Infrarot-Materialuntersuchung

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Grundgedanke

Damit die Untersuchung der verschiedenen Materialien möglichst zielgerichtet stattfindet, müssen vorher grob die zu untersuchenden Materialienarten festgelegt werden. Dazu gehört auch die Untersuchung der Behauptung, dass feuchte Materialien die IR-Strahlung wesentlich besser reflektieren als halbtrockene oder vollständig trockene Materialien. Diese Behauptung untersuchen wir an Hand von verschiedenen Obstsorten.

Weiterhin soll untersucht werden, ob und wie die menschliche Haut durch die Infrarotkamera darstellbar ist. Dabei wird unter anderem auch untersucht, wie sich die Reflektions- und Absorptionseigenschaften der Infrarotstrahlung ändern, wenn die Haut normal trocken ist, befeuchtet, eingecremt oder eingeölt wird. Auch andere Materiallien wurden untersucht.

Messungen

Damit die einzelnen Aufnahmen später vergleichbar und reproduzierbar sind, dient als Grundlage ein einheitlicher Messaufbau. Dabei wird die Infrarotkamera in einer Entfernung von 2m vor dem Messobjekt platziert. Die Entfernung von 2 Meter wird so gewählt, damit das zumessende Objekt, vollständig auf dem späteren Bild zusehen ist. Die IR-Kamera wird über einen Schnittstellenadapter mit dem Notebook, zur Aufzeichnung der einzelnen Bilder, verbunden. Die handelsübliche Videokamera von Sony befindet sich in der gleichen Entfernung wie die Infrarotkamera, wird aber nicht mit dem Notebook verbunden. Die Aufnahmen die die Videokamera liefert, werden mittels Adobe Premiere bearbeitet. Dies ist notwendig da die Bilder der Videokamera später mit den Bildern der IR-Kamera verglichen werden sollen.

Messaufbau IR.PNG

Die zu untersuchenden Objekte und Materialen werden in einer schwarzen Plastikkiste aufgestellt und untersucht. Die schwarze Plastikkiste dient zum einen dazu, dass dunkle Flächen die IR-Strahlung weniger bis gar nicht reflektieren und zum anderen ist für die Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit der Ergebnisse ein einheitlicher Hintergrund zwingend notwendig.


Einstellungen

Damit die einzelnen Messungen nicht verfälscht werden, später noch leicht reproduzierbar und vergleichbar sind, müssen einige Grundeinstellungen der Infrarotkamera vorher fest getroffen werden.

  • Manual Gain Control
  • Belichtungszeit: 1/125 ms
  • komplett abgedunkelter Raum
  • Belichtung: IR-Scheinwerfer
  • IR-Filter: Aufnahme 1 (ohne); Aufnahme 2 (780nm); Aufnahme 3 (830nm)


Verwendeten Materialien

Untersuchte Materiallien.PNG

Nähere Materialbetrachtungen

Die ersten Materialaufnahmen ließen vermuten dass manche Materialen wesentlich besser Infrarotstrahlen reflektieren bzw. absorbieren als wiederum andere.

Nachfolgend werden alle Materialaufnahmen näher untersucht, die schon während der Untersuchung, mittels Infrarotkamera vielversprechende Ergebnisse erahnen ließen. Um die nachfolgenden Materialaufnahmen übersichtlich darstellen zu können und auf die Ergebnisse eingehen zu können verwenden wir die Infrarotaufnahmen, die mit dem 830nm Infrarotfilter gemacht wurden.

Pflanzen

Infrarotkammeras können die die Absorption bzw. Reflexion der Infrarotstrahlung des Chlorophylls messen und analysieren. Chlorophyll ist der Hauptbestandteil von Organismen, die Photosynthese betreiben. Insbesondere Pflanzen erlangen ihre grüne Farbe durch Chlorophyllmolekühle. Es existieren mehrere Chlorophyllmolekühlarten. Die wichtigsten sind Chlorophyll a und Chlorophyll b.

Die verwendeten Pflanzen absorbieren die Infrarotstrahlung sehr gut und geben sie auch gleichzeitig wieder ab und sorgen damit für eine sehr gute Sichtbarkeit im Infrarotbereich. Diese sehr gute Sichtbarkeit lässt sich auf den Chlorophyllgehalt der Pflanzen zurückführen. Strukturell sind Chlorophylle mit den Hämen verwandt, welche als Bestandteil des Blutfarbstoffs Hämoglobin auftreten. Dies ist vermutlich für die gute Sichtbarkeit der Chlorophylle als auch des Hämoglobin bzw. des Blutes im Infrarotbereich verantwortlich

Farbige Filze

Die Messreihe mit den farbigen Filzen ergab, dass alle Filze die Infrarotstrahlung gleichmäßig stark reflektieren bzw. absorbieren. Dies hängt mit der Beschaffenheit der Filze zusammen. Unsere Filze sind alle aus Schafswolle hergestellt. Verwenden wir unterschiedliche Filzarten, z.B. Filze aus Hanf, Seide, Jute oder Kokus, dann würden sich erkennbare Unterschiede ergeben. So ist es nur möglich festzustellen, dass sich der Innere Aufbau und die einzelnen Fasern der Filze nicht unterscheiden. Die Filze wurden in einzig und allein in verschiedene Farben getaucht um sie zu färben. Unseren Messreihen zu Folge hat dieses Färben wenig bis kaum einen nennenswerten Einfluss auf die Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften der Filze.

Der Infrarotscheinwerfer ist für die ungleichmäßige Ausleuchtung der farbigen Stoffe verantwortlich. Es wird dadurch der Anschein erweckt, dass der blaue bzw. der grüne Filz die Infrarotstrahlen intensiver reflektieren als die übrigen Filze. Dies ist nicht der Fall. Alle Filze reflektieren bzw. absorbieren die Infrarotstrahlung gleichmäßig stark.

linkes Bild: Aufnahme Digicam, rechtes Bild: IR-Aufnahme


Obst

Zum einen betrachteten wir das Obst als ganzes und zum anderen betrachteten wir das Obst in der Mitte durchgeschnitten.

Zunächst führten wir die Messreihe mit dem ganzen frischen Obst durch. Dabei wurde gut sichtbar, dass die Schale des Obstes, nicht mit zunehmender Dunkelheit der Materialen bessere IR-Bilder liefert, sondern dass auch die helle Orange sehr strukturiert und deutlich sichtbar erscheint. Wir begründeten dies mit dem hohen Wasseranteil, den die Orange in sich trägt. Sehr dunkel stellt sich auch die Oberfläche der Tomate dar. Ähnlich wie bei der Orange liegt bei der Tomate die gleiche Begründung, für die gute Infrarotaufnahme der Kamera vor. Die Banane hingegen hat einen geringen Wasseranteil und dafür einen höheren Stärkeanteil, deswegen wird sie nicht so strukturiert dargestellt. Der untere Teil der Banane ist durch ihren eigenen Schattenwurf dunkel dargestellt. Ohne die Krümmung der Banane und dem daraus nicht resultierenden Schattenwurf wäre dieser gleich hell wie der obere Teil. Natürlich ist der Infrarotstrahler auch so ausgerichtet, dass die Mitte des Bildes besser ausgeleuchtet wird. Die Oberfläche der Gurke ist sehr glatt und reflektiert die Infrarotstrahlen sehr gut. Dadurch ist sie im unteren Bereich etwas heller dargestellt. Im oberen Bereich ist sie dagegen etwas dunkler dargestellt. Die Schale der Annanas ist dicker als die der Gurke oder die der Orange. Durch ihre Struktur reflektiert sie besser, dies hat zur Folge dass sie heller dargestellt wird. An den Stellen an denen die Schale dünner ist, ist auch die Infrarotaufnahme der Kamera besser sichtbar. Das gleiche gilt für den Strunk der Annanas. Je dünner die Schale desto strukturierter wird sie dargestellt. Dies hängt mit dem hohen Wasseranteil der Annanas zusammen, der direkt unter den dünnen Stellen der Schale der Annanas hervortritt.

linkes Bild: Aufnahme Digicam, rechtes Bild: IR-Aufnahme


Als nächstes betrachten wir das frische Obst halbiert. Hier ist der Unterschied zum ganzen Obst sehr deutlich. Sowohl die Orange als auch die Annanas speichern sehr viel Wasser. Dieser hohe Wasseranteil wird in den Infrarotbildern mit einer sehr gut sichtbaren Struktur dargestellt. Im oberen Bereich ist die Annana sehr hell, fast schon glänzend dargestellt. Hierfür ist der Infrarotscheinwerfer verantwortlich, der die Annanas im oberen Bereich genau anstrahlt. Gut sichtbar ist auch der untere Teil des Strunkes der Annanas, da dieser ähnlich viel Wasseranteil besitzt wie die Annanas an sich. Die Gurke mit ihrem hohen Wasseranteil lässt sich ebenfalls sehr gut in den Infrarotbildern darstellen. Bei ihr ist der Innere Aufbau sehr ausgeprägt und detailliert sichtbar. Sowohl wie die Gurke, besitzt auch die Tomate einen hohen Wasseranteil. Demnach wird sie in den Infrarotaufnahmen klar dargestellt. Bei ihr ist jedoch die detaillierte Struktur wenig zu sehen, da sie zum einen um ein paar Grad nach hinten geneigt ist und zum anderen von vornherein eine weniger aussagekräftige Struktur aufweist als die Orange oder die Gurke. Früchte mit weniger Wasseranteil, wie beispielsweise die Banane werden in den Aufnahmen sehr hell dargestellt. Ihrer Struktur ist im Gegensatz zu den anderen Obstsorten kaum bis gar nicht sichtbar dargestellt.

linkes Bild: Aufnahme Digicam, rechtes Bild: IR-Aufnahme


Haut

Als weitere Messreihe wird die menschliche Haut in unterschiedlichen Stufen herangezogen. Es werden mehrere Messreihen durchgeführt. Zum einen mit trockener Haut, mit befeuchteter Haut, mit eingecremter Haut und zum Schluss noch mit öliger Haut.

Zunächst wird die Messreihe mit trockener Haut durchgeführt. Durch die Infrarotaufnahmen der trockenen Haut sind die einzelnen Sehnenstränge, vor allem diejenigen, die vom Ellenbogengelenk ausgehend sich zum Handballen erstrecken, sehr gut erkennbar. Weiterhin deutlich sichtbar sind die Arterienstrukturen der Handfläche, vor allem vom Handballen zum Daumen. Dass die Arterien so gut sichtbar sind, hängt mit den Inhaltsstoffen des Blutes zusammen. Das Blut besteht aus festen und flüssigen Bestandteilen. Die festen Bestandteile machen ca. 45 Prozent des Gesamtvolumens aus. Darunter zählen die Blutzellen, die Erythrozyten, die Leukozyten und die Thrombozyten. Die flüssigen Bestandteile sind für die gute Sichtbarkeit im Infrarotbereich verantwortlich. Sie bezeichnet man als Plasma. Das Plasma ist eine zu 90 Prozent aus Wasser bestehende Lösung, die Eiweise, Nährstoffe, Salze, Stoffwechselprodukte, Enzyme und Hormone enthält. Einen nicht unerheblichen Anteil, an der guten Sichtbarkeit im Infrarotbereich, trägt der menschliche Körper selbst dazu bei. Der menschliche Körper besteht zu ca. 70 Prozent aus Wasser, dadurch ist dieser selbst für die gute Sichtbarkeit unter der Infrarotkamera hervorragend geeignet.

linkes Bild: Aufnahme Digicam, rechtes Bild: IR-Aufnahme trockene Hand


Als weitere Messreihe wird die menschliche Haut mit Leitungswasser befeuchtet. Durch den höheren Wasseranteil auf dem Gewebe und wegen des hohen Wasseranteils von ca. 70 Prozent im menschlichen Körper, ist die Haut noch detaillierter abbildbar, mittels Infrarotkamera. Die Hand wird etwas sichtbarer dargestellt, als mit trockener Haut. Wie auch schon bei den Messreihen mit dem aufgeschnittenen Obst erkennbar, wird das Obst mit zunehmendem Wasseranteil immer strukturierter dargestellt. Dies ist hier ähnlich. Bei den Messreihen mit der menschlichen Haut spielt es jedoch keine Rolle ob das Wasser sich im Gewebe befindet oder ob die Haut nur oberflächlich mit Wasser benetzt wird. Es ist nur von Wichtigkeit wie hoch der Wasseranteil, auf bzw. in der Haut ist.

linkes Bild: Aufnahme Digicam, rechtes Bild: IR-Aufnahme befeuchtete Hand


Die menschliche Haut wird für die folgende Messreihe mit einer Fett-Creme eingecremt. Die eingecremte Haut erscheint wesentlich heller auf den Infrarotaufnahmen als die vorherigen Messreihen. Auch in der späteren Binarisierung ist deutlich erkennbar, dass die eingecremte Haut fast genauso gut sichtbar ist, wie die folgenden Messreihen mit der öligen Haut. Die hauchdünne Fett Schicht auf der Haut reflektiert einen Großteil der Infrarotstrahlen. Diese Reflexion ist viel intensiver als bei den vorherigen Messreihen mit trockener bzw. befeuchteter Haut.

Dadurch sind weniger Strukturen der Haut auf der Infrarotaufnahme zu sehen als dies noch bei der befeuchteten Haut der Fall war. Auch die Arterienvielfalt ist weniger deutlich ausgeprägt als bei den vorher gehenden Messreihen. Also kann durchaus auch bei besserer Reflexion von schlechterer Stukturdarstellung gesprochen werden.

linkes Bild: Aufnahme Digicam, rechtes Bild: IR-Aufnahme cremige Hand


Als letzte Messreihe wird ein Sonnenblumenöl auf die Haut aufgetragen. In der Infrarotaufnahme ist deutlich zusehen, dass das Öl sowohl eine reflektierende als auch eine absorbierende Wirkung zeigt. Die Struktur der Arterien und der Muskeln ist sehr gut zu sehen. Auch die Strukturen der Haut mit Ihren Vertiefungen und Erhöhungen ist ausgesprochen deutlich in der Infrarotaufnahme erkennbar. Der Vergleich mit der Infrarotaufnahme der befeuchteten Haut zeigt, dass die Struktur der öligen Haut deutlich besser zu erkennen ist.

linkes Bild: Aufnahme Digicam, rechtes Bild: IR-Aufnahme ölige Hand


Bildbearbeitung

Damit die Materialaufnahmen und ihre Auswertungen auch wissenschaftlich belegbar sind, mussten die Aufnahmen zunächst bearbeitet werden. Für die Auswertung der Aufnahmen wurde das Bildbearbeitungsprogramm Adobe Photoshop herangezogen.

Binarisierung

Für eine genaue wissenschaftliche Bewertung der Aufnahmen sind nur kleine Einstellungen der Software verwendet worden. Zunächst ist das Infrarotbild über das Programm binarisiert worden. Anschließend wurde der Schwellenwert der Binarisierung so geändert, dass die Weißanteile immer weniger wurden. Somit konnte genau erforscht werden, welche Materialien im Infrarot am Deutlichsten zu erkennen sind.

linkes Bild: Aufnahme IR-Kamera, rechtes Bild: binarisiertes IR-Bild

Binarisierung ist ein Verfahren zur Anwendung einer digitalen Rastergrafik. Deren Pixel können nur die beiden Farben Schwarz oder Weiß annehmen. Jedes Pixel kann somit also mit einem Bit gespeichert werden.

Schwellwertänderung

Der Schwellenwert ist ein typischer Begriff für Binärbilder. Je nach Wert dieses Schwellwertes liegt jeder einzelner Bildpunkt, also jedes Bildpixel, im Bereich „Weiß“ oder im Bereich „Schwarz“. Je niedriger dieser Schwellwert, desto mehr Bildpunkte ordnen sich dem Bereich „Weiß“ zu. Also je höher dieser Schwellwert, desto mehr Bildpunkte ordnen sich dem Bereich „Schwarz“ zu. Diese Erkenntnis kann der Abbildung bewiesen werden.

IRMessung Schwellenwertaenderung.jpg

Der Schwellenwert wurde nach und nach erhöht.

Auswertung

Nun ist es ohne Probleme möglich, alle Materialaufnahmen zu analysieren und zu beobachten, welches Bild bei welchem Schwellenwert sich ganz, teilweise oder gar nicht mehr ändert.

Pflanzen

Zur Auswertung der Pflanzenaufnahmen lässt sich sagen, dass je mehr Chlorophyll eine Pflanze enthält, desto besser sind ihre Absorptionseigenschaften. Die Hauptbestandteile des Chlorophylls einer Pflanze, Chlorophyll a und Chlorophyll b weist ein sehr gutes Absorptionsspektrum zwischen 600nm und 700nm auf. Somit ist es unter der Infrarotkamera sehr gut sichtbar.

Farbiger Filz

Alle Filze reflektieren die Infrarotstrahlung gleichmäßig stark beziehungsweise absorbieren sie gleichmäßig stark. Die weitere Auswertung ergab dass dieses Verhalten mit der Beschaffenheit der Filze zusammen hing. Unsere Filze sind alle aus Schafswolle hergestellt. Würden jedoch verschiedene Filzarten, zum Beispiel Filze aus Hanf, Seide, Jute oder Kokos, zum Vergleich vorhanden sein, dann würden sich erkennbare Unterschiede ergeben.

Durch unsere Messungen konnten wir festhalten dass der Innere Aufbau und die einzelnen Fasern der Filze deutliche Unterschiede der Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften hervorrufen. Weiterhin wurde ersichtlich, dass das Färben wenig bis kaum einen nennenswerten Einfluss auf die Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften der Filze.

Obst

Die Auswertung der Infrarotaufnahmen des ganzen Obstes liefert uns, dass Obst mit geringem Wasseranteil auch deutlich matter dargestellt wird. Dies wird anhand der Banane sichtbar. Diese weist einen hohen Stärkeanteil und nur einen geringen Wasseranteil auf und wird daher unstrukturierter dargestellt. Eine weite Erkenntnis ist, dass je dicker die Schale der Frucht bzw. des Obstes ist, desto weniger wird die Infrarotstrahlung reflektiert. Dies kann man sehr deutlich am Beispiel der Ananas im Vergleich zur Gurke oder Orange erläutern. Da die Schale einer Ananas deutlich dicker und stärker ist als die Schale einer Gurke oder die einer Orange, wird die Ananas deutlich heller dargestellt. Daraus lässt sich schließen, dass je dünner die Schale einer Frucht oder eines Obstes ist, desto dunkler werden diese Stellen dargestellt. Diese Erkenntnis gilt auch für den Strunk der Ananas. Die strukturierte Darstellung der Frucht hängt mit dem hohen Wasseranteil der Ananas zusammen, der direkt unter den dünnen Stellen der Schale der Ananas hervortritt.

Weist das Obst einen hohen Wasseranteil auf, lässt es sich mithilfe der Infrarotkamera detailliert strukturiert darstellen. Weist das zu untersuchende Obst einen geringen Wasseranteil auf, so wird es im Infrarotbereich sehr matt und nur wenig strukturiert dargestellt.

Haut

Auswertung Materialuntersuchung IR.PNG

Die einzelnen Sehnenstränge, die sich dicht unter der Hautoberfläche sich befinden sind in den Infrarotaufnahmen sehr gut sichtbar. Auch die Arterienstrukturen, die sich ebenfalls dicht unter der Hautoberfläche befinden, vor allem vom Handballen zum Daumen, lassen sich sehr gut erkennen.

Die nächste Auswertung der Messreihe bezieht sich auf die befeuchtete Haut mit Leitungswasser. Durch den höheren Wasseranteil auf dem Gewebe und wegen des hohen Wasseranteils von ca. 70 Prozent im menschlichen Körper, ist die Haut noch detaillierter abbildbar. Nachdem sich mehr Wasser auf der Hautoberfläche befindet als dies noch bei trockener Haut der Fall war, wird die Haut entsprechend sichtbarer. Dies lässt eine Parallele zur Auswertung des aufgeschnittenen Obstes erkennbar. Mit zunehmendem Wasseranteil wurde die Struktur des Obstes deutlicher sichtbarer.

Die hauchdünne Fett Schicht auf der eingecremten Haut reflektiert einen Großteil der Infrarotstrahlen. Diese Reflexion ist viel intensiver als bei den vorherigen Messreihen mit trockener bzw. befeuchteter Haut. Dadurch sind weniger Strukturen der Haut auf der Infrarotaufnahme zu sehen als dies noch bei der befeuchteten Haut der Fall war. Auch die Arterienvielfalt ist weniger deutlich ausgeprägt als bei den vorher gehenden Messreihen.

Nun folgt die Auswertung der eingeölten Hautoberfläche. Die Hautoberfläche wurde mit Sonnenblumenöl eingeölt. Die Auswertung der Infrarotaufnahme ergibt, dass das Öl sowohl eine reflektierende als auch eine absorbierende Wirkung zeigt. Die Struktur der Arterien und der Muskeln ist sehr gut zu sehen. Auch die Strukturen der Haut mit Ihren Vertiefungen und Erhöhungen ist ausgesprochen deutlich in der Infrarotaufnahme erkennbar. Im Vergleich mit der Auswertung der Infrarotaufnahme der befeuchteten Haut wird deutlich, dass die Struktur der öligen Haut deutlich besser zu erkennen ist.