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Chemical Color Imaging : évolution des systèmes de vision industrielle

Grâce à la technologie Chemical Color Imaging (CCI), les données hyperspectrales complexes au niveau moléculaire deviennent utilisables en vision industrielle. Les systèmes de vision hyperspectrale de STEMMER IMAGING utilisent une plateforme de traitement de données générique développée par Perception Park et dotée d'une interface de configuration intuitive. Celle-ci facilite les manipulations et permet à un large public d’accéder aux méthodes scientifiques de l’analyse hyperspectrale. Et ouvre ainsi la voie à de nouveaux champs d’application.

La technologie de vision industrielle s’est considérablement développée au cours des dernières décennies. Partant de caméras en noir et blanc qui exploitent les différences de contrastes pour la détection de défauts, nous arrivons aujourd’hui à la production de caméras couleurs de plus en plus précises qui permettent d’identifier d'infimes variations de couleur. Chemical Color Imaging (CCI) mène aujourd’hui cette progression technologique à un niveau supérieur. La technologie logicielle de l’entreprise Perception Park de Graz permet d’utiliser les données hyperspectrales complexes au niveau moléculaire en vision industrielle. Le champ de recherche « Perception » contient un ensemble important de données d’analyses compréhensibles et une visualisation des informations réellement intéressantes.

Les systèmes de vision 3D actuels utilisant des caméras couleurs produisent des images spatiales de très grande précision des objets analysés. Cependant, les systèmes sont conçus pour l’analyse des surfaces et atteignent toujours leurs limites lorsque les objets examinés ont une structure moléculaire différente ou sont sujets à des processus de changement. Le premier cas concerne notamment le recyclage dans le cadre du tri de matières plastiques, tandis que dans le secteur de l’alimentation, c’est le degré de maturité des fruits et l’apparition possible de moisissures qui jouent un rôle important.

Empreinte chimique incontestable

De telles informations ne peuvent être obtenues qu’avec des caméras hyperspectrales car, en raison de leurs propriétés chimiques, les objets laissent une « empreinte » unique, une signature spectrale. Celle-ci donne des informations sur la structure moléculaire des objets et permet au système de reconnaître le matériau.

Toutefois, la technologie de caméra hyperspectrale n’était pas encore suffisamment au point pour être appliquée de façon généralisée à l’environnement industriel. Markus Burgstaller, directeur de Perception Park indique : « Une des raisons qui expliquent cela, est que le développement d’applications hyperspectrales était jusqu’à présent réservé aux experts de la spectroscopie et de la chimiométrie. Par ailleurs, l’échec de nombreuses tentatives d’application est lié au fait que les systèmes de vision couleurs des machines existantes ne sont en général pas en mesure d’intégrer les caméras hyperspectrales de façon rationnelle. Cela signifie que le développement et la mise en œuvre de chaque application cherchant à intégrer la technologie hyperspectrale doivent être complètement revus, ce qui n’est bien souvent pas imaginable sur le plan économique dans un environnement industriel. »

CCI, une approche holistique

Chemical Color Imaging (CCI) comble cette lacune technologique et, pour la première fois, fait en sorte que les propriétés chimiques des objets puissent être évaluées en temps réel grâce à un système de vision. Les avantages de la spectroscopie sont fusionnés avec ceux des systèmes de vision industrielle, dans une approche holistique.

« L’élément central de CCI réside dans l’extraction d’images bidimensionnelles exclusives, les Chemical Color Images, à partir de données hyperspectrales multidimensionnelles complexes. Ces images exclusives présentent à l’utilisateur, en couleurs codées, les informations spectroscopiques collectées par résolution spatiale. Grâce à l’intervention de CCI, la caméra hyperspectrale apparaît donc dans le système de l’utilisateur comme une caméra couleurs. Les couleurs (Chemical Colors) reflètent les propriétés moléculaires des objets examinés », explique M. Markus Burgstaller.

Cette simplification rendue possible grâce au traitement de l’image augmente les avantages de la spectroscopie en ce qui concerne sa sélectivité. Un avantage particulier dans ce cas est qu’il n’y a pas de classification, mais une réduction de l’information spectroscopique ciblée vers les propriétés chimiques interprétables de l'objet.

 
Nous voyons déjà se dessiner des exemples d’applications très intéressants de ces systèmes hyperspectraux et avons des idées concrètes de la façon dont cette technologie peut apporter des solutions fiables à des problèmes jusque-là quasiment insolubles pour nos clients.
Jörg Schmitz, Senior Key Account Manager, STEMMER IMAGING

Plateforme intuitive

Avec Perception System, Perception Park a développé une plateforme générique de traitement de données, configurable et intuitive, qui met à disposition des méthodes scientifiques encapsulées, accessibles à tous, de façon intuitive. Cette abstraction d’informations spectrales complexes sur des propriétés chimiques existantes permet à des utilisateurs, même sans connaissances spécifiques relatives à la spectroscopie et la chimiométrie, un accès au maniement de cette caméra, et à l'interprétation des données.

« En raison de cet accès générique, il n’est pas nécessaire de programmer de nouvelles applications. Plus exactement, les utilisateurs sont eux-mêmes en mesure de développer et de configurer des applications, sans pour autant avoir besoin de connaissances spécifiques en termes de chimiométrie, spectroscopie ou de traitement de données hyperspectrales », explique M. Markus Burgstaller. Une fois configuré, Perception System fonctionne en « mode autonome » comme adaptateur entre la caméra et la machine. L’interface homme-machine utilise un format connu de traitement d'images, permettant ainsi à l’utilisateur de prendre lui-même une décision basée sur le Chemical Color Imaging.

Un large champ d‘utilisation

Chemical Color Imaging est utilisé tout particulièrement par des fournisseurs de solutions ainsi que des constructeurs de machines dans des processus industriels. Pour eux, CCI signifie une plus grande indépendance par rapport aux fournisseurs de technologie extérieurs, et donc ainsi plus d’indépendance relative à leurs propres applications. Perception System permet de configurer chaque application de façon simple et ne requiert aucun travail de reprogrammation en cas d'adaptation, si bien que les applications déjà existantes peuvent être adaptées au nouveau système avec un investissement moindre en termes de développement.

Dans l’industrie de transformation alimentaire par exemple, où les produits se modifient rapidement en raison notamment de leur processus de maturation, cette flexibilité se répercute positivement par des cycles plus courts pour adapter ou faire évoluer le système. L’image 1 illustre une utilisation typique dans le domaine alimentaire.

Outre le secteur de l’alimentation, les principales industries utilisatrices de Chemical Color Imaging sont actuellement l’industrie minière, l’industrie pharmaceutique ainsi que le domaine du recyclage. Pour ce dernier, la technologie permet une séparation automatique des matières plastiques (voir l'image 3). La mission consiste ici en la reconnaissance et au tri des éléments en polyéthylène (PE) et polypropylène (PP) en fonction de leur composition chimique.

Les informations chimiques en couleurs ainsi que les informations en noir et blanc peuvent être traitées par le système de vision de l’utilisateur. Ainsi, il est possible d’intégrer une caméra hyperspectrale dans une machine de tri qui utilise déjà un tri sélectif de couleur. En outre, grâce au CCI, l’utilisateur est en mesure de combiner des informations moléculaires avec des informations de couleur des objets examinés, de façon à améliorer la qualité du tri.

Les premiers essais avec Chemical Color Imaging (CCI) ont également été réalisés dans le domaine médical. M. Markus Burgstaller confirme qu’ « à l’aide du CCI et d’un système hyperspectral, il est désormais possible de photographier une main humaine et d’en rendre les vaisseaux sanguins visibles ». (cf. image 4)

Système global disponible

Grâce à la collaboration entre Perception Park et STEMMER IMAGING, la technologie hyperspectrale est maintenant, pour la première fois, à la disposition d’utilisateurs industriels sans connaissances spécifiques dans les domaines de la spectroscopie ou de la chimiométrie, et ce sous forme de système modulaire. La plateforme logicielle Perception Studio de Perception Park qui peut être configurée de façon intuitive, met à disposition des méthodes scientifiques encapsulées de l’analyse hyperspectrale. Ce logiciel sert de base aux systèmes que STEMMER IMAGING développe en ajoutant aux systèmes CCI complets d’autres composants matériels : les caméras industrielles CMOS et InGaAs appropriées, les éclairages, les dispositifs optiques, les cartes d’acquisition d’images et les ordinateurs de vision industrielle.

Avec ce système complet, les solutions hyperspectrales travaillent en temps réel, avec une capacité de calcul de plus de 200 millions de points spectraux par seconde. Les différentes interfaces courantes, CameraLink et GigE Vision, du système de vision, permettent de connecter des caméras de différents fabricants. STEMMER IMAGING commercialise ces systèmes CCI depuis janvier 2016.

Vision industrielle 4.0

Selon M. Jörg Schmitz, interlocuteur commercial pour les systèmes CCI chez STEMMER IMAGING, « si on observe l’évolution des systèmes de vision, on peut définir les systèmes de prise de vue monochrome comme étant la première étape de l’évolution de cette technologie. Après les systèmes de vision couleurs, puis 3D, les systèmes hyperspectraux représentent aujourd'hui l'étape ultime, pour ainsi dire la Vision 4.0. »

M. Schmitz voit déjà se dessiner des exemples très intéressants d'applications de ces systèmes hyperspectraux et a même déjà des idées concrètes de « comment, grâce à cette technique, nous pouvons proposer à nos clients des solutions fiables à des problèmes jusqu’ici quasiment insolubles ».

Pour les utilisateurs intéressés, STEMMER IMAGING propose, dans le cadre de l’European Imaging Academy à Puchheim, des formations relatives au système de vision hyperspectrale (formation en langue allemande). La première de ces formations aura lieu le 27 avril 2016. Les systèmes hyperspectraux de STEMMER IMAGING basés sur la technologie logicielle de Perception Park seront par ailleurs présentés lors de la première Conférence sur l’Imagerie Hyperspectrale dans l’Industrie (« Conference on Hyperspectral Imaging in Industry » CHII 2016) les 15 et 16 juin 2016 à Graz, ainsi qu’au Salon Automatica (du 21 au 24 juin 2016 à Munich).