Anwendungsbericht: Pflanzen wachsen sehen - mit platzsparender Boardlevel-Industriekamera von IDS, Überblick



Beschreibung

Ein verbreitetes Verfahren in der 3D-Messtechnik ist das Lichtschnittverfahren. Darauf basierend hat das Unternehmen Phenospex einen 3D-Scanner entwickelt, der vollautomatisch die Höhe und das Volumen von Pflanzen misst, um zum Beispiel Forscher bei der Pflanzenzüchtung zu unterstützen oder um die industrielle Pflanzenproduktion wirtschaftlicher zu gestalten. In dem kompakten PlantEye Scanner erfasst eine Boardlevel-Industriekamera von IDS den reflektierten Lichtstrahl des Lasers. Sie benötigt wenig Platz und bietet eine hohe Empfindlichkeit im NIR-Bereich.


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Ein  verbreitetes  Verfahren  in  der  3D-Messtechnik  ist  das  Lichtschnitt-

verfahren.  Die  Methode  ist  sehr  genau,  sie  ist  unempfindlich  gegenüber

Fremdlicht  und  eignet  sich  auch  für  mobile  Lösungen.  Darauf  basierend

hat  das  Unternehmen  Phenospex  einen  3D-Scanner  entwickelt,  der

vollautomatisch die Höhe und das Volumen von Pflanzen misst, um zum

Beispiel Forscher bei der Pflanzenzüchtung zu unterstützen oder um die

industrielle  Pflanzenproduktion  wirtschaftlicher  zu  gestalten.  In  dem

kompakten  PlantEye  Scanner  erfasst  eine  Boardlevel-Industriekamera

von IDS den reflektierten Lichtstrahl des Lasers. Sie benötigt wenig Platz

und  bietet  eine  hohe  Empfindlichkeit  im  NIR-Bereich.  Außerdem

überzeugt  sie  den  OEM-Kunden  mit  einem  günstigen  Preis-Leistungs-

Verhältnis und einem zukunftssicheren Treiberkonzept.

Pflanzen wachsen sehen

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

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Das  PlantEye  System  ermöglicht  in  der

Pflanzenforschung  und  Pflanzenzucht  eine

automatisierte Analyse des Pflanzenwachstums

sowie  eine  automatisierte  Kulturführung  in  der

industriellen  Pflanzenproduktion.  Mit  Hilfe  des

Systems  wird  die  Leistungsfähigkeit  von

Pflanzen  erfasst,  Ressourcen  wie  Wasser,

Dünger  und  Pestizide  effizienter  eingesetzt,

fehlerhafte  Entwicklungen  der  Kulturen  können

frühzeitig  erkannt  und  behoben  werden.  Große

Saatgutkonzerne,  Universitäten  und  öffentliche

Forschungseinrichtungen  nutzen  die  Lösung,

um  beispielsweise  die  Leistung  von  Pflanzen

Der

kompakte

und

robuste

PlantEye  3D-Scanner  wird  mittels

eines  Transportsystems  über  die

Beete und Pflanzen gefahren.

USB 2.0 uEye 1221LE Boardlevel Industriekamera

unter  verschiedenen  Umweltbedingungen  zu

messen  und  zu  optimieren.  Zur  Zielgruppe

gehören

aber

auch

Produzenten

von

Zierpflanzen,  die  ihre  Gewächse  zu  einem

festgelegten Zeitpunkt in vorbestellter Größe an

den Handel liefern müssen.

Entwickelt  wurde  das  System  von  Phenospex,

einem Spin-Off des Forschungszentrums Jülich,

das  heute  im  niederländischen  Heerlen  seinen

Sitz  hat.  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.

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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.

USB 2.0 uEye 1221LE Boardlevel Industriekamera

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.

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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  Empfind-

lichkeit 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  Sensor-

anordnung 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.

Gearbeitet wird im NIR-Bereich; die

Industriekamera  der  LE-Serie  von

IDS weist hier eine besonders hohe

Empfindlichkeit auf.

USB 2.0 uEye 1221LE Boardlevel Industriekamera

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Die  Punktwolken  werden  schließlich  analysiert

und  segmentiert.  Die  Pflanze  wird  freigestellt,

Blätter  werden  erkannt  und  die  Fläche  ver-

messen.  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  Standard-

software  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 Schnittstellen-

unabhängig.  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  Kamera-

einbindung

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.

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  Kamera-

modell  aus  der  breiten  Palette  des  Herstellers

eingesetzt  werden  soll.  Die  Applikation  müsste

dann  nicht  neu  programmiert  werden,  lediglich

die

kameraspezifischen

Parameter

sind

entsprechend anzupassen.

USB 2.0 uEye 1221LE Boardlevel Industriekamera

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IDS Imaging Development Systems GmbH

|

Dimbacher Straße 6-8

|

74182 Obersulm/Deutschland

T: +49 7134 96196 - 0

|

E-Mail: marketing@ids-imaging.de

|

W eb: www.ids-imaging.de

USB 2.0 uEye 1221LE im Überblick:

Interface:

USB 2.0

Sensortyp:

CMOS; monochrom, Farbe

Hersteller:

Aptina

Framerate:

87,2 fps

Auflösung:

752 x 480 Px  (WVGA)

Shutter:

Global Shutter

Sensorformat:

1/3”

Modell:

Boardlevel Industriekamera

Maße:

ca. 36 x 36 x  20,2 mm

Gewicht:

ca. 16 g

Anschlüsse:

2 GPIOs, Trigger, Strobe, 1 I2C-Bus

Kunde:

www.phenospex.com

USB 2.0 uEye 1221LE Boardlevel Industriekamera

Die ideale Projektkamera :

erhältlich mit Kunststoffgehäuse, mit C/CS-Mount Objektivflansch oder als Platinen-Version.