Diseño de un sistema de adquisición de imágenes multiespectrales basado en iluminación LED de potencia de ancho de banda estrecho
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Autores
Tamayo Monsalve, Manuel Alejandro
Tipo de contenido
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Español
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Resumen
Los sistemas de imágenes multiespectrales que utilizan LED de potencia de ancho de banda
estrecho se han convertido en una solución factible para una amplia gama de aplicaciones.
En comparación con los sistemas RGB tradicionales, aumentan el espacio de características
según el número de longitudes de onda manteniendo el rango en precio y tiempo de
adquisición. Por otra parte si se comparan con sistemas hiperespectrales, el tiempo de adquisición
es menor, son más simples de implementar, pero sacrifican resolución espectral. En
este documento, se presenta el diseño y la construcción de un sistema multiespectral basado
en iluminación LED para medición de color a partir de la información espectral. De igual
forma se busca llenar el vacío existente en la literatura al presentar el diseño detallado del
controlador de luz, el proceso de calibración y la caracterización como un instrumento de
medida, así como un análisis de correlación frente a un sistema de altas prestaciones utilizado
en el control de calidad de frutas. También se presenta un caso de estudio en frutos
de café en cereza, con el fin de determinar sus características de color y establecer una posible
aplicación en control de calidad. El sistema captura imágenes multiespectrales con 15
longitudes de onda diferentes entre los 410 y los 960nm, y puede llegar a capturar hasta 8
imágenes espectrales por segundo. Cuenta con una corona de iluminación LED que calibra
la cantidad de luz emitida en cada longitud de onda por medio de una modulación digital, y
genera un efecto estroboscópico al sincronizar los disparos de la cámara y la luz. Dentro de
los principales hallazgos en la caracterización se muestra la precisión con una variación en la
medida inferior al 10% (o2 < 0;1) y una exactitud con distancia de color E inferior al 2%
luego de un proceso de corrección de color. También se muestra un índice de correlación de
Pearson por encima de 80% ( > 0;8) respecto al sistema hiperespectral y se presenta una
completa separabilidad de los 24 colores del colorchecker usado como objeto de referencia.
Los resultados en café destacan que las longitudes de onda 560, 620, 720 y 840nm aportan
mayor información discriminante respecto al color. Adicionalmente, se presenta un análisis
de la información entregada por la banda del infrarrojo cercano, en el cual se encuentra una
correlación entre la pérdida de agua en el fruto y la reflectancia en dicha banda. Por último
se explora una clasificación por color con una eficiencia superior al 93% con el fin de abrir
las posibilidades a un sistema de control de calidad en frutos de café con restricciones de
velocidad y tiempo real.
Abstract
Multispectral imaging systems using narrow bandwidth power LEDs have become a feasible
solution for a wide range of applications. Compared to traditional RGB systems, they
increase the feature space according to the number of wavelengths maintaining the range
in price and acquisition time. On the other hand, compared to a hyperspectral system, the
acquisition time is shorter, it is simpler to implement, but it sacri ces spectral resolution.
This document presents the design and construction of a multispectral system based on LED
illumination for color measurement from spectral information. Similarly, it seeks to fill the
gap in the literature by presenting the detailed design of the light controller, the calibration
process and the characterization as an instrument, as well as a correlation analysis against
a high performance system used in fruit quality control. A study case is also presented on
cherry coffee fruits, in order to determine their color characteristics and establish a possible
application in quality control. The system captures multispectral images with 15 different
wavelengths between 410 and 960 nm, and can capture up to 8 spectral images per second at
120fps. It has an LED illumination crown that calibrates the amount of light emitted through
a digital modulation, and synchronizes the camera's and light's triggers to generate a strobe
effect. Among the main findings in the characterization, the precision with measurement
variation of less than 10% (o2 < 0;1) and an accuracy with color distance E less than 2%
after a color correction process. Also a Pearson's correlation index of over 80% ( > 0;8)
against to the hyperspectral system and complete separability of the 24 colorchecker used as
a reference object. The results in coffee shows more discriminating information to separate
the different fruits in 560, 620, 720 and 840nm. Additionally, we presents an analysis of the
information provided by the near infrared band, in which a correlation is found between the
loss of water in the fruit and the reflectance in the NIR band. Finally, we explore a color
sorting with an efficiency higher than 93% in order to open the possibilities for a quality
control system in coffee fruits with speed and real time restrictions.
Descripción
Palabras clave
Citación
M. A. Tamayo Monsalve, "Diseño de un sistema de adquisición de imágenes multiespectrales basado en iluminación LED de potencia de ancho de banda estrecho", PhD thesis,Universidad Nacional de Colombia sede Manizales, 2020.