IDS製・省スペース設計のボードレベル産業用カメラを搭載したコンパクト3Dスキャナ
植物の生長を、見える化する
光切断法（ライトセクション法）は、3D測定技術において広く用いられている手法です。この方式は非常に精度が高く、外部光の影響を受けにくく、さらにモバイルソリューションにも適しています。Phenospex社は、この光切断法をベースに、植物の高さや体積を完全自動で測定できる3Dスキャナを開発しました。この技術は、植物育種分野の研究支援や、工業的な植物生産の効率化など、さまざまな用途に活用できます。PlantEyeスキャナにはIDSのボードレベル産業用カメラが組み込まれており、レーザー光の反射を捉えます。このカメラは非常に省スペースで、近赤外（NIR）領域において高い感度を発揮します。優れたコストパフォーマンスと将来性のあるドライバ設計により、OEM顧客にとっても魅力的な選択肢となっています。
PlantEyeシステム
PlantEyeシステムは、植物研究や育種における植物生長の自動解析に加え、工業的な植物生産における自動栽培を可能にします。本システムは植物の生産性を記録し、水、肥料、農薬といった資源の効率的な使用を支援します。さらに、栽培過程における望ましくない変化を早期に検知し、是正することが可能です。このソリューションは、大手種苗会社や大学、公的研究機関などで利用されており、さまざまな環境条件下における植物パフォーマンスの測定・最適化に活用されています。また、特定の納期までに規定サイズを満たした植物を小売業者へ供給する必要がある観賞用植物の生産者も、重要なターゲット顧客です。本システムは、ドイツ・ユーリッヒ研究センター発のスピンオフ企業であり、現在はオランダ・ヘールレンに本社を置くPhenospex（フェノスペックス）社によって開発されました。
3Dスキャナ、ターミナル、ソフトウェア
PlantEyeは、3Dスキャナ、ターミナル、ソフトウェアの3つのモジュールで構成されています。搬送システムが、植物が育成されているベッドやスタンドの上をスキャナで走行します。スキャナはターミナルと無線通信を行い、ノートPCやタッチ対応デバイスからブラウザ経由でアクセスできます。研究者は、植物の現在の生長状況を表やグラフで確認し、栽培に必要な作業を入力し、栽培履歴を一元的に記録できます。システムの第3の要素であるPlantEyeソフトウェアは、栽培プロセス、植物の生育、気候データを解析し、改善の余地がある箇所を特定します。
ソフトウェアは、中央データベースへの安全かつ長期的なデータ保存を可能にします。温室の環境制御システムと互換性があり、外部センサーデータの取り込みにも対応しています。画面上には、最新の気象データや予報も表示されます。植物スタンドはグリッド状のセルに分割され、各セルごとに多様なパラメータを可視化できます。これにより、異常やばらつきを容易に発見できます。
スキャナの可動性が、システムに高い機能性をもたらす
このスキャナは、わずか2時間で最大4,000㎡をカバーし、その範囲内にあるすべての作物について、葉面積、植物体積、伸長生長を自動で算出します。そのために採用されているのが、本用途に最適な光切断法です。内蔵レーザーが計測対象に向かって一本の光線を投射し、カメラはその光線を別の角度から画像として取得します。三角測量の原理に基づき、光の平面上に存在するすべての物体座標を算出することが可能です。これにより、カメラの2次元画像から1次元の高さプロファイルが生成されます。比較的シンプルなセンサ構成のため、非常にコンパクトな設計を実現しています。PlantEye 3Dスキャナのサイズは420 × 200 × 95 mmと小型で、かつ高い堅牢性を備えています。これにより、水しぶきや高温といった温室内の過酷な環境下でも、精密な技術が十分に保護されます。
Phenospex社は、IDS製ボードレベル産業用カメラをスキャナに統合
採用されているUI-1221LEは、WVGA解像度（752 × 480）のモノクロCMOSセンサー、USBインターフェース、Sマウントレンズを備えています。カメラのサイズは約3.6 × 3.6 × 2 cmと非常に小さく、限られたスペースにも容易に組み込めます。さらに、近赤外（NIR）領域において非常に高い感度を実現しています。これら2つの特長は、Phenospex社にとって極めて重要でした。省スペース設計により、カメラはスキャナ筐体の中央部に搭載できます。その後、鏡がカメラの光線を植物の方へ向けます。その結果、短い測定距離でも広い視野とスキャン幅を確保できます。NIR領域での高感度性能により、植物からの反射に適した波長930nmのレーザーを採用することができました。USB 2.0対応ボードレベルカメラでありながら、最大約90fpsという比較的高いフレームレートを実現しており、スキャナ走行速度の向上に寄与しています。光切断法では、1次元の高さプロファイルから2次元の高さ情報や3次元点群を生成するため、センサを対象物上で移動させる必要があります。PlantEyeシステムは、測定速度50 mm/sにおいて、ミリメートル単位の解像度を実現しています。
取得された点群データは、最終的に解析・セグメンテーションされます。画像から植物が切り出され、葉が検出され、葉面積が算出されます。高さの評価も行われます。これらすべてのパラメータは、データベース上でユーザーが利用可能です。処理性能、すなわち速度を最適化するため、Phenospex社は標準的な画像解析ソフトではなく、自社開発のC++プログラムを使用しています。このプログラムは、生データから前述の各種パラメータを1秒未満で抽出します。
uEye API は PlantEye ソフトウェアとカメラをつなぐインターフェース
このAPIはIDS Software Suiteの一部であり、ボードレベルカメラのすべてのセンサー機能をサポートします。IDSのカメラパッケージには、WindowsおよびLinux（32bit／64bit）対応SDKが含まれており、USB 3.0、USB 2.0、GigEといったインターフェースに関わらず、すべてのモデルで共通です。Phenospex社のようなOEM顧客にとって、そのメリットは大きく2つあります。まず第一に、システムへの迅速かつ容易な組み込みが可能な点です。第二に、すべてのモデルおよびインターフェースで共通に使用できる点です。そのため、USB 2.0カメラから、USB 3.0やGigabit Ethernet対応の高性能モデルへも、容易に切り替えることができます。IDS Software Suiteには、カメラ統合や画像取得のためのデモプログラムおよびC、C++、VBのソースコードも含まれており、開発者はこれらを迅速に自社アプリケーションへ組み込むことが可能です。また、Common Vision Blox、HALCON、MERLIC、NeuroCheck、LabVIEWなど、主要なマシンビジョンソフトウェア向けのダイレクトインターフェースも提供されています。
今後の展望
Phenospex社は、PlantEyeシステムのさらなる高速化に力を入れています。IDSのドライバ設計思想により、将来にわたって安心して利用できるソリューションが提供されており、必要に応じてIDSの幅広いカメララインアップから別モデルへ切り替えることが可能です。その際に必要なのはカメラ固有パラメータの調整のみで、アプリケーションの再プログラミングは不要です。
Phenospex について
Phenospex社は、植物科学、農薬・農化学、育種分野向けに、あらゆる環境で植物を解析できるスマートセンサーを開発しています。
uEye LE
使用モデル：UI-1221LE
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