A máquina supera o homem: imagem hiperespectral permite a inspeção de coisas invisíveis



A imagem hiperespectral tem se tornado cada vez mais popular nos últimos dez anos nas arenas militar, industrial e científica. A capacidade de caracterizar com precisão a cor de um item visualizado, seja ele um veículo camuflado, um hematoma no braço ou mesmo uma pequena fruta, ou uma ampla faixa de vegetação, permite ao usuário tomar decisões informadas com as quais apenas sonhou no passado. O que antes exigia espectrômetros de laboratórios grandes, delicados e caros, agora está sendo feito em tempo real a bordo de satélites, veículos aéreos não tripulados e unidades portáteis de mão (drones).


Imagem hiperespectral é a captura e processamento de uma imagem em um grande número de comprimentos de onda. Enquanto a imagem multiespectral pode avaliar uma imagem em três cores (vermelho, verde e azul), a hiperespectral divide-a em dezenas ou centenas de cores.


Existem duas áreas de tecnologia amplamente definidas que permitiram o desenvolvimento e o avanço da imagem hiperespectral: o desenvolvimento de redes de difração baratas e de alta qualidade e os avanços no processamento de dados de dimensões múltiplas. Para ver como essas tecnologias melhoraram o estado da imagem hiperespectral, é necessário dar uma breve olhada em como a maioria dos sistemas atuais opera. A maioria das empresas que oferecem instrumentos ou serviços envolvendo a captura de imagens hiperespectrais têm abordagens exclusivas e proprietárias que as distinguem umas das outras.


A maior parte dos sistemas de imagem hiperespectral consiste em óptica de imagem, uma fenda estreita, uma rede de difração e um detector de matriz de plano focal, também denominada como focal plane array (FPA). A imagem é projetada através da fenda na grade de difração, onde a luz é dividida em comprimentos de onda discretos e fisicamente separados antes de ser projetada na matriz de plano focal. Uma dimensão do FPA corresponde ao comprimento de onda da luz, conforme separado pela rede de difração. A outra dimensão corresponde à posição “vertical” ao longo da fenda.


Em cada coordenada XY, um pixel é energizado em algum nível, com base na intensidade da luz naquela posição e comprimento de onda. O que resulta, por fim, é uma matriz tridimensional (posição na fenda, comprimento de onda e intensidade) para cada largura de fenda estreita. Ao indexar a largura da fenda, pode-se mapear a imagem inteira em uma matriz quadridimensional. Esta indexação pode ser feita movendo a fenda ou movendo o dispositivo sensor.


Cada material possui uma assinatura espectral específica que pode ser empregada como uma espécie de ‘impressão digital’ para sua identificação única. Portanto, a imagem hiperespectral encontra uma ampla gama de aplicações em sensoriamento remoto graças à sua capacidade distanciada e não destrutiva de reconhecimento dos componentes da matéria. A imagem hiperespectral é empregada em diferentes campos, como astronomia, agricultura, biologia molecular, imagem biomédica, mineralogia, geologia, física, patrimônio cultural, processamento de alimentos, meio ambiente e vigilância.


As diferentes colorações de vermelho, verde e azul se devem ao fato de que a luz refletida dos objetos cai em faixas de comprimento de onda separadas no espectro visível da radiação eletromagnética(isto é, comprimentos de onda longos, com pico próximo a 564-580 nm para o vermelho; comprimento de onda médio, pico próximo a 534-545 nm para o verde; e luz de comprimento de onda curto, próximo a 420–440 nm para o azul; isso é tudo o que nossos olhos humanos podem perceber, mas há muitos comprimentos de onda não cobertos pelo espectro visível que são facilmente perdidos ou que são permanentemente invisíveis aos nossos olhos.


Possibilidades de aplicação


Sensoriamento Remoto: Na tecnologia de sensoriamento remoto, é muito importante distinguir as características da superfície terrestre, cada característica tem uma faixa de espectro diferente. Os satélites multi-espectrais podem captar imagens em bandas menores. Mas satélites multiespectrais podem capturar a superfície terrestre em mais de 200 bandas, o que ajuda o cientista a diferenciar objetos que não eram possíveis em imagens multiespectrais devido à resolução espectral.


Estudo de Viabilidade de Semente: usando a imagem hiperespectral e traçando o espectro de refletância, pode-se concluir se essas sementes são viáveis ​​ou não. A semente pode parecer a mesma a olho nu, mas sua viabilidade será melhor rastreada pela imagem hiperespectral.


Monitoramento Ambiental: imagens hiperespectrais estão se tornando amplamente populares para rastrear mudanças no ambiente. É comumente usado para entender as emissões de CO2 na superfície, mapear formações hidrológicas, rastrear níveis de poluição e muito mais.


Alimentos: a imagem hiperespectral é amplamente utilizada no setor de alimentos. É utilizado em diferentes possibilidades na indústria alimentar, como na detecção de hematomas em maçãs, frescura do peixe, inspeção de frutas cítricas, distribuição de açúcares em melões e classificação de batatas. Por exemplo, o hematoma da maçã não é visível no estágio inicial e leva alguns dias para mostrar a marca de cor escura. Nesse tipo de cenário, técnicas de imagem hiperespectral podem ser utilizadas para rastrear o estágio inicial da contusão para o controle de qualidade.


Produtos farmacêuticos: A técnica de imagem hiperespectral é amplamente utilizada para melhorar o controle de qualidade. É amplamente utilizado para controlar as drogas falsificadas ou ilegais, gerenciando a embalagem do medicamento e a mistura do pó.


Diagnóstico médico: a detecção precoce e a prevenção de doenças são muito importantes para um corpo saudável. A tecnologia de imagem hiperespectral pode ser usada para detectar o início de vários tipos de câncer ou doenças da retina.


Ciência forense: a tecnologia de imagem hiperespectral pode diferenciar a resolução espectral fina, o que a torna adequada em laboratórios forenses. Pode ser utilizado de diferentes maneiras: análise de documento questionado, investigação de incêndio criminoso, visualização de mancha de sangue, comparação de fibra, resíduo de pólvora, visualização, exame de fita adesiva, aprimoramento de impressão digital e visualização de placa de TLC. Por exemplo, a tecnologia de imagem hiperespectral pode diferenciar entre marcas escuras e manchas de sangue. Esse tipo de diferenciação é muito importante para o sistema judiciário no que concerne às resoluções de crimes.


Petróleo e Gás: A tecnologia de imagem hiperespectral é amplamente utilizada na exploração de petróleo e gás. É possível detectar infiltrações de óleo no solo, identificar e quantificar a mineralogia da superfície do núcleo da rocha de uma forma analítica rápida e não destrutiva, além de coletar dados de toda a superfície para uma profunda análise de mineralogia em uma ampla área ou, ainda, realizar medições pontuais.