görünür ve yakın kızılötesi bölge uygulamaları için bir

2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)
GÖRÜNÜR VE YAKIN KIZILÖTESİ BÖLGE UYGULAMALARI İÇİN BİR
HİPERSPEKTRAL GÖRÜNTÜLEME SPEKTROMETRESİ TASARIMI
DESIGN OF A HYPERSPECTRAL IMAGING SPECTROMETER FOR
VISIBLE AND NEAR INFRARED REGION APPLICATIONS
Ulaş Çırpıcı1, Ali Can Karaca2, Alp Ertürk2, M. Kemal Güllü2, Sarp Ertürk2
1. Elektro-Optik Sistem Mühendisliği Bölümü
Kocaeli Üniversitesi
2. Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği
Bölümü
Kocaeli Üniversitesi
[email protected]
{alican.karaca1, alp.erturk, kemalg, sertur}@kocaeli.edu.tr
Hiperspektral görüntüleme sisteminde görüntülenecek
cisimden yansıyan ışınlar bir optik sistemden geçirilerek dalga
boylarına ayrıştırılır. Bu ayrışma optik sistemin özelliklerine
göre elektromanyetik spektrumun sadece görünür bölgesinde
olabildiği gibi, kızılötesi veya morötesi bölgesinde de olabilir.
Nesneden yansıyıp optik sistemden geçtikten sonra dalga
boylarına ayrışan bu ışınlar tayf çizgileri halinde CCD veya
CMOS kamera üzerine düşürülür. Ardından bilgisayar
yazılımı sayesinde kamera üzerine düşen cismin detaylı tayf
bilgileri içeren hiperspektral görüntüye dönüştürülür [3].
Görüntüleme spektrometresinin tasarım başarımını CCD
üzerine odaklanan spektral ve uzamsal bilgilerin sapma
(aberation) değerlerinin düşüklüğü belirler. Astigmatizm bu
sapmalardan bir tanesidir ve astigmatizm değerinin
düşürülmesinin görüntü oluşturma aşamasında optik bulanıklık
(blur) ve spektral bilgilerin korunması açısından çok büyük
önemi vardır.
Hiperspektral görüntüleme spektrometresinin birçok
tasarım çeşidi vardır. Offner tipi, Dyson tipi, Littrow tipi,
Czerny Turner tipi ve Çapraz Czerny Turner tipi bu çeşitlere
örnektir [4]. Bu çalışma kapsamında gerçekleştirilen
tasarımda, diğer çeşitlere göre, özel dispersiyon elementleri
içermemesi, üretim ve montaj kolaylığı, düşük sapma değerleri
ve maliyet düşüklüğü açısından daha avantajlı olmasından
dolayı çapraz Czerny Turner tipi kullanılmıştır. Bu çalışma,
hiperspektral görüntüleme spektrometresi tasarımı ve prototip
üretimi açısından Türkiye’de gerçekleştirilen ilk çalışmadır.
Özetçe— Bu çalışmada, 400-1000 nm dalga boyları
arasında çalışan, düşük astigmatizm değerli, çapraz
Czerny Turner dizilimine sahip hiperspektral görüntüleme
spektrometresinin tasarımı ve prototip üretimi yapılmıştır.
Bu prototip, objektif, küresel ayna, giriş açıklığı, kırınım
ağı, silindirik lens ve CCD kameradan oluşmaktadır. Bu
çalışma kapsamında yapılan deneysel çalışmada ise, yapay
ve doğal yapraklardan oluşan bir sahne, üretilen
hiperspektral
görüntüleme
spektrometresi
ile
görüntülenmiş ve eğitimsiz hiperspektral görüntü işleme
ile yapay ve doğal yaprak ayrıştırması sağlanmıştır.
Anahtar Kelimeler — görüntüleme spektrometresi;
hiperspektral görüntüleme; hiperspektral kamera.
Abstract—In this work, a hyperspectral imaging
spectrometer, operating between the wavelengths of 4001000 nm, with low astigmatism value, and cross Czerny
Turner arrangement, is designed and a prototype is
produced. This prototype consists of lens, spherical mirror,
slit, diffraction grating, cylindrical lens and CCD camera.
In the experimental study conducted within the scope of
this work, a scene consisting of artificial and natural leaves
is scanned by the produced hyperspectral imaging
spectrometer, and artificial and natural leaf discrimination
is achieved via unsupervised hyperspectral image
processing.
Keywords — imaging spectrometer;
imaging; hyperspectral camera.
1.
2.
OPTİK SİSTEM TASARIMI
Hiperspektral görüntüleme spektrometresinin optik bileşen
dizilimi çapraz Czerny Turner dizilimi esas alınarak
tasarlanmıştır. Tüm analiz ve hesaplamalar ZEMAX optik
tasarım programında yapılmıştır.
hyperspectral
GİRİŞ
Hiperspektral görüntüleme teknolojisi ile görüntülemesi
yapılacak cisimden veya bölgeden yansıyan ışınları,
elektromanyetik spektrumun insan gözünün algılayabildiği
veya ayrıştırabildiği görünür ışıktan çok daha geniş
bantlarında algılama ve çok sayıda dar banttan oluşan bir
görüntüleme yapılabilmektedir [1].
Günümüzde hiperspektral görüntüleme spektroskopisi gıda
sanayisinde kalite analizi, ilaç sanayisinde etken maddelerin
dağılımı, madencilikte madenlerin tespiti, doküman analizinde
sahte belgelerin tespiti, askeri alanda hedef veya kamuflaj
tespit ve tanımlama gibi bir çok alanda kullanılmaktadır [2].
2.1. Çapraz Czerny Turner Dizilimi Tasarımı
Bu tasarım sisteminde iki adet küresel ayna, kırınım ağı,
giriş açıklığı, objektif ve CCD kamera kullanılmıştır. ZEMAX
programına sistemde kullanılacak optik bileşenlerin özellikleri
girilerek sistemin sapma değerleri, ışınların izlediği yol ve
görüntü büyütme oranı gibi birçok değer hesaplanabilir.
Çapraz Czerny Turner diziliminin tasarımı yapılırken
kullanılacak aynaların odak uzaklıkları, kırınım ağının
çentik/mm sayısı, giriş açıklığının boyutunun ne olacağı, tüm
optik bileşenlere verilecek açılar ve bu bileşenlerin aralarında
bulunan mesafeler gibi parametreler ZEMAX optik tasarım
programı ile belirlenmiştir. Tasarım sonucu oluşan
978-1-4799-4874-1/14/$31.00 ©2014 IEEE
1407
2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)
görüntüleme
verilmiştir.
spektrometresinin
2.2. Hiperspektral
Yapımı
simülasyyonu
Görüntüleme
Şekil
1’de
(3)
Burada f odak uzaklığı, A aydınlaanan kırınım ağı genişliğidir.
S
Spektrometresinin
Denklem (3)’e göre giriş aççıklığı, sabit odak uzaklığı ve
aydınlanan kırınım ağı genişlliğinde dalga boyunun bir
fonksiyonudur. Bu sebeple yalnızca
y
bir dalga boyunda
sapmasız bir odaklama gerçekleşeecektir.
y
ışınlar bir
Bu tasarımda görüntülenecek nesneden yansıyan
objektif ile 30 μm genişliğindeki girişş açıklığı üzerine
düşürülür. Giriş açıklığından geçen ışınllar, paralelleştirici
küresel ayna ile kırınım ağı üzerine yanssıtılır. Kırınım ağı,
üzerine gelen ışınları dalga boylarına ayrıştırarak odaklayıcı
küresel aynanın üzerine gönderir. Küresel aynadan yansıyan,
dalga boylarına ayrışmış ışınlar CCD kamera üzerine
odaklanmış bir biçimde düşürülmeden önce silindirik lensten
d
astigmatizm
geçirilip tüm dalga boylarının eşit ve düşük
değerine ulaşması sağlanır [5].
2.3. Silindirik lensin katkısı
Optimum giriş açıklığından yararlanamayan diğer dalga
boyları için astigmatik bulanıklıkk söz konusudur.
Şekil 2'de küresel bir aynayaa ekseninin dışından gelen bir
ışın demetinin sagittal ve teğettsel düzlemlerde farklı odak
uzaklıklarına sahip olduğunu görrülmektedir. Bu olayın sonucu
olarak astigmatik bulanıklık deniilen görüntü bozukluğu ortaya
çıkar ve bulanıklığın rakamsal deeğeri şu formülle verilir [8]:
∆
(4)
Burada ∆ astigmatik bulanıklıkk, sagittal görüntü uzaklığı,
teğesel görüntü uzaklığı, D ise aynanın etkin açıklığıdır.
Şekil 1: Tasarlanan sistemin simülasyoon görüntüsü.
Görüntüleme spektrometresinin disspersiyonu, CCD
üzerindeki 1 mm uzunluğa sığdırılabilen daalga boyu sayısının
bir ölçüsüdür. Spektrometre dispersiyonu [6]:
∆
(1)
Burada d dispersiyon, ∆ kaydedilen spektrral aralık, n piksel
sayısı,
piksel genişliğidir.
Şekil 2: Eksen dışı bir ışının küreesel aynadan yansıdıktan sonra
oluşturduğu asstigmatizm.
Spektrometre ile alınan spektrumun çözünürlüğünün
ç
ve
görüntü parlaklığının iyi olması beklenir. Sppektral çözünürlük,
ayrıştırılabilen minimum dalga boyuu aralığının bir
göstergesidir ve dispersiyonun giriş açıkklığıyla çarpımına
eşittir. Spektral çözünürlük [6]:
∆
Bu etkiyi gidermek için ışığıı sadece tek eksende kırabilen
silindirik lens kullanılarak astigm
matik bulanıklık içeren dalga
boyları için sagittal ve teeğetsel görüntü uzaklıkları
eşitlenmiştir.
Şekil 3'te silindirik lens kuullanılmayan sistemin her bir
dalga boyunun görüntü düzleeminde yani CCD kamera
üzerinde oluşturacağı spot büyükklüklerinin değerleri ZEMAX
programı ile hesaplanmıştır. 4000 nm den 1000 nm ye doğru
gidildikçe sürekli değişen ve yakllaşık 30 mikrometre civarında
büyüklükleri olan spot yarıçaplarrı gözlemlenmiştir.
(2)
giriş açıklığıdır.
Burada
Tasarımını yapılan sistemin dispersiyon ve spektral
çözünürlük değerleri Tablo 1’de verilmiştir.
Tablo 1: Sistemin spektral çözünürlüük parametreleri
∆
2,218nm
73,9nm/mm
30
6,45
1258
600nm
Giriş
açıklığı
küçüldükçe
spekktral
çözünürlük
iyileşmektedir fakat spektrumun ışık şiddetti azalmaktadır. Bu
yüzden, giriş açıklığı miktarının en uygun değerinin
belirlenmesi gereklidir. Giriş açıklığının en uygun
u
değeri [7]:
1408
2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)
Şekil 3: Silindirik lens kullanılmayan sisstemde dalga boyu
ve RMS spot yarıçapı grafiğği.
5
Burada p piksel numarasınnı, DB nanometre cinsinden
dalga boyunu göstermektedir. Polinom katsayıları MATLAB
üzerinden en küçük kareler yaklaşımıyla belirlenmiştir.
v M gibi sabitler çok küçük
Katsayılar incelendiğinde K, L ve
değerlerde olduğu görülmekteddir. Bu da spektrometrenin
doğrusala (lineer) yakın birr şekilde dalga boylarına
ayrıştırdığını göstermektedir. Ayrıca,
A
polinom oturtmadaki
hata normlarının ortalaması 0,1 nm’dir. Şekil 7’ye
bakıldığında bu daha net görülebiilir.
Şekil 4'de sisteme silindirik lensin dahil edilmesiyle
astigmatik bulanıklık ortadan kalkmış vee dalga boylarının
oluşturduğu spot yarıçapları 30 mikromettreden yaklaşık 10
mikrometreye düşmüştür.
Şekil 5’de ise, tüm bu tasarım çalışmalaarı sonucu prototip
haline getirilen hiperspektral görüntüleme spektrometresinin
optik masa üzerindeki dizilimi gösterilmiştirr.
Şekil 7: Dalga boyu-pikksel eşleme grafiği.
mde dalga boyu ve
Şekil 4: Silindirik lens kullanılan sistem
RMS spot yarıçapı grafiğii
Şekil 8’de Hg-Ar lambasınnın dalga boyu kalibrasyonu
yapıldıktan sonraki spektrumu veerilmiştir.
Şekil 5: Prototipin optik masa üzerinndeki dizilimi.
3.
Şekil 8: Hg-Ar lambasının daalga boyu-ışıklılık grafiği.
DENEYSEL ÇALIŞMA
ALAR
Dalga kalibrasyon sonrassında spektral çözünürlüğü
belirlemek adına bant genişliklerri ölçülmüştür. Bant genişliği
(FWHM) ölçümü, dalga boyu-ışşıklık grafiği üzerinde şiddet
değerlerinin yarıya düştüğü nokttalar referans alınarak ölçülür.
Ölçülen bu değerler Tablo 2’de verilmiştir.
v
Deneysel çalışmalar kapsamında öncellikli olarak Hg-Ar
kalibrasyon
lambasının
spektrumu
yapılan
tasarım
metre ile alınmış,
doğrultusunda prototipi üretilen spektrom
ardından dalga boyu kalibrasyonu yappılarak kaydedilen
görüntünün dalga boyu-ışıklılık grafiği çizdirilmiştir. Şekil
6'da Hg-Ar lambasından 400-1000 nm arasında alınmış
g
x-ekseni
spektral çizgiler gösterilmiştir. Bu grafikte,
spektrumu, y-ekseni ise görüntülenen çizgi alanı
göstermektedir.
Tablo 2: Üç farklı dalga boyyuna ait bant genişlikleri
Dalga boyu
(nm)
Bant genişliği
(FWHM) (nm)
435,8
696,6
912,3
3,29
2,0
1,9
Dalga boyu kalibrasyonu yappıldıktan sonra yapay ve doğal
yaprakların spektrumlarını sisteem üzerinden test edebilmek
için, oluşturulan bir sahnenin spektrometre ile görüntüsü
alınmıştır. Görüntü alımında nesneler hareketli platform
üzerine yerleştirilmiş ve çizgi tarrama yöntemi (pushbroom) ile
görüntüleme spektrometresi kulllanılarak taranmıştır. Tarama
sonucunda oluşan hiperspektral görüntüye ait renkli görüntü
Şekil 9.a’da verilmiştir. Analiz yapmak amacıyla literatürde
sıklıkla kullanılan eğitimsiz küümeleyicilerden biri olan Kortalama algoritması [9] ve uzzaklık ölçütü olarak spektral
açısal uzaklık (spectral angular distance-SAD) [10]
kullanılmıştır ve denklemi (6)’daa verilmiştir.
Şekil 6: Hg-Ar lambasına ait spektraal çizgiler.
Dalga boyu kalibrasyonu için önceliklee tepe yapan dalga
boyları ve tepe noktalarındaki pikksel koordinatları
eşleştirilmiştir. Bu eşleştirme üzerinden uyydurulan dördüncü
dereceden polinom denklemi (5)’te verilmişttir.
1409
2014 IEEE 22nd Signal Processing and Communications Applications Conference (SIU 2014)
,
,
arccos
ve başka uygulamalar
gerçekleştirilecektir.
6
| |. | |
Burada
ve
piksel spektrumlarını ve
uzaklığını göstermektedir.
5.
spektral açı
(b)
Şekil 9: (a) Renklendirilmiş hiperspektral görüntü. (b)
Sınıflandırma haritası.
Şekil 10: Gerçek bitki, yapay bitki ve arka planın spektral
imzaları.
4.
de
deneysel
çalışmalar
KAYNAKÇA
[1] Landgrebe, D. A., Signal Theory Methods in
Multispectral Remote Sensing, Hoboken, NJ: Wiley,
2003.
[2] SPECIM, “Spectral imaging ltd. hyperspectral
applications,” Websitesi: http://www.specim.fi/
[3] Pearlman, J.S., Barry, P.S., Segal, C.C., Shepanski, J.,
Beiso, D., Carman, S.L., “Hyperion, a space-based
imaging
spectrometer,”
IEEE
Transactions
on Geoscience and Remote Sensing, vol. 41, no. 6, pp.
1160-1173, June 2003
[4] Kim T. H., Kong H. J., Kim T. H., Shin J. S., “Design
and fabrication of a 900-1700 nm hyperspectral imaging
spectrometer,” Optics Communications, vol. 283, pp.
355-361, 2010.
[5] Qu B., Xia G., Yu F., “Optimization of freeform
cylindrical lens in Czerny-Turner spectrometer system to
correct the astigmatism by using user defined error
function,” 6th International Symposium on Advanced
Optical Manufacturing and Testing Technologies, Ximen,
China, 2012.
[6] PARISS Analytical Hyperspectral Imaging, “How to
Measure Spectral Resolution and Wavelength Accuracy,”
Websitesi: http://www.lightforminc.com/
[7] Thorne, A., Litzen, U., Johansson, S., “Spectrophysics
Principles and Applications”, Springer, pp. 187-194,
1999.
[8] An Y., Sun Q., Ying. L., Chun L., Wang Z. Q., “The
Design Of Astigmatism Free Crossed Czerny-Turner
Spectrometer”, Optik-Int.J. Light Electron Opt., vol. 124,
2539-2543, 2012.
[9] Meyer, A., Paglieroni, D., Astaneh, C., “K-means reclustering: algorithmic options with quantifiable
performance comparisons,” SPIE Photonics West,
Optical Engineering at LLNI, vol. 5001, pp. 84-92, 2003.
[10] Keshava, N., Mustard, J.F., “Spectral unmixing,” IEEE
Signal Processing Magazine, vol.19, no. 1, pp. 44-57, Jan
2002.
[11] SPECIM, ‘’ImSpector VIS & VNIR datasheet’’ Web
adresi:http://www.specim.fi/index.php/products/industrial
/imaging-spectrographs/vis-vnir
Algoritmada küme sayısı 3 alındığında elde edilen
kümeleme haritası Şekil 9.b’de verilmiştir. Kümeleme
sonucunda yapay, doğal yapraklar ve arka plan başarılı bir
şekilde ayrıştırılmıştır.
Hiperspektral görüntü üzerindeki gerçek bitki, yapay bitki
ve arka plan bölgelerine ait dalga boyu-şiddet grafiği Şekil
10'da verilmiştir.
(a)
için
SONUÇLAR
Yapılan çalışmalar sonucunda görünür bölge ve yakın
kızılötesi bölgede (400-1000 nm) çalışan Türkiye’nin ilk yerli
hiperspektral görüntüleme spektrometresinin optik tasarımı
yapılmış ve çalışır halde bir prototip üretilmiştir.
Hiperspektral görüntüleme spektrometresinin sapma
değerlerini düşürmek için, kullanılacak optik bileşenlerin
hangi malzemeden yapılacağı, özellikleri ve birbirlerine göre
konumları ZEMAX optik tasarım programında optimize
edilmiştir. Ticari olarak kullanılabilen diğer spektrometrelere
[11] oranla daha iyi spektral çözünürlük ve sapma değerlerine
sahip bir ürün elde edilmiştir. Tüm dalga boyu değerlerindeki
astigmatizm etkisini gidermek için ise silindirik lens
kullanılmıştır.
Tasarımı yapılan görüntüleme spektrometresi ile üzerinde
yapay ve doğal yapraklar bulunan bir sahnenin görüntüsü
alınmıştır. Elde edilen spektral imzalar ve kullanılan kortalama kümeleme sonuçları incelendiğinde, tasarlanan ve
prototip üretimi
yapılan hiperspektral
görüntüleme
spektrometresinin başarısı ortaya çıkmaktadır. İleri
çalışmalarda görüntüleme spektrometresi daha da geliştirilecek
1410