Single-Pixel-Imaging vs. Pushbroom vs. Snapshot: Welche Hyperspektraltechnologie sollten Sie wählen?
Hyperspektralkameras basieren auf drei grundlegend unterschiedlichen Erfassungsstrategien. Jede geht einen anderen Kompromiss zwischen räumlicher Auflösung, spektraler Auflösung, Erfassungsgeschwindigkeit, Bewegungstoleranz und Kosten ein. Diese Kompromisse zu verstehen ist bei der Wahl eines Sensors für eine reale Anwendung wichtiger als jeder einzelne Wert eines Datenblatts.
Pushbroom-Hyperspektralbildgebung (Zeilenscanner)
Eine Pushbroom- oder Zeilenscanner-Hyperspektralkamera erfasst jeweils eine räumliche Zeile der Szene, die durch ein Beugungsgitter in ihr vollständiges Spektrum zerlegt wird, und baut den vollständigen 2D-Hyperspektralwürfel Zeile für Zeile auf, während die Kamera oder die Szene darunter hindurchläuft. Pushbroom-Sensoren liefern eine hohe räumliche und spektrale Auflösung und sind die Standardwahl für luftgestützte Systeme, Drohnen und Inspektionssysteme an Förderbändern, bei denen die Bewegung kontrolliert und vorhersehbar ist. Ihre größte Einschränkung ist genau diese Anforderung: Szene und Sensor müssen sich mit einer bekannten, gleichmäßigen Geschwindigkeit relativ zueinander bewegen, was Pushbroom für statische oder unvorhersehbar bewegte Szenen wenig geeignet macht.
Snapshot-Hyperspektralbildgebung
Eine Snapshot-Hyperspektralkamera erfasst die gesamte räumliche Szene und einen Satz von Spektralbändern in einer einzigen Belichtung, typischerweise mithilfe eines Mosaiks aus Spektralfiltern, das direkt auf das Sensorarray aufgebracht ist, ähnlich dem Bayer-Filter einer RGB-Kamera. Das macht Snapshot-Kameras gut geeignet für schnelle oder unvorhersehbare Bewegungen, da kein Scanvorgang erforderlich ist. Der Kompromiss ist eine feste, meist bescheidene Anzahl an Spektralbändern, die durch das Filtermosaik bei der Herstellung festgelegt wird, sowie eine räumliche Auflösung, die zwischen den Pixeln des Sensors und der Anzahl der erfassten Spektralbänder aufgeteilt wird.
Single-Pixel- (komprimierte) Hyperspektralbildgebung
Single-Pixel- oder komprimierte Hyperspektralbildgebung verfolgt noch einen anderen Ansatz: Sie ersetzt das Detektorarray vollständig durch ein einzelnes Spektrometer und einen räumlichen Lichtmodulator, typischerweise einen Videoprojektor, der eine Folge strukturierter Muster auf die statische Szene projiziert. Da ein Spektrometer nativ Hunderte von Spektralbändern mit hoher Auflösung misst, kann der rekonstruierte Hyperspektralwürfel eine sehr feine spektrale Auflösung bei einem Bruchteil der Hardwarekosten eines arraybasierten Sensors erreichen. Sie tauscht Erfassungsgeschwindigkeit, da pro Bild mehrere Projektionen erforderlich sind, gegen spektralen Detailreichtum und niedrige Kosten, was sie gut geeignet macht für Labor-, Fablab- und statische Feldmessungen statt für Hochgeschwindigkeits-Scanning.
Auf einen Blick
| Pushbroom | Snapshot | Single-Pixel (ONE-PIX / PRO-PIX) | |
|---|---|---|---|
| Räumliche Auflösung | Hoch | Mittel, Kompromiss mit Bandanzahl | Konfigurierbar, abhängig von der Projektorauflösung |
| Spektrale Auflösung | Hoch | Niedrig bis mittel, durch Filtermosaik festgelegt | Sehr hoch, native Spektrometerauflösung |
| Erfassungsgeschwindigkeit | Schnell, erfordert Relativbewegung | Am schnellsten, einzelne Belichtung | Langsamer, mehrere Projektionen pro Bild |
| Am besten geeignet für | Luftgestütztes Scanning, Drohnen, Förderbänder | Schnelle oder unvorhersehbare Bewegung, Echtzeit | Statische oder quasi-statische Szenen, punktuelle Labor- und Feldmessungen |
| Typische Hardwarekosten | Hoch | Hoch | Niedrig bis moderat |
Welche Technologie sollten Sie wählen?
Wenn sich Ihre Szene mit bekannter, kontrollierter Geschwindigkeit am Sensor vorbeibewegt, ist Pushbroom in der Regel die richtige Wahl. Wenn Sie schnelle oder unvorhersehbare Bewegungen in einer einzigen Belichtung erfassen müssen und weniger Spektralbänder akzeptieren können, ist Snapshot die bessere Wahl. Wenn Ihre Priorität eine feine spektrale Auflösung und niedrige Hardwarekosten bei Szenen sind, die im Stillstand gemessen werden können, sei es im Labor, im Fablab oder an einer festen Feldstation, ist die komprimierte Single-Pixel-Bildgebung, der Ansatz hinter ONE-PIX und PRO-PIX, genau für diesen Fall konzipiert.