Skrik av Edvard Munch ble skannet hyperspektralt i Nasjonalgalleriet i 2013. Ved å framheve spesielle fargenyanser, kan usynlige detaljer og fargepigmenter oppdages. Kameraet kan også finne brukes til medisinske undersøkelser, mineralleting og miljøovervåkning. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Skrik av Edvard Munch ble skannet hyperspektralt i Nasjonalgalleriet i 2013. Ved å framheve spesielle fargenyanser, kan usynlige detaljer og fargepigmenter oppdages. Kameraet kan også finne brukes til medisinske undersøkelser, mineralleting og miljøovervåkning. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Bakgrunn: Slik virker et hyperspektralt kamera

Kameraet kan skille mellom opptil flere hundre forskjellige farger, ikke bare rødt, grønt og blått. Slik kan usynlige detaljer avsløres.

Published

Rødt, grønt og blått

Vanlige digitale kameraer kan bare se tre grove fargeområder, rødt, grønt og blått. De andre fargene kommer fram ved å blande disse. Hvitt lys, som fra sola øverst, kommer fram ved å blande alle disse tre primærfargene. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Vanlige digitale kameraer kan bare se tre grove fargeområder, rødt, grønt og blått. De andre fargene kommer fram ved å blande disse. Hvitt lys, som fra sola øverst, kommer fram ved å blande alle disse tre primærfargene. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Hvitt sollys inneholder grovt sett like mye av alle farger. Det kan vi se når en regnskur bryter sollyset i en regnbue.  Men hvor mange forskjellige farger kan vi egentlig se?

En vanlig bildebrikke i et digitalt kamera ligner øyet vårt. Både bildebrikken og øyet har bare tre forskjellige typer lysfølere, for fargene rødt, grønt og blått, slik de tre stiplede linjene viser.

Når lyset av disse tre primærfargene blandes, ser vi det som andre farger. Rødt og grønt kan for eksempel blandes til gult. I den lille fargesirkelen er det vist hvordan rødt, grønt og blått blandes tilbake til hvitt i øyet og kameraet.

Ser ikke den lille forskjellen

Når hvitt sollys skinner på et grønt materiale, blir det blå og det røde lyset sugd opp. Det grønne lyset, derimot, blir reflektert. Derfor ser materialet grønt ut. Men denne grove fargeblandingen klarer ikke å skjelne mellom alle fargenyanser.

Trekanten og sirkelen reflekterer det hvite sollyset, og ser ut til å ha samme farge. Når kameraet bare skiller mellom rødt, grønt og blått (stiplede kurver), ser fargekurvene fra dem like ut. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Trekanten og sirkelen reflekterer det hvite sollyset, og ser ut til å ha samme farge. Når kameraet bare skiller mellom rødt, grønt og blått (stiplede kurver), ser fargekurvene fra dem like ut. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Her er to forskjellige grønne materialer. De reflekterer ikke lyset helt likt. Verken øyet eller et vanlig kamera klarer å se denne lille forskjellen. De to materialene ser ut til å ha samme farge.

Over hundre fargeområder

Et hyperspektralt kamera er ikke bare følsomt for de tre fargene rødt, grønt og blått. Det kan skille mellom mange flere smale fargeområder, minimum ti forskjellige, men ofte over hundre.

Det hyperspektrale kameraet er følsomt for mange, smale fargeområder (stiplede linjer). Dermed klarer det å avsløre detaljer i fargekurvene som viser at de er forskjellige. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Det hyperspektrale kameraet er følsomt for mange, smale fargeområder (stiplede linjer). Dermed klarer det å avsløre detaljer i fargekurvene som viser at de er forskjellige. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Dataprogrammer finner forskjellene

Forskjellene kan være ganske små. Selv om vi kan hente ut smale fargeområder fra det hyperspektrale kameraet, kan det være vanskelig, for ikke å si møysommelig og kjedelig, for et menneske å se gjennom alle fargene.

Slike oppgaver egner seg mye bedre for datamaskiner enn mennesker. Datamaskinene kan sammenligne bildene, punkt for punkt, i alle de forskjellige fargene. Så kan de bruke statistikk for å finne avvik. Har noen av bildepunktene en spesielt sær fargesammensetning, som skiller seg ut? Disse er ofte interessante.

Øverst: Bilde av planter tatt med vanlig kamera. Nederst: Et bilde tatt med hyperspektralt kamera er analysert med data, og forskjellen mellom de ekte (grønne) og den kunstige (røde) planten er framhevet. (Foto: (Bilde: Torbjørn Skauli, FFI))
Øverst: Bilde av planter tatt med vanlig kamera. Nederst: Et bilde tatt med hyperspektralt kamera er analysert med data, og forskjellen mellom de ekte (grønne) og den kunstige (røde) planten er framhevet. (Foto: (Bilde: Torbjørn Skauli, FFI))

Dataprogrammet kan lage et bilde der avvikende områder lyser opp på skjermen. I dette bildet er planten nest lengst til høyre kunstig. I dataanalysenav de hyperspektrale fargene lyser den kunstige planten opp i rødt .

Skauli fra Forsvarets forskningsinstitutt og forskerne i Norsk Elektro Optikk har utviklet programmer for de nye prosessorene i grafikkort som dataspill er så avhengige av.  Slik kan dataanalysen skje i sanntid.

Kamera med fargehjul

Fargefiltre montert på et hjul kan brukes til hyperspektral fotografering. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Fargefiltre montert på et hjul kan brukes til hyperspektral fotografering. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Noen hyperspektrale kamera bruker et hjul med forskjellige fargefiltre som snurrer foran et vanlig kamera for å skille fargenyansene fra hverandre. Denne metoden kan være brukbar i spesielle tilfelle, men tar lang tid for hvert bilde, og gir ikke så mange fargenyanser.

Kamera som skanner

Kameraene som FFI og Norsk Elektro Optikk har utviklet, arbeider mer som en skanner enn som et vanlig kamera. Bildet bygges opp linje for linje, som når lyslista beveger seg over et ark i en bordskanner.

Hallvard Skjerping fra Norsk Elektro Optikk med ett av de hyperspektrale kameraene som firmaet produserer. Biologisk materiale, som blader, er ett eksempel på materialer som kan studeres med det fargefølsomme kameraet. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)
Hallvard Skjerping fra Norsk Elektro Optikk med ett av de hyperspektrale kameraene som firmaet produserer. Biologisk materiale, som blader, er ett eksempel på materialer som kan studeres med det fargefølsomme kameraet. (Foto: Arnfinn Christensen, forskning.no)

Det kan skje som i bordskanneren, ved at kameraet sveiper over et motiv på liten avstand. Da monteres kameraet i et motorisert stativ med en forsatslinse for å kunne ta bilder helt ned til noen centimeters avstand. Da kan kameraet se detaljer helt ned til femtidelen av en millimeter.

Bevegelsen kan også skje ved at et fly skanner over et landskap i jevn flukt framover. Ujevnheter i flyretningen kan registreres med GPS og fjernes i et dataprogram etterpå.

Speil, gitter, linse

Enkel prinsippforklaring av hyperspektral kamera. De to figurene øverst til venstre sender ut lys med grønnfarge som ser lik ut for et vanlig kamera. Lyset fokuseres i et speil ned til en plate med en tynn spalte. Den slipper bare gjennom en smal stripe av lyset. Stripen fokuseres på nytt mot en plate med vannrett gittermønster, som sprer fargene i lyset loddrett på linja. Bildebrikken ser lysforskjellene langs linja vannrett, og fargeforskjellene i hvert punkt på linja loddrett. Så bygges bildet av figurene opp, linje for linje. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Enkel prinsippforklaring av hyperspektral kamera. De to figurene øverst til venstre sender ut lys med grønnfarge som ser lik ut for et vanlig kamera. Lyset fokuseres i et speil ned til en plate med en tynn spalte. Den slipper bare gjennom en smal stripe av lyset. Stripen fokuseres på nytt mot en plate med vannrett gittermønster, som sprer fargene i lyset loddrett på linja. Bildebrikken ser lysforskjellene langs linja vannrett, og fargeforskjellene i hvert punkt på linja loddrett. Så bygges bildet av figurene opp, linje for linje. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Lyset fra det som skal fotograferes, går først inn i et hulspeil. Det fungerer på samme måte som en linse, og fokuserer bildet.

Der bildet fokuseres, sitter ikke en bildebrikke. Isteden er det en smal spalte, som slipper igjennom bare en og en linje som skal skannes.

Den ene linja av bildet går videre til et annet hulspeil, som gjør lysstrålene parallelle igjen. Så går de gjennom en plate med et fint gittermønster. Gittermønsteret sprer lyset i alle regnbuens farger, akkurat som et glassprisme.

Fordelen med gitteret er at fargene blir jevnt spredd. I et prisme blir de røde fargene spredt bredere ut enn de blå. Dermed blir ikke nøyaktigheten like stor for alle farger. Spredningen forskyves også hvis trykk og temperatur forandrer seg.

At et gitter kan spre fargene, kan vi også se ved å holde opp en CD eller en DVD mot lyset. De små gropene i plata vil lage regnbuemønstre, som i gitteret.

Etter gitteret går lyset gjennom en linse som retter opp små feil. Så treffer de en bildebrikke.

Linje, flate, kube

Det hyperspektrale kameraet skanner et og ett linjeformet utsnitt av figuren. Fargespekteret for hvert punkt i linjen blir spredd ut loddrett til en flate på bildebrikken. Skanningen av figurene sirkel og trekant bygges opp linje for linje, flate for flate, til en kube. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))
Det hyperspektrale kameraet skanner et og ett linjeformet utsnitt av figuren. Fargespekteret for hvert punkt i linjen blir spredd ut loddrett til en flate på bildebrikken. Skanningen av figurene sirkel og trekant bygges opp linje for linje, flate for flate, til en kube. (Foto: (Figur: Arnfinn Christensen, forskning.no))

Denne bildebrikken fungerer ikke som en vanlig bildebrikke. Langs den vannrette retningen ser bildebrikken hvordan lyset varierer langs den tynne linja som er skilt ut.

Langs den loddrette retningen er hvert punkt spredd ut i alle regnbuens farger. Alle punktene på bildebrikken i denne retningen sikrer at regnbuen kan deles inn i like mange adskilte, smale fargebånd.

Bildebrikken tegner altså bare en linje, men hvert punkt på linja er spredd ut i mange forskjellige farger, slik at det alt i alt blir en flate.

Det hyperspektrale bildet framkommer først når linje legges etter linje. Da blir fargeflaten fra en linje utvidet til en kube.

Forbedringer

Dette grunnprinsippet er brukt i alle kameraene som er utviklet av Norsk Elektro Optikk og FFI, helt fra de første på 1990-tallet til de nyeste. Men teknologien er forbedret.

Bedre bildebrikker har gitt bedre oppløsning ved lavere belysning. Kameraene kan også skanne flere bildelinjer i sekundet, opptil 700. Det betyr at skanninger kan gjøres raskere.

Raskere datamaskiner har også gjort det mulig å forbedre den korrigeringen som tidligere bare ble gjort i linsa etter fargegitteret. Dataprogrammer kan nå etterkorrigere det som kommer ut av bildebrikken.

Kilder:

Torbjørn Skauli, Forsvarets forskningsinstitutt, Hallvard Skjerping, Norsk Elektro Optikk.