Вагенингенский университет разработал полностью автономную систему спектральной визуализации для анализа свежих продуктов
Вагенингенский университет разработал интеллектуальную лабораторную систему All-in-One Spectral Imaging (ASI) для стандартизированного автоматизированного сбора данных и развертывания спектральных моделей в режиме реального времени. Полностью автономная система, интегрированная с гиперспектральными камерами Specim FX10 и FX17, работающими в дополнительных спектральных диапазонах, доказала свои возможности для надежного прогнозирования свойств продуктов питания и анализа свежих продуктов.
Гиперспектральная визуализация зарекомендовала себя как мощная технология для продвинутой классификации и анализа материалов, и она уже давно используется в научных и промышленных приложениях. По сравнению с обычными системами визуализации, гиперспектральная визуализация выходит за пределы видимого спектра, что делает ее способной обнаруживать информацию, невидимую для человеческого глаза. Она предлагает беспрецедентные возможности в многочисленных случаях использования, когда важна точная характеристика и идентификация.
Хотя гиперспектральная съемка продемонстрировала значительные преимущества в различных отраслях промышленности и научных исследованиях, сложность сбора и анализа данных препятствовала ее широкому распространению, до сих пор.
Чтобы решить эту проблему, доктор Пунит Мишра и его коллеги из Вагенингенского университета в Нидерландах решили разработать систему, которая позволит пользователям, не имеющим глубоких знаний в области гиперспектральной визуализации, воспользоваться преимуществами этой технологии. Гиперспектральные камеры с линейным сканированием компании Specim стали ключевым компонентом проекта.
"На традиционном рынке обработки изображений существует множество систем, таких как интеллектуальные камеры, которые позволяют пользователям решать задачи без предварительных знаний в области машинного зрения", – говорит доктор Пунит Мишра, старший научный сотрудник в области передовых технологий зондирования и хемометрии университета. "Таких кнопочных систем формирования изображений для гиперспектральной съемки не существует, и мы хотели изменить эту ситуацию, создав простую в использовании систему, работающую в одно касание. Целью нашего проекта была разработка интеллектуальной лабораторной системы All-in-One Spectral Imaging (ASI) для стандартизированного автоматизированного сбора данных и развертывания спектральной модели в реальном времени, чтобы упростить получение гиперспектральных изображений".
Интеллектуальная лабораторная система All-in-One Spectral Imaging (ASI) для стандартизированного автоматизированного сбора данных и развертывания спектральной модели в режиме реального времени
Стандартизированная гиперспектральная визуализация
"Чтобы реализовать практическое применение спектральной визуализации для рутинного анализа, в прошлом пришлось преодолеть ряд препятствий", – говорит Мишра. "Одна из основных проблем спектральной визуализации заключается в том, что камеры, доступные на рынке, обычно требуют системной интеграции и калибровочного моделирования".
Кроме того, большинство гиперспектральных датчиков, представленных на рынке, в настоящее время поставляются как инструменты для сбора данных. Для проведения измерений и разработки модели пользователю необходимо разработать экспериментальные установки, в которые должен быть интегрирован датчик. "Лучшей практикой, которой придерживаются в исследовательских лабораториях, обычно является выполнение сбора данных и моделирования данных на отдельных этапах. Хотя этот подход показал свой потенциал, его нельзя считать практическим решением для повседневного использования неспециалистами", – утверждает Мишра.
Чтобы сделать гиперспектральную визуализацию проще, особенно для неспециалистов, университет разработал стандартизированную систему спектральной визуализации со встроенными вычислениями, чтобы влияние нежелательных источников на измерения было минимальным. Целью было избежать повторной интеграции системы и повторно использовать откалиброванные модели для обеспечения повторяемости измерений.
Система ASI доказала свою надежность, предсказав свойства нескольких фруктов
Гиперспектральные камеры как ключевые компоненты
Ключевым решением для успешной реализации системы был выбор подходящих гиперспектральных камер. В этом вопросе разработчики из университета остановили свой выбор на гиперспектральных камерах линейного сканирования от компании Specim.
По словам Мишры, университет уже использовал камеры Specim для других применений в своих лабораториях и всегда был очень доволен результатами: "Гиперспектральные камеры Specim FX10 и FX17 полностью отвечали нашим требованиям. Для желаемой компактной конструкции системы механический размер камер Specim был идеальным. С точки зрения разрешения и скорости эти камеры также смогли без проблем удовлетворить спецификации. По этим причинам Specim стал нашим первым выбором и для этого проекта".
Помимо технических характеристик камер, поддержка экспертов Specim убедила разработчиков университета. "В начале проекта эксперты Specim в ходе нескольких встреч подробно проконсультировали нас относительно дизайна системы, выбора оптимального программного обеспечения и других компонентов визуализации. Такая компетентная поддержка значительно ускорила процесс разработки. Обычно другие компании просто хотят продать свою продукцию, но мне показалось, что сотрудники Specim были очень заинтересованы в решении наших проблем и были открыты и готовы поддержать нас, используя все свои ноу-хау. Это сотрудничество оказалось очень полезным для нашего проекта", – подчеркивает Мишра.
В дополнение к камерам Specim, Мишра интегрировал контролируемую стандартизированную среду освещения, встроенную вычислительную систему, а также встроенное программное обеспечение для автоматизированного получения изображений и развертывания модели. Эта установка стала основой для прогнозирования пространственного распределения свойств образца в системе ASI в режиме реального времени.
Спектральный шкаф All-in-One с камерами Specim FX10 и FX17. Моделирование данных вдохновлено комплементарным слиянием данных и осуществляется с помощью специальных методов слияния данных, разработанных доктором Пунитом Мишрой
Комбинация камер VNIR и NIR для более точного контроля
Чтобы продемонстрировать возможности системы ASI, Вагенингенский университет провел показательные эксперименты по прогнозированию свойств фруктов. Возможности установки ASI для предсказания свойств фруктов были продемонстрированы для таких фруктов, как виноград, вишня, груша и киви. Человеческий глаз и традиционные камеры машинного зрения имеют чувствительность к длинам волн между 380 и 760 нм. Ограничиваясь этим диапазоном, бывает трудно определить химические параметры, связанные со зрелостью фрукта, такие как влажность и содержание растворимых твердых веществ. Напротив, расширенный диапазон длин волн гиперспектральных камер позволяет прогнозировать такие параметры, как влажность и содержание растворимых твердых веществ.
В первой установке, которую построили Мишра и его команда, использовалась гиперспектральная камера Specim FX10, работающая в видимом и ближнем инфракрасном (VNIR) спектральном диапазоне от 400 до 1000 нм. "С помощью этой установки мы смогли проверить содержание сахара и некоторые другие характеристики фруктов, но затем мы захотели реализовать оборудование для более высоких требований, чтобы собирать более подробную информацию с более высоким качеством, которое было бы способно надежно анализировать, например, мясо и другие продукты питания", – объясняет Мишра. "Мы смогли это сделать, добавив гиперспектральную камеру Specim FX17 на основе InGaAs в ближней инфракрасной области (NIR), которая охватывает диапазон длин волн от 900 до 1700 нм. Это открыло дополнительные возможности для анализа продуктов питания, а также других органических объектов".
Гиперспектральные камеры Specim FX10 и FX17 - ключевые компоненты системы контроля фруктов, охватывающие диапазон длин волн от 400 до 1700 нм
Specim FX10 и Specim FX17 дополняют друг друга, особенно при измерениях в образцах с высокой влажностью, таких как свежие фрукты, говорит Мишра. "В случае свежих фруктов было обнаружено, что из-за низких коэффициентов поглощения воды молекулами воды в спектральном диапазоне 400 - 1000 нм глубина проникновения света VNIR выше, что позволяет получить больше информации о подповерхностном объеме. В диапазоне 900 - 1700 нм коэффициент поглощения воды молекулой воды высок, что позволяет лучше предсказывать поверхностную влажность образцов".
Камера Specim FX17 также очень гибкая в отношении скорости записи, поскольку она предлагает возможность выбора и оценки из 224 диапазонов длин волн и использования только тех, которые предоставляют соответствующую информацию для текущего приложения. Уменьшая количество наблюдаемых длин волн, стандартная скорость записи Specim FX17, составляющая 670 линий в секунду при использовании всех 224 диапазонов длин волн, может быть увеличена до нескольких тысяч линий в секунду при фокусировке только на нескольких диапазонах длин волн. Это свойство называется Multi Region of Interest (MROI). Оно доступно в камерах Specim FX10 и FX17 и дает пользователям очень высокую гибкость в плане скорости без потери точности. Кроме того, MROI уменьшает количество данных, что облегчает их обработку и хранение. По словам Мишры, использование камер Specim FX10 и FX17 в одной системе позволило повысить точность контроля и обеспечить качественные исследования во всем диапазоне длин волн от 400 до 1700 нм.
Гиперспектральные камеры Specim FX10 и FX17 вместе позволили более точно предсказать свойства фруктов, чем при использовании только одной камеры
Надежный анализ свежей продукции и прогнозирование свойств продуктов питания с помощью гиперспектральной визуализации
Вагенингенский университет очень доволен результатами проекта, заключает Мишра: "Разработанная нами система спектральной визуализации All-in-One на основе гиперспектральных камер Specim FX10 и FX17 полностью удовлетворила наши требования по точному прогнозированию содержания влаги и растворимых твердых веществ в ряде свежих фруктов. Мы сравнили производительность системы с коммерческими системами точечных спектрометров, которые широко используются для БИК-анализа. Система ASI достигла таких же показателей, как и давно зарекомендовавшая себя технология, и между прогнозами установки ASI и коммерческих спектрометров были лишь незначительные различия. Кроме того, гиперспектральная визуализация предлагает другие преимущества по сравнению с точечными спектрометрами."
Ключевым преимуществом разработки ASI по сравнению с точечными спектрометрами является то, что она позволяет исследовать пространственно распределенные свойства благодаря богатой пространственной информации, полученной с помощью гиперспектральных камер Specim FX. Кроме того, установка ASI позволяет повторно использовать существующие спектральные данные и модели, которые были получены ранее в ходе лабораторных экспериментов. "Это открывает новые возможности для более широкого использования спектрального зондирования, когда модели и данные могут совместно использоваться различными пользователями спектроскопии", – говорит Мишра.
Кроме того, ASI – это полностью мобильная система, которую можно доставить к образцам вместо того, чтобы везти образцы в лабораторию. Во многих случаях использования это является огромным преимуществом перед традиционными технологиями. И последнее, но не менее важное: получение результатов занимает менее 40 секунд. В прошлом результаты анализа содержания влаги приходилось ждать несколько дней.
"В сочетании с простотой использования, эта система дает возможность экспертам и даже пользователям, имеющим лишь небольшие знания в области спектральной визуализации, использовать потенциал этой технологии". Университет уже использует систему ASI для экспериментов со всеми видами пищевых продуктов. Благодаря хорошей портативности устройства, его можно использовать даже для таких проектов, как исследование рыбы на лодках сразу после вылова. Таким образом, возможности системы далеко не исчерпаны.
Обзор установки и рабочего процесса спектральной визуализации ASI для анализа плодов киви
