Kompakter 3D-Scanner mit platzsparender Boardlevel-Industriekamera von IDS

3D-Scanner, Terminal und Software

PlantEye besteht aus drei Modulen: 3D-Scanner, Terminal und Software. Der Scanner wird mittels eines Transportsystems über die Beete bzw. den Pflanzenbestand gefahren. Er kommuniziert drahtlos mit dem Terminal, das über einen Browser von jedem Laptop oder Touchpad erreicht werden kann. Hier kann sich der Forscher das aktuelle Pflanzenwachstum in Tabellen und Grafiken ansehen, Maßnahmen der Kulturführung eingeben und die komplette Kultur dokumentieren. Das dritte Modul im System ist die PlantEye Software, die Kulturführung, Pflanzenentwicklung und Klimadaten analysiert und Optimierungspotentiale ermittelt.

Die Software erlaubt eine sichere, langfristige Speicherung in einer zentralen Datenbank, sie ist mit dem Klimacomputer kompatibel und hat eine Importfunktion für weitere externe Sensoren. Auf dem Bildschirm werden bspw. auch aktuelle Wetterdaten und Prognosen angezeigt. Die Pflanzenbestände werden in Raster eingeteilt und für jedes Raster lässt sich eine Vielzahl an Parametern visualisieren. So werden Abweichungen ganz leicht sichtbar.

Aufgrund der Mobilität des Scanners ist das System äußerst leistungsfähig

Innerhalb von zwei Stunden können bis zu 4.000 m² Kulturfläche mit dem Scanner abgefahren und Blattfläche, Pflanzenvolumen und Streckungswachstum automatisch bestimmt werden. Dabei nutzt der Scanner das Lichtschnittverfahren, das sich für diesen Einsatzbereich perfekt eignet. Ein eingebauter Laser projiziert aus einer Richtung eine Linie auf das Messobjekt, die Lichtlinie wird von einer Kamera aus einer anderen Richtung als Bild erfasst. Entsprechend des Prinzips der Triangulation lassen sich dann alle Objektkoordinaten berechnen, die auf der Lichtebene liegen. Aus dem 2D-Bild der Kamera wird also ein 1D-Höhenprofil erzeugt. Diese vergleichsweise einfache Sensoranordnung lässt sich sehr kompakt aufbauen. Der PlantEye 3D-Scanner misst nur 420 x 200 x 95 mm und ist äußerst robust ausgelegt, damit die filigrane Technik gegenüber den eher rauen Bedingungen im Gewächshaus, zu denen z.B. Spritzwasser und hohe Temperaturen gehören, entsprechend geschützt ist.

Im Scanner verbaut Phenospex eine IDS Industriekamera im Boardlevel-Format

Das Modell UI-1221LE verfügt über einen Mono-CMOS-Sensor mit WVGA-Auflösung (752 x 480), ein USB-Interface und einen S-Mount-Objektivanschluss. Die Kamera ist für eine Integration auf engstem Raum ausgelegt – sie ist nur ca. 3,6 x 3,6 x 2 cm klein - und wartet im Nah-Infrarot-Bereich mit einer hohen Empfindlichkeit auf. Beide Features sind für Phenospex entscheidend. Denn die platzsparende Bauart der Kamera ermöglicht die Montage im Zentrum des Scannergehäuses. Durch einen Spiegel wird dann der Strahlengang der Kamera auf die Pflanzen gelenkt. So lassen sich bereits in geringen Abständen vom Scanner ein großer Öffnungswinkel und eine große Scannbreite erzielen. Aufgrund der hohen Empfindlichkeit des Sensors im NIR-Bereich konnte außerdem ein Laser im Bereich von 930 nm gewählt werden, eine Wellenlänge, die von Pflanzen gut reflektiert wird. Ein weiterer Vorteil der USB 2.0 Boardlevel-Kamera ist die mit fast 90 fps vergleichsweise hohe Framerate, denn sie bestimmt mit, mit welcher Geschwindigkeit der Scanner über die Beete gefahren werden kann. Beim Lichtschnittverfahren muss die Sensoranordnung über das Objekt bewegt werden, um aus einem 1D-Höhenprofil ein 2D-Höhenprofil bzw. eine 3D-Punktewolke erzeugen zu können. Bei einer Messgeschwindigkeit von 50 mm/s erzielt das PlantEye System eine Auflösung im Millimeterbereich.

Die Punktwolken werden schließlich analysiert und segmentiert. Die Pflanze wird freigestellt, Blätter werden erkannt und die Fläche vermessen. Die Höhe wird ebenfalls ausgewertet. Alle Parameter stehen dem Anwender dann in einer Datenbank zur Verfügung. Um eine optimale Leistung sprich Geschwindigkeit zu erzielen, nutzt Phenospex keine Standardsoftware für die Bildanalyse, sondern eine Eigenentwicklung, programmiert in C++. Diese extrahiert aus den Rohdaten die oben genannten Parameter in weniger als einer Sekunde.

Als Schnittstelle zwischen der PlantEye Software und der IDS Kamera fungiert das uEye API

Das Interface ist Teil der IDS Software Suite und unterstützt alle Sensorfeatures der Boardlevel-Kamera. Das SDK für Windows und Linux (32- und 64 Bit) ist im Lieferumfang der Kameras von IDS enthalten und für alle Modelle, egal ob mit USB 3.0, USB 2.0 oder GigE Anschluss – identisch. OEM-Kunden wie Phenospex profitieren davon doppelt. Zum Einen gestaltet sich die Integration der Kameras besonders einfach und zeitsparend, zum Anderen ist sie auch Modell- und Schnittstellenunabhängig. So ist z.B. ein problemloser Wechsel von einer USB 2.0 Kamera auf ein leistungsstärkeres Modell mit USB 3.0 oder Gigabit-Ethernet-Anschluss jederzeit möglich. Die IDS Software Suite beinhaltet darüber hinaus Demo-Programme für die Kameraeinbindung und Bilderfassung mit den zugehörigen Source-Codes in C, C++ und VB. Entwickler können diese schnell in eigene Programme übernehmen und an spezielle Anforderungen anpassen. Für viele weitere gängige Machine-Vision-Programme, wie z. B. Common Vision Blox, HALCON, MERLIC, NeuroCheck oder LabVIEW sind direkte Schnittstellen erhältlich.

Ausblick

Insbesondere die Messgeschwindigkeit des PlantEye Systems will Phenospex noch weiter steigern. Mit der IDS Treiberphilosophie setzt man dabei auf eine zukunftssichere Lösung, wenn gegebenenfalls ein anderes Kameramodell aus der breiten Palette des Herstellers eingesetzt werden soll. Die Applikation müsste dann nicht neu programmiert werden, lediglich die kameraspezifischen Parameter sind entsprechend anzupassen.