Anwendungsberichte

Auf dem Grund des Meeres

Meeresforschung mit USB 3.0-Industriekameras von IDS

Klimaforschung mit uEye USB Kameras

Die Ozeane spielen für globale Klimaänderungen auf unserer Erde eine zentrale Rolle. Marine Organismen und die Struktur ihrer Lebensgemeinschaften in der Wasser­säule bzw. auf oder im Meeresboden geben uns also wichtige Hinweise auf zukünftige klimatische Entwicklungen. Dies bezieht sich auf Schwankungen natürlicher Art aber auch auf durch den Mensch hervorgerufene.

Eine der führenden Einrichtungen auf dem Gebiet der Meeresforschung in Europa ist das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel. Aufgabe des Instituts ist die Untersuchung der chemischen, physikalischen, biologischen und geologischen Prozesse im Ozean und ihre Wechselwirkung mit dem Meeresboden und der Atmosphäre.

Dafür wurde am Institut das AUV (Autonomous Underwater Vehicle) AEGIR entwickelt. Das Unterwasserfahrzeug ist mit vier Antrieben, verschiedenen Navigationssensoren und einer Industriekamera von IDS ausgestattet. Damit kann es sich kabellos in Tiefen bis 200m in der Wassersäule bewegen und Aufnahmen vom Meeresboden machen.

So sollen beispielsweise kontinuierlich Unterwasser-Seegraswiesen beobachtet werden, um Wachstumsgeschwindigkeiten, Artenvorkommen oder Veränderungen der Muschelbestände zu untersuchen. Derzeit vermessen und fotografieren Taucher solche Unterwasserwiesen. Der Einsatz des AUV macht dieses Monitoring künftig einfacher und wiederholbar.

Anwendung

USB 3.0-Kamera von IDS installiert im Druckkörper
USB 3.0-Kamera von IDS im Druckkörper

Die auf den Meeresboden gerichtete USB 3.0-Kamera von IDS ist fest in einem Druckkörper installiert und mit einem Blitzlicht, bestehend aus zwei LEDs, ausgestattet. Die IDS UI-3370CP Rev.2 Kamera sieht senkrecht nach unten und fotografiert den Meeresboden unter dem AUV.

Um Foto-Mosaike von zusammenhängenden Gebieten der Biotope zu erstellen, werden die Bildinformationen im Postprocessing zu einer großen Karte zusammen gerechnet. Damit wird die sogenannte Habitatkartierung, d.h. die Aufnahme und Auswertung von Daten in Lebensräumen bestimmter Tier- oder Pflanzenarten, enorm erleichtert.

„Es ist unser Ziel, in Zukunft noch mehr autonome Geräte unter Wasser einzusetzen, um größere Bereiche der Meere und Ozeane effizient zu untersuchen“, erklärt Marcel Rothenbeck, Technischer Leiter des AUV-Teams am GEOMAR. Das AUV Aegir „made in Kiel“, ist für den Einsatz in der rauen Nord- und Ostsee ausgelegt und dient gleichzeitig als Testobjekt für neue Navigations- und Steuerungssoftware sowie Sensoren.

Neben der USB 3.0 Kamera, die über einen eigenen Rechner und eine Verbindung zum Haupt-Computer des Fahrzeugs verfügt, ist das AUV mit einem akustischen Doppler-Geschwindigkeits-Messer, einem kombinierten Druck- und Schallgeschwindigkeits-Sensor sowie insgesamt vier Antrieben bzw. Propellern ausgestattet. Damit kann das Unterwasser-Fahrzeug bei geringen Geschwindigkeiten bereits jetzt stabil tauchen und navigieren

AUV (Autonomous Underwater Vehicle) AEGIR
AUV (Autonomous Underwater Vehicle) AEGIR

Weiterentwicklung von Navigationsalgorithmen
Die Weiterentwicklung von Navigationsalgorithmen ist neben den meeresbiologischen Erkenntnissen ein wichtiges Ziel der Forscher. So sollen die erzeugten Bilder künftig für optische Odometrie, also die Schätzung von Position und Orientierung des AUV anhand der Daten seines Vortriebssystems, genutzt werden. „Durch das "Bewegen" von Strukturen oder Markern auf den Fotos kann ein Geschwindigkeitsvektor errechnet werden.

Dieser Vektor kann die kontinuierlich wachsende Drift in der Positionsbestimmung reduzieren und die Navigation verbessern“, erklärt Marcel Rothenbeck.

Rauscharm im Ozean
Das AUV ist in seinen Dimensionen so ausgelegt, dass es ohne großen logistischen Aufwand zu allen Test-Lokationen gebracht werden kann. Dafür wurde eine robuste Kamera mit kompakter Bauform gesucht. Gleichzeitig ist eine hohe Auflösung gepaart mit einem großen Sensor erforderlich, der im Umkehrschluss eine hohe Lichtempfindlichkeit und somit geringes Rauschverhalten zeigt.

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USB 3uEye CP an Bord

Durch das Kamera-Auswahlverfahren der Ozeanforscher hat es die UI-3370CP-C-HQ Rev.2 an Bord des kleinen U-Bootes geschafft. Die kompakte Kamera mit den Abmessungen 29,0 x 29,0 x 29,9 mm ist mit einem hochempfindlichem, schnellem 4 Megapixel CMOS-Sensor ausgestattet. Durch dessen innovative Pixelarchitektur werden Fixed-Pattern-Noise und Rauschen erheblich minimiert. Durch das riesige optische Format von 1“ mit einer quadratischen Auflösung von 2048 x 2048 Pixeln bietet der Sensor große Pixel und ist besonders lichtempfindlich und rauscharm. Daneben verfügt die Kamera über einen integrierten 128 MB Bildspeicher und einen Standby-Modus, der die Stromaufnahme im Ruhezustand auf ein Minimum reduziert.

„Ein weiterer Vorteil der Kamera ist die hohe Framerate. Wir nutzen eine Framerate von 10 Bildern pro Sekunde bei voller Blitzleistung. Die Kamera bietet hier Ein- und Ausgänge zur Triggerung sowie zur Blitzsynchronisation“, erklärt Emanuel Wenzlaff, M. Eng. im AUV Team. Damit werden alle Vorgaben der Forscher erfüllt. Dank der leistungsstarken USB 3.0 Schnittstelle sind sogar höhere Frameraten möglich. Und last not least hat die USB 3 uEye CP auch durch das Preis-Leistungsverhältnis überzeugt.

Fazit

Die Kieler Forscher erleichtern mit ihrem AUV künftig die Untersuchung von Lebensräumen unter Wasser, gestalten sie effizienter und kostengünstiger. Dinge möglichst einfach zu machen, Prozesse zu optimieren und Forschungen voran zu treiben ist Teil der IDS Produktphilosophie. Die Anwendung des GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung ist prädestiniert dafür. Und vielleicht helfen die wichtigen Erkenntnisse der Forscher – und damit auch IDS Kameras – ein wenig dabei, Veränderungen schneller wahrzunehmen und besser auf den Klimawandel reagieren zu können?

USB 3 uEye CP - Unglaublich schnell, unglaublich zuverlässig, unglaubliche Sensoren

IDS Industriekamera USB 3 uEye CP

Interface:  USB 3.0
Modell:  UI-3370CP-C-HQ Rev.2
Sensortyp:  CMOS
Hersteller:  CMOSIS
Framerate:  80,0 fps
Auflösung (h x v): 2048 x 2048 px
Shutter:  Global Shutter
Sensorformat:  1"
Auflösung: 4,19 MPixel
Maße:  29 x 29 x 29 mm
Gewicht:  52 g
Anschluss:  8-poliger Hirose-Stecker
Anwendungen: u.a. Mikroskopie, Industrielle Bildverarbeitung, Bewegungskontrolle

Das GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel

ist Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Deutscher Forschungszentren. Aufgabe des GEOMAR ist es, in interdisziplinärer Zusammenarbeit alle wichtigen Bereiche der modernen Meeresforschung, von der Geologie des Meeresbodens bis zur maritimen Meteorologie zu untersuchen. https://www.geomar.de