Einsatz von Bildverarbeitungssystemen für die Unkrautkontrolle
Max Reijngoudt
In dieser Anwendung musste der Kunde, der sich wegen seiner Pestizidanwendung meldete, seine Pflanzen und die Umgebung mit einer Kamera erfassen, die über genügend Bilder pro Sekunde (FPS) und Megapixel (MP) verfügt. Die Kameras wurden an einem langen Balken (Arm) befestigt, der dann am Traktor angebracht wurde, der durch die Felder fahren sollte. Mit einer höheren FPS kann der Kunde kleine oder große Unkräuter erkennen, die in den verschiedenen Feldfrüchten wachsen. Mit diesen Informationen kann der Kunde dann sein System auslösen, um ein Pestizid auf das Unkraut zu sprühen, das das Wachstum seiner Pflanzen beeinträchtigt.
Kameraauswahl für die Unkrauterkennung
Für ein am Traktor montiertes Machine Vision-System zur Unkrauterkennung und gezielten Ausbringung von Pflanzenschutzmitteln muss die Kamera mehrere zentrale Anforderungen erfüllen:
- Hohe Bildrate (FPS)
Da der Traktor ständig in Bewegung ist, benötigt die Kamera genügend Bilder pro Sekunde, um Unkraut bei Fahrgeschwindigkeit zuverlässig zu erfassen. - Ausreichende Auflösung (Megapixel)
Eine höhere Auflösung hilft dabei, sowohl kleine als auch große Unkräuter zu erkennen, insbesondere wenn die Kamera einen weiten Bereich der Pflanzen abdeckt. - Farbige Bildgebung
Eine Farbkamera ist oft erforderlich, um Unkraut von Nutzpflanzen deutlicher zu unterscheiden, besonders in komplexen Außenszenen. - Global shutter-Sensor
Da sich Traktor und Kamerahalterung ständig bewegen, ist ein global shutter wichtig, um Bewegungsunschärfe zu vermeiden. Global shutter-Sensoren erfassen das gesamte Bild gleichzeitig und sorgen so für scharfe Aufnahmen bei Bewegung und Vibration. - Zuverlässige Verbindung über große Entfernungen
Bei am Traktor montierten Systemen ist die Kamera oft an einem langen Arm oder Ausleger angebracht. Wenn der Abstand zwischen Kamera und PC mehrere Meter beträgt, ist GigE in der Regel besser geeignet als USB3.0, da es längere Kabellängen und eine robustere Installation ermöglicht. - Vereinfachte Verkabelung (Strom + Daten)
In mobilen Anwendungen hilft die Nutzung eines einzigen Kabels für Strom und Daten, die Komplexität zu verringern und die Zuverlässigkeit zu erhöhen.
- Unsere Empfehlung für diese Anwendung war die 3MP GigE Farbkamera MER2-302-37GC-P, da sie lange Kabellängen unterstützt, eine Ein-Kabel-Installation ermöglicht und die erforderliche Auflösung, Bildrate und global shutter-Leistung für die Unkrauterkennung auf einem fahrenden Traktor bietet.
Technical Specifications
| Interface | GigE Vision |
| Resolution | 2048x1536 |
| Shutter type | Global Shutter |
| Color/Monochrome | Color |
| Frame rate (fps) | 37 |
Objektivauswahl für die Unkrautkontrolle
After confirming the required resolution, the next step was selecting the correct lens for the application. Lens selection is mainly based on the required field of view (FOV), the sensor format, and the working distance. For this, we used our Online Lens Calculator.
In this setup, the camera uses a 1/1.8” sensor, and the customer’s target coverage area required a field of view of approximately 1050 × 880 mm.
Based on the customer requirements and the lens calculation, the key outcomes were:
- Sensor format: 1/1.8”
- Target field of view (FOV): 1050 × 880 mm
- Required focal length: 6 mm
- Calculated final FOV: ~1029 × 772 mm
After reviewing the final field of view with the customer, it was confirmed to be more than sufficient for the application. If needed, the system can also use a Region of Interest (ROI) to fine-tune the exact field of view, for example to match a 1000 mm horizontal FOV (HFOV) more precisely.
- Our recommendation for this setup was the VA-LCM-5MP-06MM-F1.4-015 (6 mm C-mount lens), which provides a suitable match for this sensor format and application.
Technical Specifications
| Resolution (megapixel) | 5 |
| Image format / circle | 2/3" |
| Focal length (mm) | 6 |
| Mount | C |
Bildaufnahmegerät für Unkrautkontrolle
Da jeder Traktorarm etwa 10 Kameras enthalten wird, benötigt das System auch ausreichend Hardware, um eine stabile Datenübertragung von mehreren GigE-Kameras gleichzeitig zu gewährleisten. In Multi-Kamera-Machine Vision-Anwendungen wird dies üblicherweise durch Framegrabber oder Multiport-GigE-Schnittstellenkarten gelöst, die mehrere unabhängige Ethernet-Anschlüsse im PC bereitstellen.
Dieser Ansatz ist besonders vorteilhaft, da er Folgendes unterstützt:
- Stabiles Multi-Kamera-Streaming (geringere Gefahr von Bildverlusten)
- Unabhängige Kameraanschlüsse (jede Kamera hat ihren eigenen Anschluss und ihre eigene Bandbreite)
- Einfachere Verkabelung mit PoE (Stromversorgung und Datenübertragung über ein einziges Ethernet-Kabel)
PoE ist besonders nützlich für lange Traktorarme und bewegliche Geräte, da es die Anzahl der Kabel reduziert und die Zuverlässigkeit der Installation erhöht.
Um die erforderliche Kameraauflösung zu bestimmen, gab der Kunde das zu erfassende Mindestdetail vor. Nach der gängigen Faustregel von 3 Pixeln pro kleinstem Merkmal wurde die erforderliche Mindestbildgröße auf mindestens 2000 × 1000 Pixel geschätzt. Dies stellt sicher, dass kleine Unkräuter mit ausreichend Pixelgenauigkeit für eine zuverlässige Erkennung erfasst werden können.
- Unsere Empfehlung für diese Konfiguration war die 3MP-GigE-Kamera MER2-302-37GC-P (2048 × 1536), da sie die erforderliche Auflösung erfüllt und sich gut in ein Multi-Kamera-GigE- + PoE-System einfügt.
Schutz für Ihre Machine Vision-Anlage
Der Kunde benötigte außerdem ein Gehäuse für die Machine Vision Kamera, um sicherzustellen, dass weder Staub noch Feuchtigkeit in die Kamera und das Objektiv eindringen. Diese Gehäuse für Machine Vision Kameras sind nach IP67
klassifiziert, um sicherzustellen, dass Ihre Machine Vision Kamera geschützt bleibt.
Mehrere Machine Vision Kameras auf einem Traktor
In dieser Anwendung benötigte der Kunde eine Einrichtung mit 20 Kameras, wobei jeweils 10 Kameras an jedem Traktorarm montiert wurden. Alle Kameras waren vom gleichen Modell, wie es zuvor in diesem Artikel beschrieben wurde, und im gesamten System wurde derselbe Objektivtyp verwendet, um eine gleichbleibende Bildqualität zu gewährleisten.
Der Einsatz mehrerer Kameras ermöglicht eine vollständige Abdeckung der Pflanzen und des umliegenden Bereichs, was eine zuverlässige Unkrauterkennung über ein weites Sichtfeld hinweg unterstützt. Die Bilddaten werden anschließend genutzt, um während des Betriebs gezielt das Spritzen von Pflanzenschutzmitteln auf Unkraut auszulösen.
Aufgrund der Entfernung zwischen den Kameras und der Verarbeitungseinheit benötigte jede Kamera ein 10-Meter-10GigE-Ethernet-Kabel, um eine stabile Datenübertragung im Mehrkamera-System zu unterstützen.
Machine Vision Beleuchtung für die Unkrautkontrolle
Für diese spezielle Anwendung waren bereits Beleuchtungen an den Traktorarmen und am Traktor selbst vorhanden, was zu einer ausreichenden Beleuchtung für diese Lösung führte. Wenn Ihre Anwendung in einem Szenario mit wenig Licht stattfindet, kann es sein, dass Sie eine andere Bildverarbeitungs-Beleuchtung benötigen. In diesem Fall können Sie sich mit uns in Verbindung setzen, indem Sie unten auf der Seite unser Kundendienstformular verwenden.
Bildverarbeitungssoftware zur Erkennung von Unkraut
In manchen Fällen reichen unsere Kameras, Objektive und Beleuchtungslösungen für ein Bildverarbeitungssystem nicht aus. Unsere Kameras sind GenIcam-kompatibel, was bedeutet, dass sie mit einer Vielzahl von Drittanbieter-Software verwendet werden können, darunter MvTec Halcon, NI Labview, Cognex Vision Pro, Matlab, OpenCV und Arm Boards Software. Für die Erstprogrammierung kann unser kostenloses SDK verwendet werden, um Bilder zu erfassen und die Kameraparameter einzustellen. Das Softwareentwicklungskit ist kompatibel mit normalen und industriellen PCs und ARM-Plattformen, einschließlich NVIDIA TX-Serie und Raspberry Pi. Zu den unterstützten Betriebssystemen gehören Windows, Linux und Android.
Für die Beispielanwendung oben haben die Kunden ihr eigenes Softwarepaket entwickelt, das mit unserem SDK funktioniert. Für Ihre spezielle Anwendung müssen Sie möglicherweise eines unserer Softwarepakete für Computer Vision verwenden.
Unterstützung für das Bildverarbeitungssystem
Die maschinelle Bildverarbeitung bietet eine leistungsstarke und präzise Lösung für die Unkrautkontrolle und den gezielten Einsatz von Pflanzenschutzmitteln. Durch den Einsatz eines Kamerasystems mit hoher Bildrate und angemessener Auflösung können Landwirte ihre Ernteerträge und ihr Ressourcenmanagement erheblich verbessern. Durch die Kombination der in diesem Artikel genannten Bildverarbeitungskomponenten erhalten Landwirte ein wertvolles Instrument zur Optimierung der Unkrautbekämpfung und zur Maximierung der Pflanzengesundheit.
Möchten Sie von einem unserer Bildverarbeitungsspezialisten beim Aufbau Ihres eigenen Bildverarbeitungssystems zur Unkrauterkennung/Pestizidspritzung unterstützt werden? Nutzen Sie das unten stehende Formular, und wir werden uns so schnell wie möglich bei Ihnen melden.
