Les technologies de vision industrielle se sont considérablement développées au cours des dernières décennies. Partant de caméras en noir et blanc qui exploitent les différences de contrastes pour la détection de défauts, nous arrivons aujourd'hui à la production de caméras couleur de plus en plus précises qui permettent d'identifier d'infimes variations de couleur. Et les systèmes de vision 3D actuels utilisant des caméras couleur produisent des images spatiales de très grande précision des objets analysés. Cependant, tous ces systèmes sont conçus pour l'analyse des surfaces des objets et atteignent par conséquent toujours leurs limites lorsqu'il s'agit d'examiner et de distinguer des objets dont la structure moléculaire est différente ou qui sont sujets à des processus de changement. C'est notamment le cas dans l'industrie du recyclage au niveau du tri des matières plastiques, ou bien encore dans le secteur de l'agroalimentaire où il est primordial de pouvoir détecter le degré de maturité des fruits et légumes et l'apparition d'éventuelles moisissures.

C'est là que le procédé appelé Chemical Color Imaging ou CCI ( voir encadré page 40 ) entre en jeu et mène aujourd'hui cette progression technologique à un niveau encore supérieur en repoussant les limites de la vision industrielle traditionnelle. A l'image des systèmes de vision hyperspectrale conçus par Stemmer Imaging et basés sur le procédé CCI,qui utilisent la technologie logicielle de l'entreprise Perception Park ( voir encadré page 42 ). Cette plateforme logicielle permet d'utiliser, en vision industrielle,les données hyperspectrales complexes d'un objet au niveau moléculaire.

Une empreinte chimique unique

La collecte d'informations permettant de distinguer des objets dont la structure moléculaire est différente ou qui sont sujets à des processus de changement, comme dans les cas mentionnés plus haut, ne peut en effet s'obtenir qu'avec des caméras hyperspectrales car, en raison de leurs propriétés chimiques, les objets laissent une « empreinte » unique, une signature spectrale. Celle-ci donne des informations sur la structure moléculaire des objets et permet au sys-tème de reconnaître le matériau. Toutefois, la technologie de caméra hyperspectrale n'était pas encore suffisamment au point pour être appliquée de façon généralisée à l'environnement industriel, comme l'explique Markus Burgstaller, directeur de Perception Park: « Une des raisons qui expliquent cela est que le développement d'applications hyperspectrales était jusqu'à présent réservé aux scientifiques et aux experts de la spectroscopie et de la chimiométrie en raison de la masse de données produites et de leur complexité. Par ailleurs,l'échec de nombreuses tentatives d'application est lié au fait que les systèmes de vision couleur des machines existantes ne sont en général pas en mesure d'intégrer les caméras hyperspectrales de façon rationnelle. Cela signifie que le développement et la mise en œuvre de chaque application cherchant à intégrer la technologie hyperspectrale devaient être complètement revus, ce qui n'est bien souvent pas imaginable sur le plan économique dans un environnement industriel ».

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Alors que sur l'image réelle (à gauche), montrant des morceaux de poulet, on ne peut que difficilement distinguer le gras du cartilage, l'image CCI (à droite) fait clairement apparaître la différence entre la viande (en vert), le gras (en rouge) et les os (en bleu).

Stemmer Imaging

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Cette image illustre de façon impressionnante l'aide considérable qu'apporte le procédé Chemical Color Imaging dans l'identification des matières. L'image réelle ne fait guère ressortir de différences entre les trois petits tas presque identiques de sucre, sel et acide citrique alors que l'image CCI les distingue parfaitement en raison de la structure moléculaire différente et des propriétés chimiques de ces trois matières.

Stemmer Imaging

Le procédé CCI comble cette lacune technologique et, pour la première fois, fait en sorte que les propriétés chimiques des objets puissent être évaluées en temps réel grâce à un système de vision. Les avantages de la spectroscopie sont fusionnés avec ceux des sys-tèmes de vision industrielle, dans une approche holistique. « L'élément central du procédé CCI réside dans l'extraction d'images bidimensionnelles exclusives, les Chemical Color Images, à partir de données hyperspectrales multidimensionnelles complexes. Ces images exclusives présentent à l'utilisateur, en couleurs codées, les informations spectroscopiques collectées par résolution spatiale. Grâce à l'intervention de cette technique, la caméra hyperspectrale apparaît donc dans le système de l'utilisateur comme une caméra couleur.Les couleurs (Chemical Colors) reflètent les propriétés moléculaires des objets examinés », explique M. Markus Burgstaller. Cette simplification rendue possible grâce au traitement de l'image augmente les avantages de la spectroscopie en ce qui concerne sa sélectivité. Un avantage particulier dans ce cas réside dans le fait qu'il n'y a pas de classification, mais une réduction de l'information spectroscopique ciblée vers les propriétés chimiques interprétables de l'objet.

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Le logiciel Perception System développé par la société autrichienne Perception Park, est en mesure d'identifier de façon fiable différentes matières plastiques dans un même processus de séparation de matières recyclables.

DR

Une plateforme intuitive

Grâce au logiciel Perception System, l'analyse hyperspectrale devient aujourd'hui accessible aux industriels en réduisant le poids des informations et en facilitant leur compréhension. Avec cet outil logiciel, Perception Park a développé une plateforme générique de traitement de données, configurable et intuitive, qui met à disposition des méthodes scientifiques encapsulées, accessibles à tous, de façon intuitive. Cette abstraction d'informations spectrales complexes sur des propriétés chimiques existantes permet à des utilisateurs, même sans connaissances spécifiques relatives à la spectroscopie et la chimiométrie, d'avoir un accès au maniement de cette caméra et à l'interprétation des données et ainsi d'appliquer l'analyse hyperspectrale au domaine industriel.

« En raison de cet accès générique, il n'est pas nécessaire de programmer de nouvelles applications. Plus exactement, les utilisateurs sont eux-mêmes en mesure de développer et de configurer des applications, sans pour autant avoir besoin de connaissances spécifiques en termes de chimiométrie,spectroscopie ou traitement de données hyperspectrales », indique M. Markus Burgstaller. Une fois confi-guré, Perception System fonctionne en «mode autonome» comme adaptateur entre la caméra et la machine.L'interface homme-machine utilise un format connu de traitement d'images, permettant ainsi à l'utilisateur de prendre luimême une décision basée sur le procédé CCI.

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Grâce à un système hyperspectral, il est possible de visualiser une main et les vaisseaux sanguins qui la parcourent.

Stemmer Imaging

Un large champ d'utilisation

Le procédé Chemical Color Imaging est utilisé tout particulièrement par des fournisseurs de solutions ainsi que des constructeurs de machines dans des processus industriels. Pour eux, la tech-nique CCI signifie une plus grande indépendance par rapport aux fournisseurs de technologie extérieurs, et donc ainsi plus d'indépendance relative à leurs propres applications. Perception System permet de configurer chaque application de façon simple et ne requiert aucun travail de reprogrammation en cas d'adaptation, si bien que les applications déjà existantes peuvent être adaptées au nouveau système avec un investissement moindre en termes de développement.

Dans l'industrie de transformation alimentaire par exemple, où les produits se modifient rapidement en raison notamment de leur processus de maturation, cette flexibilité se répercute positivement par des cycles plus courts pour adapter ou faire évoluer le système. Les images et illustrent des utilisations typiques dans le domaine agroalimentaire.

Outre ce secteur, les principales industries utilisatrices du procédé CCI sont actuellement l'industrie minière, l'industrie pharmaceutique ainsi que le domaine du recyclage. Pour ce dernier, la technologie permet notamment une séparation automatique des matières plastiques (image ). La mission consiste par exemple en la reconnaissance et au tri d'éléments en polyéthylène (PE) et polypropylène (PP) en fonction de leur composition chimique.

Un système global d'ores et déjà disponible

Les informations chimiques en couleurs ainsi que les informations en noir et blanc peuvent être traitées par le système de vision de l'utilisateur. Ainsi, il est possible d'intégrer une caméra hyperspectrale dans une machine de tri qui utilise déjà un tri sélectif de couleur. En outre, grâce au CCI, l'utilisateur est en mesure de combiner des informations moléculaires avec des informations de couleur des objets examinés, de façon à améliorer la qualité du tri.

Les premiers essais avec le procédé CCI ont également été réalisés dans le domaine médical. Il est désormais possible de photographier une main humaine et d'en rendre visibles les vaisseaux sanguins, par exemple (image ).

Grâce à la collaboration entre Perception Park et Stemmer Imaging, la technologie hyperspectrale est maintenant, pour la première fois, à la disposition d'utilisateurs industriels sans connaissances spécifiques dans les domaines de la spectroscopie ou de la chimiométrie, et ceci sous forme de système modulaire. La plateforme logicielle Perception Studio de Perception Park qui peut être configurée de façon intuitive, met à disposition des méthodes scientifiques encapsulées de l'analyse hyperspectrale. Ce logiciel sert de base aux systèmes que Stemmer Imaging développe en ajoutant aux systèmes CCI complets d'autres composants matériels: des caméras industrielles Cmos et InGaAs appropriées, des éclairages, des dispositifs optiques, des cartes d'acquisition d'images et des ordinateurs de vision industrielle.

Vers la vision industrielle 4.0

Avec ce système complet, les solutions hyperspectrales travaillent en temps réel, avec une capacité de calcul de plus de 200 millions de points spectraux par seconde. Les différentes interfaces courantes –CameraLink et GigE Vision– du système de vision,permettent de connecter des caméras de différents fabricants. Stemmer Imaging commercialise ces systèmes CCI depuis janvier 2016.

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Exemple d'un système hyperspectral complet de Stemmer Imaging incluant caméra, éclairage, optique, cartes d'acquisition et ordinateur de vision industrielle. Sur l'écran, on aperçoit la prise hyperspectrale d'un objet-test.

Stemmer Imaging

Selon M. Jörg Schmitz, responsable grands comptes senior chez Stemmer Imaging, « si on observe l'évolution des sys-tèmes de vision,on peut définir les systèmes de prise de vue monochrome comme étant la première étape de l'évolution de cette technologie. Et après les systèmes de vision couleur, puis 3D,qui ont suivi,les systèmes hyperspec-traux représentent aujourd'hui l'étape ultime, pour ainsi dire la vision 4.0. » M. Schmitz voit déjà se dessiner des exemples très intéressants d'applications de ces systèmes hyperspectraux et a même déjà des idées concrètes de « la manière avec laquelle, grâce à cette technique,nous pouvons proposer à nos clients des solutions fiables à des problèmes jusqu'ici quasiment insolubles ». Les systèmes hyperspectraux de Stemmer Imaging basés sur la technologie logicielle de Perception Park ont été présentés lors de la première édition de la C o n f e r e n c e on Hyperspectral Imaging in Industry (CHII 2016) qui s'est déroulée les 15 et 16 juin 2016 à Graz, ainsi qu'au SalonAutomatica qui s'est tenu du 21 au 24 juin 2016 à Munich.