Computational methods for hyperspectral imaging using Fabry–Perot interferometers and colour cameras
Recent research into new technologies for hyperspectral imaging has produced
small imagers capable of very fast capture of spectral and spatial information. A
design based on an electronically tunable Fabry–Perot interferometer combined
with existing camera technology has been developed by VTT and is being utilized
in novel applications, such as drone based and handheld hyperspectral imaging.
The design allows very fast capture of hyperspectral image cubes with great spatial
resolution using either a monochromatic or a colour filter array image sensor. The
latter allows imaging speed and wavelength range to be further extended by
computing multiple narrowband images from a single exposure.
This research describes the process of computing spectroscopic data using
these types of imagers and introduces software tools developed by the author
for this purpose. The included articles present solutions developed during the
research for building analysis software for hyperspectral imaging using high
level languages. They also document computational challenges that need to
be considered when utilizing colour filter arrays for hyperspectral imaging and
demonstrate the feasibility of this type of imager for use in drone based imaging
and laboratory conditions. The software libraries produced during the research
are made publicly available under free licenses to facilitate development of new
hyperspectral imaging applications using this technology.
Keywords: Hyperspectral imaging, colour filter array, Fabry–Perot interferometer,
software development, data analysis, machine learning
...
Viime aikoina uusiin hyperspektrikuvantamisen teknologioihin kohdistunut tutkimus
on tuottanut nopeita ja pieniä spektrikameroita. Suomessa VTT on kehittänyt
sähköisesti ohjattavia Fabry–Perot -interferometrejä ja olemassaolevia kamerateknologioita
yhdistäviä spektrikameroita, joita on sovellettu uusissa lennokkipohjaisissa
ja käsivaraisissa spektrikuvantamisalustoissa. Tekniikalla voidaan kuvata
spektrikuutioita nopeasti käyttämällä joko monokromaattisia tai värisuodattimilla
varustettuja kamerakennoja. Jälkimmäisten avulla useita aallonpituuskaistoja
voidaan kuvata yhdellä valotuksella, mikä lisää kuvantamisnopeutta ja kasvattaa
kuvattavissa olevaa aallonpituusaluetta.
Tämä teos käy läpi tekijän tähän tarkoitukseen kehittämät menetelmät ja
ohjelmistotyökalut. Liitetyissä artikkeleissa esitellään tutkimuksen aikana kehitettyjä
ratkaisuja spektridataa analysoivien ohjelmistojen rakentamiseen käyttäen
korkean tason ohjelmointikieliä. Tämän lisäksi artikkeleissa käydään läpi laskennallisia
haasteita, joita värisuodattimilla varustettujen kennojen käyttö tässä
yhteydessä aiheuttaa, ja osoitetaan niillä toteutettujen kameroiden soveltuvuus
lennokki- ja laboratoriosovelluksissa. Tutkimuksessa tuotettujen ohjelmistojen
avoimella julkaisulla pyritään edesauttamaan teknologian käyttöä tulevissa hyperspektrikuvantamisen
sovelluksissa.
Avainsanat: Hyperspektrikuvantaminen, värisuodatinmatriisi, Fabry–Perot interferometri,
ohjelmistokehitys, data-analyysi, koneoppiminen
...




ISBN
978-951-39-7967-6Contains publications
- Artikkeli I: Honkavaara, E., Eskelinen, M., Pölönen, I., Saari, H., Ojanen, H., Mannila, R., . . . Pulkkanen, M. (2016). Remote Sensing of 3-D Geometry and Surface Moisture of a Peat Production Area Using Hyperspectral Frame Cameras in Visible to Short-Wave Infrared Spectral Ranges Onboard a Small Unmanned Airborne Vehicle (UAV). IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 54 (9). DOI: 10.1109/TGRS.2016.2565471
- Artikkeli II: Eskelinen, M. (2017). Software Framework for Hyperspectral Data Exploration and Processing in MATLAB. In E. Honkavaara, B. Hu, K. Karantzalos, X. Liang, R. Müller, E. Nocerino, . . . , & P. Rönnholm (Eds.), ISPRS SPEC3D 2017 : Frontiers in Spectral imaging and 3D Technologies for Geospatial Solutions (pp. 47-50). International Society for Photogrammetry and Remote Sensing. DOI: 10.5194/isprs-archives-XLII-3-W3-47-2017
- Artikkeli III: Annala, L., Eskelinen, M., Hämäläinen, J., Riihinen, A., & Pölönen, I. (2018). Practical Approach for Hyperspectral Image Processing in Python. In J. Jiang, A. Shaker, H. Zhang, X. Liang, B. Osmanoglu, U. Soergel, . . . K. Komp (Eds.), ISPRS TC III Mid-term Symposium “Developments, Technologies and Applications in Remote Sensing” (pp. 45-52). International Society for Photogrammetry and Remote Sensing. DOI: 10.5194/isprs-archives-XLII-3-45-2018
- Artikkeli IV: Trops, R., Hakola, A.-M., Jääskeläinen, S., Näsilä, A., Annala, L., Eskelinen, M., . . . Rissanen, A. (2019). Miniature MOEMS hyperspectral imager with versatile analysis tools. In W. Piyawattanametha, Y.-H. Park, & H. Zappe (Eds.), Proceedings of SPIE Volume 10931 : MOEMS and Miniaturized Systems XVIII; 109310W (pp. 109310W). SPIE, The International Society for Optical Engineering. DOI: 10.1117/12.2506366
- Artikkeli V: Eskelinen, M., & Hämäläinen, J. (2019). Dangers of Demosaicing : Confusion From Correlation. In WHISPERS 2018 : 9th Workshop on Hyperspectral Image and Signal Processing, Evolution in Remote Sensing. IEEE. DOI: 10.1109/WHISPERS.2018.8747204
Keywords
Metadata
Show full item recordCollections
- JYU Dissertations [127]
- Väitöskirjat [3039]
Related items
Showing items with similar title or keywords.
-
Discovering knowledge in various applications with a novel hyperspectral imager
Pölönen, Ilkka (University of Jyväskylä, 2013) -
Miniature MOEMS hyperspectral imager with versatile analysis tools
Trops, Roberts; Hakola, Anna-Maria; Jääskeläinen, Severi; Näsilä, Antti; Annala, Leevi; Eskelinen, Matti; Saari, Heikki; Pölönen, Ilkka; Rissanen, Anna (SPIE, The International Society for Optical Engineering, 2019)The Fabry-Perot interferometers (FPI) are essential components of many hyperspectral imagers (HSI). While the Piezo-FPI (PFPI) are still very relevant in low volume, high performance applications, the tunable MOEMS FPI ... -
Piecewise anomaly detection using minimal learning machine for hyperspectral images
Raita-Hakola, A.-M.; Pölönen, I. (Copernicus Publications, 2021)Hyperspectral imaging, with its applications, offers promising tools for remote sensing and Earth observation. Recent development has increased the quality of the sensors. At the same time, the prices of the sensors are ... -
Hyperspectral Imaging of Macroinvertebrates : a Pilot Study for Detecting Metal Contamination in Aquatic Ecosystems
Salmelin, Johanna; Pölönen, Ilkka; Puupponen, Hannu-Heikki; Hämäläinen, Heikki; Karjalainen, Anna; Väisänen, Ari; Vuori, Kari-Matti (Springer Netherlands, 2018)The applicability of spectral analysis in detection of freshwater metal contamination was assessed by developing and testing a novel hyperspectral imaging (HSI) application for aquatic insect larvae (Trichoptera: ... -
Minimal learning machine in hyperspectral imaging classification
Hakola, Anna-Maria; Pölönen, Ilkka (SPIE, 2020)A hyperspectral (HS) image is typically a stack of frames, where each frame represents the intensity of a different wavelength of light. Each spatial pixel has a spectrum. In the classification of the HS image, each spectrum ...