SISTEMA Y METODO DE CAPTURA DE IMAGENES MULTIESPECTRALES PARA LA DISCRIMINACION DE MATERIALES.

Un sistema de captura de imágenes multiespectrales para la discriminación de materiales,

que comprende: una pluralidad de fuentes de luz (1) para emitir longitudes de onda diferentes y configuradas para encenderse y apagarse mediante un sistema de control (7) y para iluminar un objeto (2) de cuyos materiales se desea obtener una imagen multiespectral; una cámara de visión (5) que comprende un sensor formador de imagen bidimensional. El sistema comprende una superficie difusora (3) situada entre la cámara y el conjunto formado por las fuentes de luz (1) y dicho objeto (2). La superficie difusora (3) comprende una abertura (4) a través de la cual dicha cámara (5) es capaz de captar una imagen de dicho objeto (2), y donde la disposición relativa entre las fuentes de luz, la cámara y la superficie difusora permite evitar la captación por la cámara de reflexión especular no difusa. Un método de captura de imágenes multiespectrales para la discriminación de materiales.

SISTEMA Y MÉTODO DE CAPTURA DE IMÁGENES

MUL TIESPECTRALES PARA LA DISCRIMINACIÓN DE

MATERIALES

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SECTOR DE LA TÉCNICA

La invención se encuadra en el sector de la instrumentación para la visión artificial, más

concretamente, aquellos sistemas de visión artificial que recogen imágenes en múltiples

bandas espectrales y en bandas espectrales no convencionales, que se utilizan en la industria

1 O para diversas tareas como es la identificación automática de materiales.

ESTADO DE LA TÉCNICA

La visión multiespectral (spectral imaging) es una forma de visión artificial en la que una o

varias bandas de energía electromagnética son empleadas para generar una o varias imágenes

15 de un mismo objeto. Esta imagen, proveniente de la interacción entre la energía

electromagnética incidente y el objeto, se denomina imagen multiespectral y proporciona

información de la composición química del material que compone el objeto que permite su

identificación unívoca posibilitando el desarrollo de sistemas que permitan la discriminación

automática de diferentes materiales.

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La visión multiespectral puede conseguirse siguiendo diferentes alternativas que pueden

agruparse en dos vías: escaneado del objeto en longitud de onda y/o en espacio, y la obtención

de las imágenes espectrales simultáneamente o cuasi-simultáneamente.

25 Dentro de la opción de escaneado del objeto hay diferentes categorías: escaneado espectral,

escaneado espacial, escaneado espectral-espacial y escaneado del espectro de la fuente de luz.

El escaneado espectral emplea una pluralidad de filtros ópticos de banda estrecha ubicados

entre el objeto y el detector de luz en instantes temporales diferentes obteniendo para cada

instante la correspondiente imagen espectral. El escaneado espacial genera una pluralidad de

30 imágenes espectrales para una línea sobre el objeto, la otra dimensión de la imagen se debe

escanear mecánicamente. El escaneado espectral-espacial emplea filtros interferenciales lineales y variables cuya banda óptica pasante cambia a lo largo de una de las dimensiones espaciales. Combinándolo con el filtrado óptico temporal se puede conseguir el escaneado espectral-espacial. El escaneado del espectro de la fuente de luz se consigue variando selectivamente la longitud de onda que ilumina al objeto generando una imagen espectral para cada incidencia.

La adquisición simultánea de visión multiespectral sólo puede generar un número pequeño de imágenes espectrales y dentro de esta aproximación también existen varias alternativas: múltiples cámaras en paralelo, clonación de imágenes, óptica dispersiva, múltiples rnicrofiltros y CCD no convencionales. La opción de múltiples cámaras emplea una pluralidad de cámaras cada una capturando una imagen a una longitud de onda diferente. La clonación de imágenes emplea óptica específica basada en prismas, espejos, partidores de haz, etc. para obtener copias de la imagen que posteriormente pueden filtrarse ópticamente antes de la detección. La óptica dispersiva emplea redes de difracción para formar varias imágenes espacialmente distorsionadas con bandas espectrales sobrepuestas sobre un detector. Los CCD color convencionales emplean una configuración de patrón de rnicrofiltros en colores cyan-magentaamarillo-verde (CMYG) o rojo-verde-azul (RGB) para aproximar el color del objeto de la imagen. Como las bandas espectrales de los microfiltros suelen ser amplias, la selectividad en longitud de onda de esta alternativa suele ser baja. Por último, la visión multiespectral basada en CCD no convencionales emplea un tipo de CCD cuyos pixeles se encuentran a diferentes profundidades en el substrato del mismo. La ubicación en profundidad de cada pixel forma un filtro óptico paso de banda cuya banda espectral está relacionada con su profundidad.

Todas las soluciones hasta el momento, descritas por ejemplo en los documentos de patente US 4170987, W0/2007/056102, W0/2006/104785, W0/2003/054839, US 5099317, US 7019777, US 5790188, US 4790654, W0/2008/024201 o US 5239180, necesitan una óptica adicional que realice la función de separación o elección de las bandas espectrales. Seria deseable poder emplear una cámara convencional, con amplio rango espectral de respuesta, que no necesite óptica adicional.

Además, las fuentes de luz necesarias para iluminar los objetos bajo análisis suelen ser fuentes

de luz blanca, es decir, con emisión de luz en un gran rango espectral, por ejemplo, focos

halógenos, y, posteriormente, los elementos ópticos mencionados se encargan de seleccionar

las bandas espectrales requeridas. En última instancia, es habitual que sólo algunas bandas

5 espectrales sean analizadas, este tipo de fuentes de luz quot;blancasquot; de gran anchura espectral

emiten más luz de la necesaria, con el consiguiente gasto energético inútil que, a veces, resulta

además pernicioso para la muestra.

La solicitud de patente española ES 2310 154-A 1 describe un dispositivo y método para la

1O obtención de imágenes multiespectrales, en el que las longitudes de onda de emisión de cada

fuente de luz se escogen previamente mediante un algoritmo de selección de longitudes de

onda. Sin embargo, el sistema de iluminación previsto no garantiza la uniformidad espacial

necesaria para que todas las zonas del objeto bajo análisis estén iluminadas por igual. Además,

este dispositivo y método no contempla el control de la luminosidad de cada fuente de luz

15 individual de forma que se compensen las diferencias de intensidad de emisión de cada fuente

de luz o la diferente sensibilidad de la cámara de visión a las diferentes longitudes de onda

utilizadas.

La patente US 4558786 describe un sistema para la discriminación de frutas y verduras

20 estropeadas basándose en la reflectancia a diferentes longitudes de onda procedentes de

fuentes de luz diferentes encendidas en secuencia, si bien la luz reflejada por el objeto es

recogida por una fotocélula simple (no una cámara formadora de imagen) , y una electrónica

específica determina mediante un contador y comparadores el grado de reflectancia a los

diferentes colores.

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El sistema anterior presenta el problema de que la discriminación se ve influenciada por el

tamaño de los objetivos y no sólo por su reflectancia. Otro problema es que la fuente emisora

de luz y la fotocélula receptora están orientadas a lo largo del mismo eje con respecto a la

pieza de verdura o fruta (situación co-lineal) , lo que produce una gran señal de reflectancia

30 especular (no difusa) que enmascara la señal útil para la discriminación. Otra limitación del

citado sistema es que una fotocélula simple integra espacialmente toda la luz recibida, por lo

que no es posible diferenciar múltiples objetos situados frente al sistema, o analizar de forma

específica diferentes partes de un mismo objeto. Otra limitación es que cada longitud de onda

empleada implica duplicar todo el sub-sistema emisor-receptor óptico, así como que la

circuitería de detección sólo es capaz de trabajar con 4 longitudes de onda, requiriendo su

5 extensión a un número mayor de longitudes de onda una modificación y ampliación no trivial.

Similar aplicación y limitaciones presenta la patente US 5000569 y la EP 0375881.

La patente EP 1914529, por otro lado, describe un instrumento para analizar el contenido

espectral de la reflexión difusa de un objeto en diferentes direcciones del espacio. Este

1O instrumento utiliza una pluralidad de emisores de luz a diferentes longitudes de onda, pero con

la característica de ser sustancialmente colimados, así como un conjunto de espectrómetros,

también caracterizados por recoger la luz de una única dirección del espacio. La determinación

del contenido espectral de la radiación reflejada requiere por tanto de un instrumento con

óptica difractiva, el citado espectrómetro. Se incorpora una cámara de visión trabajando en el

15 rango visible, que es utilizada por un operador con el único fin de visionar la imagen generada

y poder posicionar correctamente el objeto bajo estudio.

En suma, los sistemas convencionales presentan los siguientes inconvenientes: la necesidad de

instrumentos con óptica compleja para realizar un análisis espectral, la iluminación con

20 fuentes de luz de espectro ancho que son energéticamente ineficientes, o de espectro estrecho

pero centradas en longitudes de onda que no son las óptimas para realizar tareas de

discriminación de materiales concretas; el empleo de configuraciones que provocan la captura

no deseada de la reflexión luminosa...

1. Un sistema de captura de imágenes multiespectrales para la discriminación de materiales, que comprende:

-una pluralidad de fuentes de luz (1 ) , configuradas para emitir una pluralidad de longitudes de onda diferentes y configuradas para encenderse y apagarse a voluntad mediante un sistema de control (7) y para iluminar un objeto (2) de cuyo material o materiales se desea obtener una imagen multiespectral;

-una cámara de visión (5) que comprende un sensor formador de imagen bidimensional sensible a la luz de al menos a todas las longitudes de onda emitidas por dichas fuentes de luz

(1) ;

caracterizado por que comprende una superficie difusora (3) situada entre dicha cámara de visión (5) y el conjunto formado por dicha pluralidad de fuentes de luz (1) y dicho objeto (2) , donde dicha superficie reflectora (3) comprende una abertura (4) a través de la cual dicha cámara (5) es capaz de captar al menos una imagen de dicho objeto (2) , estando dicha cámara de visión (5) alineada concéntricamente con respecto a la abertura (4) de la superficie reflectora (3) , evitando así la captación por la cámara (5) de reflexión especular no difusa o de la luz directa emitida por las fuentes de luz (1 ) .

2. El sistema de la reivindicación 1, donde dicho objeto (2) está rodeado por dicha pluralidad de fuentes de luz (1 ) .

3. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones 1 ó 2, donde dichas fuentes de luz (1) y dicho objeto (2) están situados en un mismo plano.

4. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha superficie difusora (3) es un reflector difuso.

5. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicha superficie difusora (3) tiene una forma semiesférica o parabólica.

5 6. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho sistema de control (7) está configurado para controlar la adquisición de imágenes de la cámara (5) .

1 O 7. El sistema de cualquiera de las reivindicaciones anteriores, donde dicho sistema de control (7) está configurado para controlar la potencia de emisión de cada una de las fuentes de luz (1) mediante la generación de una señal de control variable (S 1) capaz de compensar las variaciones de eficiencia de cada una de las fuentes de luz (1) y de la sensibilidad de la cámara de visión (5) a las diferentes longitudes de onda.

15 8. El sistema de la reivindicación 7, donde cada señal de control variable (S 1) cada una de las longitudes de onda empleadas, responde a la fórmula: S =S . ER. CR 1 R E e 1 1 , dedicada a

20 donde SR es una señal de control de referencia que se aplica a las fuentes de luz (1) que generan una cualquiera longitud de onda 1% ERes la eficiencia de las fuentes de luz (1) a una longitud de onda de referencia 1% E1 es la eficiencia de las fuentes de luz (1) que generan una longitud de onda A¡, CR es la sensibilidad de la cámara de visión a la longitud de onda de referencia AR y C1 es la sensibilidad de la cámara de visión a la longitud de onda A1•

25 9. Un método de captura de imágenes multiespectrales para la discriminación de materiales, caracterizado por las etapas de:

- encender secuencialmente cada una de las fuentes de luz de una pluralidad de fuentes de luz espectralmente estrechas (1) , donde dichas fuentes de luz (1) emiten una pluralidad de

longitudes de onda diferentes, de forma que dichas fuentes de luz (1) iluminan un objeto (2) de cuyo material o materiales se desea obtener una imagen multiespectral;

-capturar, mediante una cámara de visión (5) , una imagen de dicho objeto (2) iluminado con cada longitud de onda, de forma que se obtienen múltiples imágenes, cada una a una longitud de onda diferente, formando una imagen multiespectral conjunta;

-discriminar, a partir de dicha imagen multiespectral conjunta, el o los diferentes materiales presentes en dicho objeto (2) .

10. El método de la reivindicación 9, que comprende además la etapa de controlar la potencia de emisión de las fuentes de luz (1) mediante la generación de una señal de control variable (S 1) capaz de compensar las variaciones de eficiencia de las fuentes de luz (1) y de la sensibilidad de la cámara de visión ( 5) a las diferentes longitudes de onda.

11. El método de la reivindicación 1O, donde cada señal de control variable (S1) , dedicada a cada una de las longitudes de onda empleadas, responde a la fórmula:

S =S . ER. CR

R E e 1 1

donde SR es una señal de control de referencia que se aplica a las fuentes de luz (1) que generan una cualquiera longitud de onda ) ~lt;R. ERes la eficiencia de las fuentes de luz (1) a una longitud de onda de referencia AR, E1 es la eficiencia de las fuentes de luz (1) que generan una longitud de onda A¡, CR es la sensibilidad de la cámara de visión a la longitud de onda de referencia AR y C1 es la sensibilidad de la cámara de visión a la longitud de onda A¡.