Pflanzen wachsen sehen

Der von Phenospex entwickelt PlantEye-3D-Scanner misst vollautomatisch die Höhe und das Volumen von Pflanzen. Er basiert auf dem Lichtschnittverfahren. In seinem Inneren erfasst eine Boardlevel-Industriekamera von IDS den reflektierten Lichtstrahl des Lasers.

Das Lichtschnittverfahren ist ein sehr verbreitetes Verfahren in der 3D-Messtechnik. Die Methode ist sehr genau, unempfindlich gegenüber Fremdlicht und eignet sich auch für mobile Lösungen. Darauf basierend hat Phenospex einen 3D-Scanner entwickelt, der vollautomatisch die Höhe und das Volumen von Pflanzen misst. Diese Daten unterstützen Wissenschaftler bei der Pflanzenforschung und -züchtung oder helfen, die industrielle Pflanzenproduktion wirtschaftlicher zu gestalten. Ressourcen wie Wasser, Dünger und Pestizide können effizienter eingesetzt werden. Zudem lassen sich fehlerhafte Entwicklungen der Kulturen frühzeitig erkennen und beheben. Große Saatgutkonzerne, Universitäten und öffentliche Forschungseinrichtungen nutzen die Lösung. 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 der kompakte PlantEye-Scanner von Phenospex, einem Spin-Off des Forschungszentrums Jülich mit Sitz im niederländischen Heerlen.

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 der Daten in einer zentralen Datenbank, ist mit dem Klimacomputer kompatibel und hat eine Importfunktion für Daten weiterer externer Sensoren. Auf dem Bildschirm werden auch aktuelle Wetterdaten und Prognosen angezeigt. Die Pflanzenbestände lassen sich in Raster einteilen und für jedes Raster lässt sich eine Vielzahl an Parametern visualisieren. So werden Abweichungen leicht sichtbar.

Dank der Mobilität des Scanners können innerhalb von zwei Stunden bis zu 4000 m² Kulturfläche abgefahren und Blattfläche, Pflanzenvolumen und Streckungswachstum automatisch bestimmt werden. Dabei nutzt der Scanner das Lichtschnittverfahren. 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.

Per Triangulation Objektdaten berechnen

Der Scanner misst nur 420 mm x 200 mm x 95 mm und ist robust ausgelegt, damit die filigrane Technik gegenüber den eher rauen Bedingungen im Gewächshaus, zu denen Spritzwasser und hohe Temperaturen gehören, geschützt ist. Im Scanner verbaut Phenospex eine Industriekamera im Boardlevel-Format von IDS, die den reflektierten Lichtstrahl des Lasers erfasst. Der OEM-Kunde entschied sich nicht zuletzt aufgrund ihres günstigen Preis-Leistungs-Verhältnisses und dem zukunftssicheren Treiberkonzept für den Einsatz dieser Kamera. 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. 36 mm x 36 mm x 20 mm klein – und wartet im Nah-Infrarot-Bereich mit hoher Empfindlichkeit auf. Beide Features waren entscheidend für Phenospex, 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 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. 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.

Bei 50 mm/s Messgeschwindigkeit Auflösung im Millimeterbereich erzielt

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

Als Schnittstelle zwischen der PlantEye-Software und der 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 Kamera 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 einfach und zeitsparend, zum anderen ist sie auch Modell- und Schnittstellen-unabhängig. So ist ein problemloser Wechsel von einer USB-2.0-Kamera auf ein leistungsstärkeres Modell mit USB-3.0- oder GigE-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 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 Kameramodell aus der Palette des Herstellers eingesetzt werden soll. Die Applikation müsste dann nicht neu programmiert werden, sondern lediglich die kameraspezifischen Parameter entsprechend angepasst werden. mc