespectral tradicional contém intensidade de radiação dependente do comprimento de onda em um intervalo específico vinculado a coordenadas bidimensionais.

O novo sistema de imagem hiperespectral, desenvolvido em colaboração com o grupo de pesquisa de Gunther Notni da Universidade de Tecnologia Ilmenau da Alemanha, avança esta abordagem de imagem ao adquirir informações adicionais sobre as dimensões. No jornal The Optical Society (OSA) Optics Express , os pesquisadores descrevem como cada pixel adquirido por seu novo gerador de imagens hiperespectral 5D contém o tempo; x, coordenadas espaciais y e z; e informações com base na refletância de luz variando da porção visível à infravermelha próxima do espectro eletromagnético.

"Sistemas de última geração que visam determinar a forma dos objetos e suas propriedades espectrais são baseados em vários sensores, oferecem baixa precisão ou exigem longos tempos de medição, "disse Heist." Em contraste, nossa abordagem combina excelente resolução espacial e espectral, grande precisão de profundidade e altas taxas de quadros em um único sistema compacto. "

Criação de um protótipo compacto

Os pesquisadores criaram um protótipo de sistema com uma pegada de apenas 200 por 425 milímetros - mais ou menos do tamanho de um laptop. Ele usa duas câmeras de instantâneo hiperespectral para formar imagens 3-D e obter informações de profundidade de maneira muito parecida com a que nossos olhos fazem ao capturar uma cena de duas direções ligeiramente diferentes. Ao identificar pontos específicos na superfície do objeto que estão presentes em ambas as visualizações de câmera, um conjunto completo de pontos de dados no espaço para esse objeto pode ser criado. Contudo, essa abordagem só funciona se o objeto tiver textura ou estrutura suficiente para identificar pontos sem ambigüidade.

Para capturar as informações espectrais e a forma da superfície de objetos que podem não ser altamente texturizados ou estruturados, os pesquisadores incorporaram um projetor de alta velocidade especialmente desenvolvido em seu sistema. Usando um método de projeção mecânica, uma série de padrões de luz aperiódicos são usados ​​para texturizar artificialmente a superfície do objeto. Isso permite uma reconstrução 3-D robusta e precisa da superfície. As informações espectrais obtidas pelos diferentes canais das câmeras hiperespectrais são mapeadas nesses pontos.

"Nosso desenvolvimento anterior de um sistema que projeta padrões aperiódicos por meio de uma roda giratória tornou possível projetar sequências de padrões em taxas de quadros potencialmente muito altas e fora da faixa espectral visível, "disse Heist." Novas câmeras de instantâneo hiperespectral também foram um componente importante porque permitem que informações espacial e espectralmente resolvidas sejam capturadas em uma única imagem, sem qualquer digitalização. "

Imagem hiperespectral de alta velocidade

Os pesquisadores caracterizaram seu protótipo analisando o comportamento espectral das câmeras e o desempenho 3-D de todo o sistema. Eles mostraram que ele pode capturar imagens 5D visíveis ao infravermelho próximo em até 17 quadros por segundo, significativamente mais rápido do que outros sistemas semelhantes.

Para demonstrar a utilidade do protótipo para analisar objetos culturalmente significativos, os pesquisadores usaram-no para documentar digitalmente um globo em relevo histórico de 1885. Eles também criaram modelos 5D de infravermelho próximo da mão de uma pessoa e mostraram que o sistema poderia ser usado como uma maneira simples de detectar veias. O gerador de imagens também pode ser usado para aplicações agrícolas, que os pesquisadores mostraram ao usá-lo para capturar a mudança 5D no espectro de reflexão das folhas das plantas cítricas à medida que absorviam água.

Os pesquisadores planejam otimizar seu protótipo usando câmeras hiperespectrais com uma relação sinal-ruído mais alta ou que exibam menos diafonia entre os diferentes canais espectrais. Idealmente, o sistema seria adaptado para aplicações específicas. Por exemplo, câmeras com altas taxas de imagem podem ser usadas para analisar propriedades de objetos que mudam dinamicamente, enquanto o uso de sensores com alta resolução no comprimento de onda infravermelho pode ser útil para detectar vazamentos químicos.