Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor

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1 Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor OEOS vs. Kamera Autor Tina Rosemann / Kevin Bilges / Daniel Mentrup / Simon Kerssen Dokumentenstatus Freigegeben Version / Datum

2 Urheberrechte Dieses Dokument ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Dokumentes oder Teilen daraus, sind vorbehalten. Änderungen Änderungsverfolgung: Änderungen zur Vorgängerversion werden mit gelbem Hintergrund markiert. Änderungshistorie: Version Bemerkung Datum Name V1 Initiale Version Rosemann V2 Freigegebene Version Rosemann / Bilges / Mentrup / Kerssen V2.1 Kleinere Überarbeitungen Kerssen Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 1 von 16

3 Inhalt 1 EINLEITUNG AUFBAU DES SENSORS MÖGLICHE ANWENDUNGSGEBIETE VERSUCHSAUFBAU MESSERGEBNISSE... 8 Vorteil 1: Parallelprojektion... 8 Vorteil 2: Detailtiefe... 9 Vorteil 3: Hintergrund Vorteil 4: Lichtverhältnisse Vorteil 5: Messfeldhöhe Vorteil 6: Grannen Erkennung UNTERSUCHUNGEN ZUR GRANNEN ANZAHL VERGLEICH: OEOS VS. KAMERA FAZIT Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 2 von 16

4 Abbildungsverzeichnis Abb. 1: Prinzip Erklärung... 4 Abb. 2: Aufbau des Sensors... 5 Abb. 3: Rohdaten der Messaufnahme... 5 Abb. 4: Anwendung eines Höhenalgorithmus (1)... 6 Abb. 5: Anwendung eines Höhenalgorithmus (2)... 6 Abb. 6: Versuchsaufbau... 7 Abb. 7: Messung 1 mit OEOS Abb. 8: Messung 1 Kontrollfotografie mit einer Kamera... 8 Abb. 9: Messung 2 mit OEOS Abb. 10: Messung 2 Kontrollfotografie mit einer Kamera... 9 Abb. 11: Teilausschnitt der OEOS 800 Aufnahme... 9 Abb. 12: Teilausschnitt der Kontrollfotografie... 9 Abb. 13: Messung 3 mit OEOS Abb. 14: Messung 3 Kontrollfotografie mit einer Kamera Abb. 15: Messung 4 mit OEOS Abb. 16: Kontrollfotografie bei einfachen Bedingungen Abb. 17: Kontrollfotografie bei zu dunklen Bedingungen Abb. 18: Kontrollfotografie mit starker seitlicher Beleuchtung Abb. 19: Kontrollfotografie mit leichter seitlichen Beleuchtung Abb. 20: Messung 5 mit OEOS Abb. 21: Messung 5 Kontrollfotografie mit einer Kamera Abb. 22: Messung 6 mit OEOS Abb. 23: Messung 6 Kontrollfotografie mit einer Kamera Abb. 24: Anwendung des Algorithmus Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 3 von 16

5 1 Einleitung In diesem Dokument wird das Sensorsystem OEOS vorgestellt und abschließend die Vorteile des Systems einer konventionellen Kamera gegenüber gestellt. Der Opto Elektronische Objekt Scanner erzeugt im Sender parallele Laserstrahlen, welche auf den Empfänger ausgerichtet sind. Unterbricht ein Objekt die Laserstrahlen, so wird der Schatten auf der Empfängerseite abgebildet. Der Sensor ist in verschiedenen Ausbaustufen (98 mm bis zu 2000 mm Messfeldhöhe), mit einer Auflösung von 64 µm in Richtung Messfeldhöhe, erhältlich. Die hier aufgenommen Bilder wurden mit einem OEOS 800 System erstellt. Somit ist an dieser Stelle eine Messfeldhöhe von 800 mm möglich. Mit diesem Sensor können Schattenbildaufnahmen von verschiedensten Objekten, wie zum Beispiel Pflanzen, aufgenommen werden. Das Schema soll in der Abb. 1 verdeutlicht werden. Die Pflanzen passieren das Messfeld des Sensors: Zum Zeitpunkt t1 hat der Sensor die erste Pflanze fast fertig abgescannt. Die Abbildung zeigt den Sensor zum Zeitpunkt t2. Hier ist die vierte Pflanze mitten in der Vermessung. Zum Zeitpunkt t3 hat der Sensor alle Pflanzen vermessen. Abb. 1: Prinzip Erklärung Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 4 von 16

6 2 Aufbau des Sensors Das OEOS 800 System besteht aus 9 Einzelmodulen, die kaskadiert eine Messfeldhöhe von 800 mm erreichen (siehe Abb. 2). In Abb. 3 wird gezeigt, dass durch den modularen Aufbau versetzte Einzelaufnahmen entstehen. Diese werden mittels Algorithmus an den Randbereichen überlappt und waagerecht verschoben. Dieser Verfahren wird als Matching-Algorithmus bezeichnet. Abb. 2: Aufbau des Sensors Abb. 3: Rohdaten der Messaufnahme Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 5 von 16

7 3 Mögliche Anwendungsgebiete Der Sensor kann sowohl Indoor z.b. in einem Gewächshäuser, als auch Outdoor z.b. an einem Feldroboter eingesetzt werden. Dabei kann entweder der Sensor oder das Erfassungsobjekt ortsfest sein. Ist der Sensor ortsfest, so kann über ein Förderband, eine Schiene oder eine vergleichbare Führung, das Objekt (z.b. eine Pflanze) durch den Sensor gefahren werden. Ist das Objekt ortsfest, so muss der Sensor z.b. an einer Trägerplattform oder an einem Portal befestigt und an den zu erfassenden Objekten vorbei geführt werden. Bei dem Einsatz des Sensors im Bereich der Pflanzenphänotypisierung, ob In- oder Outdoor, kann beispielsweise durch regelmäßiges Vermessen einer Pflanze der Wachstumsverlauf überwacht werden. Dabei könnten z.b. die Pflanzen unterschiedlich gedüngt oder der Boden vor der Bepflanzung unterschiedlich bearbeiten und präpariert werden. Über Algorithmen ist es möglich die Pflanzenhöhe, Blattanzahl, Blattdichte und Blattlänge zu bestimmen. In Abb. 4 und Abb. 5 wurde ein Algorithmus zur Bestimmung der Pflanzenhöhe angewandt. Abb. 4: Anwendung eines Höhenalgorithmus (1) Abb. 5: Anwendung eines Höhenalgorithmus (2) Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 6 von 16

8 4 Versuchsaufbau Für die nachfolgenden Messungen ist der OEOS 800 Sensor an einem Förderband angebracht (Abb. 6), um verschiedene Pflanzen bei konstanter Geschwindigkeit und Abtastrate vermessen zu können. Über eine Ethernet-Schnittstelle ist das System mit einem Rechner gekoppelt, welcher die Messdaten aufnimmt und abspeichert. Anschließend werden die Aufnahmen der einzelnen Empfangssegmente (siehe Abb. 3), mittels Matching-Algorithmus, zu einem zusammenhängenden Bild zusammengesetzt. Abb. 6: Versuchsaufbau Zu jeder Messaufnahme wurde parallel eine Kontrollfotografie mit einer konventionellen Kamera aufgenommen. Zudem sind alle hier aufgeführten Aufnahmen (und weitere) auch in digitaler Form auf unserer Website unter verfügbar. Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 7 von 16

9 5 Messergebnisse Vorteil 1: Parallelprojektion Abb. 7 und Abb. 8 zeigen Getreideenden in einer Styroporplatte. Ein Vorteil des OEOS Sensors ist, dass dieser über den gesamten Messbereich eine waagerechte Abbildung des Objekts (Parallelprojektion) durchführt. Somit entsteht eine verzerrungsfreie Aufnahme. Eine Kamera hingegen besitzt einen Fokuspunkt, aus dem mit einem Öffnungswinkel kegelförmig ein Bild entsteht. Dadurch ist, wie in Abb. 8 zu sehen, eine Draufsicht auf die Styroporplatte nicht zu vermeiden, wenn das Bild aus mittlerer Höhe des Gesamtobjektes aufgenommen wird. Abb. 7: Messung 1 mit OEOS 800 Abb. 8: Messung 1 Kontrollfotografie mit einer Kamera Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 8 von 16

10 Vorteil 2: Detailtiefe Die abgebildete Pflanze besitzt kleine feine Härchen. In dieser Messung 2 soll verdeutlicht werden, dass auch sehr feine Strukturen erkannt werden können. Dazu ist in Abb. 9 und Abb. 10 eine Gesamtaufnahme der Pflanze dargestellt. In Abb. 11 und Abb. 12 ist einerseits ein Teilausschnitt der OEOS Aufnahme näher betrachtet und andererseits ein Teilausschnitt der Kontrollfotografie vergrößert dargestellt. In Abb. 12 ist zu sehen, dass die feinen, hellen Härchen mit einer Kamera nur erkannt werden können, wenn diese sich vor einem dunklen Hintergrund abheben. Diese Einschränkung hat der OEOS Sensor nicht. Abb. 9: Messung 2 mit OEOS 800 Abb. 10: Messung 2 Kontrollfotografie mit einer Kamera Abb. 11: Teilausschnitt der OEOS 800 Aufnahme Abb. 12: Teilausschnitt der Kontrollfotografie Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 9 von 16

11 Vorteil 3: Hintergrund Ein weiterer Vorteil des Sensorsystems stellt die Tatsache dar, dass nur das durchlaufende Objekt abgebildet wird. Bei einer Fotografie, gerade im Outdoor-Bereich, bei dem verschiedenste Objekte im Hintergrund auftauchen können, müsste das zu erfassende Objekt über eine Bildbearbeitung aufwändig von dem Hintergrund separiert werden (Vergleich Abb. 14). Das OEOS System hingegen, nimmt den Hintergrund gar nicht wahr. In Abb. 13 ist eine Wurzel vermessen worden. Auch hier sind alle Details deutlich wieder zu finden. Abb. 13: Messung 3 mit OEOS 800 Abb. 14: Messung 3 Kontrollfotografie mit einer Kamera Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 10 von 16

12 Vorteil 4: Lichtverhältnisse Bei dieser Messung wurde ein Nadelbaum aufgenommen. Auch hier sind die feinen Nadeln deutlich mit dem OEOS Sensor erfasst worden (Abb. 15). Anhand des Sensorbildes ist z.b. eine Abschätzung der Bewuchsdichte möglich. Schwierigkeiten, wie z.b. Beleuchtung/Lichtverhältnisse oder Ähnliches (Abb. 16 bis Abb. 19) stellen für den Sensor keine Probleme dar. Dazu ist das System mit speziellen Bandpassfiltern ausgestattet, welcher alles außer der Wellenlänge des Senders, herausfiltert. Abb. 16: Kontrollfotografie bei einfachen Bedingungen Abb. 17: Kontrollfotografie bei zu dunklen Bedingungen Abb. 15: Messung 4 mit OEOS 800 Abb. 18: Kontrollfotografie mit starker seitlicher Beleuchtung Abb. 19: Kontrollfotografie mit leichter seitlichen Beleuchtung Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 11 von 16

13 Vorteil 5: Messfeldhöhe Unabhängig von der Größe, Farbe oder Form (Abb. 21), der OEOS Sensor erstellt ein optimales Schattenbild (Abb. 20) der durchlaufenden Objekte. Das OEOS System lässt sich zu beliebiger Länge kaskadieren. Als Standard werden Größen zwischen 98 mm und 2000 mm angeboten. Größere Systeme sind als Übergrößen beliebig lang umsetzbar. Abb. 20: Messung 5 mit OEOS 800 Abb. 21: Messung 5 Kontrollfotografie mit einer Kamera Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 12 von 16

14 Vorteil 6: Grannen Erkennung Auch Grannen lassen sich mit dem OEOS System aufnehmen (Abb. 22 und Abb. 23). Diese können mittels Algorithmus gezählt werden, um beispielsweise eine zerstörungsfreie Ertragsprognose durchzuführen. Ein solcher Algorithmus wird in dem folgenden Kapitel näher vorgestellt. Abb. 22: Messung 6 mit OEOS 800 Abb. 23: Messung 6 Kontrollfotografie mit einer Kamera Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 13 von 16

15 6 Untersuchungen zur Grannen Anzahl Nachfolgend werden die ersten Ansätze zur Detektion von Grannen vorgestellt. Zur Berechnung der Anzahl der (sichtbaren) Grannen wird folgender Algorithmus angewandt: Es wird ein Ausschnitt einer Ähre verwendet. (Abb. 24-1) Dieses Bild wird mit einem feinem Strukturelement erosiert, damit die Grannen entfernt werden (Abb. 24-2) Danach wird dieses Ergebnis expandiert (zu der Kontur des Objektes werden Pixel addiert). (Abb. 24-3) Als nächstes wird ein Differenzbild erzeugt, welches aus Abb und Abb gebildet wird. Somit entsteht ein Bild, das nur die Grannen beinhaltet. Mit dem Abziehen des expandierten Bildes (Abb. 24-3), von dem Originalbild wird sichergestellt, dass mögliche Ährenbereiche, die bei der Erosion verloren gegangen sind, wieder gewonnen werden. (Abb. 24-4) Als nächstes werden Korrekturfunktionen, Expansionsfunktionen, Addition und Skelettbildung angewendet. (Abb. 24-9) Die Anzahl der Grannen kann nun, über die automatisch erkannten Grannen Anfänge (rot), ermittelt werden. (Abb ). Abb. 24: Anwendung des Algorithmus Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 14 von 16

16 7 Vergleich: OEOS vs. Kamera In der nachfolgenden Tabelle ist ein Vergleich zwischen dem OEOS Sensor und einer konventionellen Kamera aufgeführt. Dabei wird auf die Vorteile aus Kapitel 5 Messergebnisse zurückgeschlossen. Tabelle 1: Vergleich OEOS vs. Kamera OEOS Gesamtaufnahme Parallelprojektion, verzerrungsfreie Aufnahme über den gesamten Messbereich Kamera Bildaufbau über einen Fokuspunkt, verzerrte Aufnahme, limitiert auf eine Fokusebene Detailtiefe Einfluss des Hintergrundes Einfluss durch Lichtverhältnisse Messfeldhöhe Grannen Erkennung 64 µm Auflösung, feine, scharfkantige Strukturen über gesamten Messbereich sichtbar Kein Einfluss, nur das durchlaufende Objekt wird erfasst Keinen Einfluss, Bandpassfilter lässt nur Licht einer bestimmten Wellenlänge durch Beliebig, ohne Verluste in der Detailtiefe, typische Messfeldhöhe zwischen 98 mm und 2000 mm Einfach möglich, durch Anwendung eines Algorithmus auf die Rohdaten Variierend, je nach Qualität der Kamera Großer Einfluss, neben dem aufzunehmenden Objekt gibt es immer einen zufälligen Hintergrund Großer Einfluss, je nach Lichtverhältnis ist die Bildverarbeitung sehr aufwändig Beliebig, aber auf Kosten der Detailtiefe, je höher das zu erfassende Objekt ist, desto größer die Distanz zur Kamera Beschränkt möglich, je nach Fotoqualität ist es evtl. möglich die Grannen zu erkannt, freizustellen und bearbeiten zu können Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 15 von 16

17 8 Fazit Generell zeigt sich, dass durch den Einsatz eines OEOS Systems eine aufwändige Bildbearbeitung, zum Freistellen des aufgenommenen Objekts, entfällt. Zudem werden die Bildinformationen binär (als Schwarz/Weiß Bild) abgespeichert, was die weitere Analyse der Aufnahme mittels Algorithmus, vereinfacht. Durch die Parallelprojektion der durchlaufenden Objekte, sind die Aufnahmen verzerrungsfrei. Der Sensor ist in der Lage mit maximal 4000, nahezu kontinuierlichen Belichtungen pro Sekunde ein Schattenbild zu erzeugen. Hierbei wird zwischen den Belichtungen eine fixe Totzeit von lediglich 20 µs benötigt, was bei der maximalen Abtastrate nicht einmal 10% der Aufnahmezeit entspricht. Hinzukommend werden die lichtempfindlichen Elemente der Empfängerseite nicht nacheinander abgetastet, sondern es herrscht eine ständige Beleuchtung der Empfängerseite mit einer, über den gesamten Empfänger synchronisierten, kontinuierlichen Belichtung. Durch die hohe Abtastrate (4000 Hz) und Auflösung (64 µm in Richtung Messfeldhöhe) können kleinste Strukturen wie Grannen an Getreide oder Härchen auf Pflanzen und Stängeln erfasst werden. Die Auflösung der Aufnahme in Bewegungsrichtung ist immer von der Geschwindigkeit des durchlaufenden Objektes abhängig und beträgt bei ca. 1 km/h ebenfalls 64 µm. Mit diesem Sensorsystem ist es möglich immer dieselbe Pflanze in gleichbleibenden Abständen abzuscannen und dadurch den Wachstumsverlauf genau verfolgen zu können. Es wurde gezeigt, dass der OEOS Sensor zwar keine Kamera ist, jedoch im Bereich der Schattenbildaufnahmen deutliche Vorteile aufweist. Wird der Sensor in Kombination mit einer Kamera betrieben, lassen sich die Vorteile beider Systeme verbinden. Mit dem OEOS Sensor ist es z.b. möglich, die Pflanzenphänotypisierung weiter zu automatisieren und durch die Gewinnung objektiver und reproduzierbarer Messdaten die Auswertung zu vereinfachen und die Ergebnisse zu verbessern. Zudem ist es möglich, das Sensorsystem mit weiteren Sensoren zu koppeln. Beispielsweise können bei einer Förderbandanwendung Start- und Stopp-Trigger eingesetzt werden, die automatisiert den Beginn und das Ende einer Aufnahme auslösen. Des Weiteren können auch Sensoriken, die ihrerseits schon bestehen, an unser System gekoppelt werden. Pflanzenaufnahmen mit dem OEOS 800 Sensor (V2.1) Seite 16 von 16

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