ULTRIS X20 vs. ULTRIS S5 vs. FireflEYE V185
Als die FireflEYE V185 im Jahr 2012 auf den Markt kam, war sie die erste hyperspektrale Kamera, die in der Lage war, einen vollständigen hyperspektralen Datenwürfel (x, y, λ) mit einer einzigen Aufnahme zu erfassen. Die prismenbasierte Sensortechnologie ermöglichte eine Lichteffizienz von bis zu 70 %. Mit 125 Spektralkanälen (450 nm bis 950 nm) und einer Bildgröße von 50×50 Pixeln konnte die Kamera gleichzeitig 2.500 Spektren aufzeichnen. Allerdings war es aufgrund der nur 50×50 Pixel schwieriger, räumliche Strukturen im Bild aufzulösen. Um diesem Problem zu begegnen, wurde ein zweiter Sensor mit einem einzigen Band (panchromatisch) in die Kamera integriert, der denselben Blickwinkel in einer höheren Auflösung von 1000×1000 Pixeln aufnahm. Dies ermöglichte es den Nutzern, eine Panschärfung auf die Spektraldaten anzuwenden und die endgültigen Datenwürfel auf eine maximale Größe von 1000 x 1000 x 125 zu transformieren.
Heute betreten die neuen Cubert ULTRIS-Kameras Neuland als die ersten HSI-Kameras, die auf Lichtfeldtechnologie basieren. Die ULTRIS X20 verfügt über einen Ultra-HD-CMOS-Sensor mit 20 MP, was sie bei ihrer Veröffentlichung im Jahr 2021 zum weltweit höchstauflösenden Bildspektrometer machte. Während der Bildaufnahme wird das Objekt mit einer Vielzahl von Bildern erfasst, von denen jedes seinen eigenen optischen Bandpassfilter mit einer anderen Zentralwellenlänge hat.
Je nach ULTRIS-Kameramodell wird dies durch die Kombination eines Linsenarrays mit einem Mosaikbandpassfilter (ULTRIS X20) oder einem kontinuierlich variablen Bandpassfilter (ULTRIS S5) erreicht. Die ULTRIS X20 bietet eine native Bildauflösung von 410 × 410 Pixeln mit 164 Spektralkanälen, die den Wellenlängenbereich von 350 nm bis 1000 nm kontinuierlich abdecken und eine bisher unerreichte Anzahl von 168.000 Spektren pro Bild gleichzeitig erfassen. Die ULTRIS S5 bietet eine native Bildauflösung von 290 x 275 Pixeln mit 51 Kanälen und deckt den Bereich zwischen 450 nm und 850 nm ab. Die 12-Bit-Sensoren der Kameras ermöglichen es, kleinste Intensitätsunterschiede im Spektralinhalt zu erkennen, während das Rauschniveau niedrig gehalten wird. Die GigE-Kameraschnittstelle sorgt für eine Bildfrequenz (modellabhängig) von bis zu 8 Hz bzw. 15 Hz.
Die Messungen wurden jedoch ohne Mittelung oder Nachbearbeitung erfasst, um einen direkten Vergleich der Daten zu ermöglichen. Die Bilder werden in ihrer ursprünglichen Form präsentiert, ohne das Spektralbild zu schärfen oder zu glätten, um die tatsächliche spektrale Qualität jedes Sensors zu zeigen.
Das oben gezeigte Bildvergleichsdiagramm zeigt Mengen, die aus den hyperspektralen Datenwürfeln abgeleitet wurden. Die erste und zweite Reihe zeigt typische RGB-Bilder (Echtfarbe) und CIR-Bilder (Color Infrared). Die untere Reihe zeigt einen typischen Index, der für die Vegetationsanalyse verwendet wird. Jedes Pixel der verschiedenen Bilder repräsentiert eine spektrale Kurve der jeweiligen Sensoren.
Bei der FireflEYE V185 ist die geringe räumliche Auflösung offensichtlich. Andererseits ist die Farbdarstellung sehr klar, was auch durch die rauschfreien Bilder des Vegetationsindexes bestätigt wird. Die ULTRIS S5 hat zwar eine geringere räumliche Auflösung und weniger Kanäle, bietet jedoch eine ähnliche spektrale Qualität, kleine Größe und Gewicht. Ebenso ist die Kamera speziell für industrielle Anwendungen konzipiert. Die ULTRIS X20 kombiniert eine hohe räumliche Auflösung mit einer geringen Farbvariation (geringe Standardabweichung). Sowohl die Bildqualität als auch die spektrale Qualität sind ausgezeichnet, wobei das Bildrauschen auf einem vergleichbaren Niveau mit der FireflEYE V185 liegt.
Vergleich der spektralen Qualität
Der Vergleich der spektralen Qualität der drei hyperspektralen Kameras (FireflEYE V185, ULTRIS S5, ULTRIS X20) zeigt die Spektren von roten, grünen und gelben Proben zusammen mit der jeweiligen Rauschanzeige in Form der Standardabweichung. Die Diagramme veranschaulichen die spektrale Signatur von drei unterschiedlich farbigen Papierproben für jede Kamera. Die Spektren aller Pixel in einem vordefinierten Bereich mit homogener Farbe wurden gemittelt. Die Standardabweichung, die das rauschäquivalente Signal der Sensoren darstellt, wird als Fehlerbalken für jeden Kanal verwendet.
Fazit
Im Allgemeinen ist es möglich, mit der ULTRIS X20 im ultravioletten Bereich (UV) zu messen, was für bestimmte Anwendungen zusätzliche relevante Informationen liefern kann. Für diesen Vergleich wurde jedoch nur eine Halogenlichtquelle verwendet, sodass der UV-Bereich im ULTRIS X20-Diagramm ausgegraut ist.
Die Ergebnisse zeigen deutlich, dass die ULTRIS X20 die spektrale Qualität der FireflEYE V185 problemlos erreichen kann, obwohl die ULTRIS X20 eine deutlich höhere räumliche Auflösung bietet.

Über die Autorin
Dr. Viktoriya Tsyganskaya ist Head of Project Management bei Cubert GmbH und leitet seit 2018 Forschungs- und Kundenprojekte. Sie promovierte an der Ludwig-Maximilians-Universität München in Fernerkundung mit dem Schwerpunkt Radarfernerkundung und Umweltmonitoring. Viktoriya bringt umfassende Erfahrung aus ihrer wissenschaftlichen Arbeit, unter anderem im Projekt „Dikes under Pressure“, und ihre Expertise in nachhaltigen Umweltlösungen mit. Ihre fundierten Kenntnisse in der Fernerkundung machen sie zu einer wichtigen Ansprechpartnerin für innovative hyperspektrale Technologien bei Cubert.