Menschen betrachten Oberflächen oft zu oberflächlich. Denn Aufbau und Struktur verraten viel über die Gegenstände, die wir betrachten. Theoretisch könnten wir sogar Herkunft und Qualität erkennen. Diese Theorie setzt HawkSpex® Mobile nun erstmals in die Praxis um. Mit Hilfe einer einfachen App auf dem Smartphone wird es bald möglich sein, den berühmten sechsten Sinn immer dabei zu haben und sich mit Hilfe der Lichtspektroskopie umfassend informieren zu lassen. Die Bioqualität von Obst, die Herkunft von Kosmetika oder die Bedürfnisse einer Pflanze lassen sich einfach »einscannen«.

Hallo Herr Prof. Seiffert, es gibt Medien, die bezeichnen Sie etwas salopp als »Schneewitchen-Retter«.

Es gab in letzter Zeit in der Tat eine Vielzahl von TV- und Zeitungsberichten, die über HawkSpex® Mobile berichtet haben. Mit der Fokussierung auf das Erkennen des Reifegrades und der Bioqualität eines Apfels ist unsere Arbeit aber nur recht unzulänglich beschrieben.

Es ging dabei darum, dass man mit Hilfe Ihrer App vielleicht sogar einen vergifteten Apfel erkennen kann.

Am Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF haben wir eine Methode entwickelt, ein handelsübliches Smartphone durch eine spezielle App als angepasste Inhaltsstoffkamera zu verwenden. Damit wird es möglich, Oberflächen so zu analysieren, dass Sie Auskunft darüber erhalten, um was es sich genau handelt und welche Qualität das Objekt hat. Die App hätte also den mit Gift eingeriebenen Apfel von Schneewitchen wohl erkannt.
Aber die Anwendungen reichen deutlich weiter: Das geht vom – bleiben wir dabei – der Beurteilung eines Obstes – über das Erkennen von Kaffeesorten oder der personalisierten Empfehlung von Pflegeprodukten bis hin zu kaum sichtbaren Unterschieden im Autolack, die auf die Reparatur einer alten Delle hindeuten.

Um das möglich zu machen, brauchen Sie zwei Komponenten: Zum einen müssen Sie der App beziehungsweise dem Smartphone beibringen, die Oberfläche zu analysieren. Und zum anderen brauchen Sie eine Datenbank, die bei der Bestimmung der Details hilft.

Genauso ist es. Wir haben eine Methode entwickelt, wie wir mit einfachen Mitteln über das Handy eine Art hyperspektrale Analyse durchführen können. Eine derartige Analyse ist normalerweise nur mit Hilfe sehr teurer Hyperspektralkameras möglich. Und wir haben die Struktur einer intelligenten Datenbank aufgebaut, in der die Referenzen hinterlegt sind.

Wie gut funktioniert dieses Nachahmen der Arbeit einer oftmals mehrere Hunderttauschend Euro teuren Spektralkamera.

Natürlich erreichen wir in der Spitze nicht die Aufnahmequalität von Spezialkameras. Der vielleicht größte Nachteil ist, dass wir natürlich nur den Bereich des sichtbaren Lichts nutzen können. Denn Smartphones nutzen nur dieses Spektrum. Viele zusätzliche Informationen könnten wir aus anderen Spektren ableiten. Dabei wäre vor allem infrarotes Licht ideal, welches Mobiltelefone nicht bieten können. Aber wenn man davon absieht, reichen Handy, sichtbares Licht und Datenbank aus, um Oberflächen zuverlässig zu erkennen und in zahlreichen Anwendungen konkrete Aussagen zu treffen.

Die App nutzt das Display des Smartphones, um schnell hintereinander eine Sequenz verschiedener, genau definierter Farben zu erzeugen. Dieses Licht trifft dann auf die zu untersuchende Oberfläche. Sie brauchen also keine zusätzliche Hardware.

Das Licht reflektiert von der Oberfläche, über die das Smartphone gehalten wird und wird dann durch die Frontkamera aufgenommen. So entsteht in wenigen 100 Millisekunden ein Spektralbild. Und diese Bilder sind so charakteristisch für bestimmte Oberflächen wie ein Fingerabdruck. Wir sprechen deshalb auch hier von einem »spektralen Fingerabdruck«.

Aber jede Handykamera arbeitet letztlich mit leicht unterschiedlichen Farben. Displays und Kameras sind verschieden.

Auch für dieses Problem haben wir eine Lösung gefunden. Wir bitten die Nutzer, ihr Smartphone beim ersten Einsatz von HawkSpex® Mobile zu kalibrieren. Sie sollen dafür etwas nutzen, was definitiv eine einheitliche Farbgebung hat: Geldscheine. Für eine zunehmende Anzahl von Währungen sind die Referenzdaten im System hinterlegt und wir können die einzelnen Abweichungen der jeweiligen Smartphones durch die Kalibrierung ausgleichen. Nach dieser Kalibrierung ist es möglich, selbst einfache Unterarten bestimmter Objektgattungen zunächst theoretisch so exakt zu analysieren, dass wir beispielsweise Sorte und Herkunft bestimmen können.

Wieso »zunächst theoretisch«?

Weil das Bestimmen eines Fingerabdrucks, sei es von Obst, einer Kosmetik oder einem Kleidungsstück oder die Lackoberfläche eines Gebrauchtwagens und selbst Medikamente nur eine Seite der Medaille ist. Zu einem erfolgreichen Erkennen gehört eben auch die Zuordnung dieses Fingerabdrucks …

Jetzt sprechen wir über die eingangs erwähnte Datenbank …

... Richtig.  Die entsprechende Signatur muss auch in einer Datenbank hinterlegt sein. Letztlich brauchen wir also eine Datenbank mit unterschiedlichen Oberflächen von vielen verschiedensten Gegenständen, um ein einfaches Erkennen durchzuführen. Erst wenn dieser Fingerabdruck hinterlegt ist, können Sie mithilfe der App sofort erkennen, um welche Sorte beispielsweise eines Apfels es sich handelt: Wie frisch ist er, wie steht es um den Reifegrad? Ist das Obst gespritzt oder biologisch angebaut?

Um diese Datenbank aufzubauen, werden Sie vermutlich eine KI einsetzen.

Unser System muss systematisch lernen können. Nur mit Hilfe einer KI lassen sich Datenmengen wie Informationen zu Oberflächen für diese Anwendung verarbeiten. Für das »Füllen« der Datenbank setzen wir übrigens auch auf die Anwender, die diese App nutzen wollen. Sie können durch ihre Scans und einzelne Angaben zum Scan dazu beitragen, die Datensätze zu vervielfachen.

Wann werden wir HawkSpex® Mobile in der Drogerie, am Obststand oder beim Gebrauchtwagenhändler nutzen können?

Die Technik ist ausgereift, auch erste Datenbanken existiert. Das werden wir im Übrigen auch auf der jetzt anstehenden CEBIT 2018 am Beispiel der Suche nach versteckten Lackschäden am Auto demonstrieren. Danach aber ist es nicht mehr an uns Forschern bei Fraunhofer, sondern an der Industrie, ein entsprechendes Produkt zur Marktreife zu führen. Nachdem Gespräche mit einer Reihe von Unternehmen aber bereits sehr positiv verlaufen sind, dürfte es nicht mehr allzu lange dauern. Und wer die Zeit bis dahin überbrücken will, der kann sich eine Animation von HawkSpex® Mobile im Apple App Store beziehungsweise dem Google Play Store herunterladen.

Probieren Sie HawkSpex® Mobile auf der CEBIT 2018 aus. Halle 27, Stand E78! (aku)

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Hon.-Prof. Dr. Udo Seiffert
  • Fraunhofer-Institut für Fabrikbetrieb und -automatisierung IFF
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