FR3090133A1

FR3090133A1 - Shooting system for full field root phenotyping.

Info

Publication number: FR3090133A1
Application number: FR1872995A
Authority: FR
Inventors: Eric CHAZALLET
Original assignee: SHAKTI
Current assignee: SHAKTI
Priority date: 2018-12-15
Filing date: 2018-12-15
Publication date: 2020-06-19

Abstract

Système de prise de vue pour le phénotypage racinaire plein champ. Le système de prise de vue permet dans une de ses implantations d’avoir un système de vue autonome permettant une acquisition automatique et rapide d’un champ racinaire visible à la périphérie d’un tube enterré. Il comporte au moins un système imageur associé à une optique réflexive de révolution et un système d’éclairement qui associés à d’autre éléments forment une cage optique se déplaçant à l’intérieur d’un tube transparent.Shooting system for full field root phenotyping. The shooting system allows in one of its locations to have an autonomous viewing system allowing automatic and rapid acquisition of a visible root field at the periphery of a buried tube. It comprises at least one imaging system associated with a reflective optic of revolution and an illumination system which associated with other elements form an optical cage moving inside a transparent tube.

Description

DescriptionDescription

Titre de l'invention : Système de prise de vue pour le phénotypage racinaire plein champ.Title of the invention: Shooting system for full-field root phenotyping.

[0001] Le phénotypage qui consiste à travailler sur les caractères physiques exprimés par une plante en fonction de son génotype et de son environnement est une discipline en pleine expansion.Phenotyping which consists of working on the physical characters expressed by a plant according to its genotype and its environment is a rapidly expanding discipline.

[0002] Si les premiers systèmes se sont essentiellement intéressés au aspects aériens des plantes en particulier avec l’utilisation de drones ou de robots, on voit depuis plusieurs années apparaître des systèmes de phénotypage racinaire. Il est clair que visualiser les parties souterraines de plantes s’avère plus complexe que visualiser les parties aériennes. Des premiers essais destructifs ont été effectués et consistent simplement à un stade de développement donné d’arracher le végétal, généralement de nettoyer les racines, éventuellement de les ordonner puis de les imager. Les systèmes qui sont apparus, au contraire, s’efforcent de ne pas être destructif et de suivre le développement racinaire tout le long du cycle de vie de la plante.If the first systems were mainly interested in the aerial aspects of plants in particular with the use of drones or robots, we have seen for several years root phenotyping systems. It is clear that visualizing the underground parts of plants is more complex than visualizing the aerial parts. First destructive tests have been carried out and simply consist of a given stage of development of plucking the plant, generally of cleaning the roots, possibly ordering them and then imaging them. The systems that have appeared, on the contrary, strive not to be destructive and to follow the root development throughout the life cycle of the plant.

[0003] Il existe essentiellement deux types de systèmes :There are essentially two types of systems:

[0004] - Phénotypage en milieu contrôlé- Phenotyping in a controlled environment

[0005] Ce type de phénotypage consiste à faire croître des végétaux dans un milieu contrôlé, à savoir généralement un rhizotron. Ce type de dispositif est conçu pour apporter à la plante les éléments nécessaires à sa croissance tout en offrant une facilité de prise de vue. Les rhizotrons peuvent cylindriques ou parallélépipédiques et présentent des parois transparentes. Les analyse se font généralement dans le domaine visible mais on trouve des dispositifs travaillant dans le domaine UV, IR et X.This type of phenotyping consists in growing plants in a controlled environment, namely generally a rhizotron. This type of device is designed to provide the plant with the elements necessary for its growth while offering ease of shooting. The rhizotrons can be cylindrical or parallelepipedic and have transparent walls. The analyzes are generally done in the visible domain but there are devices working in the UV, IR and X domain.

[0006] - Phénotypage plein champ- Full field phenotyping

[0007] Ce deuxième type de phénotypage est réalisé en plein champ avec un minimum d’équipement afin d’être au plus proche d’une croissance naturelle des végétaux.This second type of phenotyping is carried out in the field with a minimum of equipment in order to be as close as possible to natural plant growth.

[0008] Des essais sont actuellement conduits avec l’utilisation de rayonnement X ou d’ultra-sons mais il n’existe pas de dispositif commercial. En revanche on trouve un système relativement simple qui est constitué d’un tube transparent enfoncé dans le sol de manière oblique qui permet ainsi de créer un champ de visualisation pouvant fournir des indications sur l’état racinaire. En effet, des racines peuvent se développer autour du tube et il suffit alors d’imager la surface extérieure du tube pour pouvoir généralement par traitement d’image obtenir des informations quantitatives et qualitatives sur la croissance en terre du végétal.Tests are currently being carried out with the use of X-rays or ultrasound, but there is no commercial device. On the other hand, there is a relatively simple system which consists of a transparent tube driven obliquely into the ground which thus makes it possible to create a field of vision which can provide indications on the root state. Indeed, roots can develop around the tube and it is then enough to image the external surface of the tube to be able generally by image processing to obtain quantitative and qualitative information on the growth in soil of the plant.

[0009] Le système imageur est généralement constitué d’une barrette linéaire qui par rotation autour d’un axe sensiblement confondu avec l’axe du tube permet de réaliser une vue panoramique d’une tranche du tube. Le système imageur est ensuite déplacé dans le tube pour fournir l’image d’une autre tranche et cette opération est répétée pour obtenir des images de toute la zone utile du tube. Ces image peuvent ensuite être assemblées avant le traitement d’image ultérieur.The imaging system generally consists of a linear bar which, by rotation about an axis substantially coincident with the axis of the tube, makes it possible to achieve a panoramic view of a section of the tube. The imaging system is then moved into the tube to provide the image of another slice and this is repeated to obtain images of the entire useful area of the tube. These images can then be assembled before further image processing.

[0010] Les inconvénients majeurs d’un tel système sont les suivant :The major drawbacks of such a system are as follows:

[0011] - Nécessité d’assembler les images- Need to assemble the images

[0012] - Eaible profondeur de champ due à la faible distance entre l’imageur et les objets imagés- Low depth of field due to the short distance between the imager and the imaged objects

[0013] - Temps important d’opération- Significant operating time

[0014] - Mécanique complexes- Complex mechanics

[0015] - Opérateur sollicité pour le déplacement du capteur et le déclenchement de l’acquisition.- Operator requested to move the sensor and trigger the acquisition.

[0016] L’invention ici décrite à pour objet de pallier les divers inconvénients précédemment décrits.The invention described here aims to overcome the various drawbacks described above.

[0017] Les dessins annexés illustrent l’invention :The accompanying drawings illustrate the invention:

[0018] [Fig. 1] représente une première implantation de l’invention[Fig. 1] represents a first implementation of the invention

[0019] [Fig.2] représente une seconde implantation de l’invention[Fig.2] shows a second implementation of the invention

[0020] La figure 1 représente une section de la cage optique qui descend dans le tube (10) et image les racines lors de la descente et/ou de la remontée. Les principaux constituants de la cage optique sont :Figure 1 shows a section of the optical cage which descends into the tube (10) and images the roots during the descent and / or ascent. The main components of the optical cage are:

[0021] - un ou plusieurs câbles assurant des fonctions mécaniques pour charioter la cage optique à l’intérieur du tube, des fonctions électriques permettant l’alimentation des divers éléments électriques de la cage et des fonctions de transport d’information telles que télécommande de l’éclairage (5) et de la caméra (4) et transfert des images vers un système de traitement, typiquement un système informatique de type PC.- One or more cables providing mechanical functions for moving the optical cage inside the tube, electrical functions allowing the supply of the various electrical elements of the cage and information transport functions such as remote control for lighting (5) and camera (4) and transfer of images to a processing system, typically a PC type computer system.

[0022] - une paroi tubulaire (2) faite en matériau transparent tel que les verres minéraux ou organique et qui peut également assurer une fonction mécanique en solidarisant les pièces de support (11). L’axe de cette fenêtre est sensiblement confondu avec les axes des éléments (3) et (4).- A tubular wall (2) made of transparent material such as mineral or organic glasses and which can also provide a mechanical function by securing the support parts (11). The axis of this window is substantially coincident with the axes of elements (3) and (4).

[0023] - un élément optique réfléchissant de révolution autour d’un axe central (3), préférentiellement un miroir optique en forme de cône de demi-angle au sommet voisin de 45°. Cet élément optique permet une prise de vue à 360° autour de son axe de révolution et convertit optiquement une tranche cylindrique en un disque ajouré.- an optical element reflecting a revolution about a central axis (3), preferably an optical mirror in the form of a half-angle cone with a vertex close to 45 °. This optical element allows a 360 ° shot around its axis of revolution and optically converts a cylindrical slice into an openwork disc.

[0024] - un élément imageur (4) constitué d’un plan focal comprenant 1 ou plusieurs capteurs typiquement de type matriciel et d’un objectif en transmission. L’axe optique est sensiblement confondu avec l’axe optique de l’optique réflexive (3) et l’ensemble permet donc la prise d’image d’une tranche cylindrique en une seule acquisition du plan focal.- an imaging element (4) consisting of a focal plane comprising 1 or more sensors typically of the matrix type and of a transmission objective. The optical axis is substantially coincident with the optical axis of the reflexive optic (3) and the assembly therefore allows the taking of an image of a cylindrical slice in a single acquisition of the focal plane.

[0025] - des éléments d’éclairage (5) qui seront préférentiellement de type LEDs et qui peuvent éclairer en direct les objets à imager ou utiliser également l’optique réflexive (3) pour éclairer ces objets. Préférentiellement l’éclairage sera pulsé et synchronisé avec la période d’intégration de l’élément imageur.- lighting elements (5) which will preferably be of the LED type and which can illuminate directly the objects to be imaged or also use the reflective optics (3) to illuminate these objects. Preferably, the lighting will be pulsed and synchronized with the integration period of the imaging element.

[0026] La cage se déplace à l’intérieur d’un tube cylindrique transparent (10) et les objets à imager sont situés à l’extérieur de ce tube et généralement en appui avec la surface extérieure. La configuration présentée ici permet d’avoir une profondeur de champ élevée du fait de la distance importante entre l’imageur et les objets imagés. Cette distance peut être ajustée en fonction des caractéristiques de l’optique réflexive (3), de la distance entre les platines (11), de l’objectif et de la taille et résolution du ou des capteurs optiques utilisés. La prise d’image peut être faite en continu ou préférentiellement synchronisée avec la descente ou la remontée de la cage optique. Le dispositif (13) permet de mesurer la distance parcourue par la cage optique dans le tube imageur. Ce capteur peut être un galet presseur associé à un codeur ou tout autre dispositif fournissant une mesure de distance parcourue. Ce capteur peut également être associé au dispositif mécanique de chariotage de la cage optique, en particulier si le chariotage est assuré par un moteur enroulant les câbles (1). On utilisera généralement une synchronisation permettant d’avoir un recouvrement entre deux images successives afin de pouvoir reconstituer facilement une image complète de la surface extérieure du tube (10) et des objets visibles. Les images sont obtenues par l’intermédiaire d’une optique réflexive de révolution et les images obtenues doivent être traitées pour obtenir une image classique correspondant au déroulé de la surface. Ce traitement est classique et procure une image de qualité relativement constante dès lors que la largeur de la couronne image n’est pas trop large.The cage moves inside a transparent cylindrical tube (10) and the objects to be imaged are located outside of this tube and generally in contact with the outside surface. The configuration presented here provides a high depth of field due to the large distance between the imager and the imaged objects. This distance can be adjusted according to the characteristics of the reflective optics (3), the distance between the plates (11), the objective and the size and resolution of the optical sensor (s) used. The image can be taken continuously or preferably synchronized with the descent or ascent of the optical cage. The device (13) makes it possible to measure the distance traveled by the optical cage in the imaging tube. This sensor can be a pressure roller associated with an encoder or any other device providing a measurement of distance traveled. This sensor can also be associated with the mechanical device for turning the optical cage, in particular if the turning is carried out by a motor winding the cables (1). Synchronization will generally be used, making it possible to have an overlap between two successive images in order to be able to easily reconstruct a complete image of the external surface of the tube (10) and of visible objects. The images are obtained by means of a reflective optic of revolution and the images obtained must be processed to obtain a conventional image corresponding to the course of the surface. This treatment is conventional and provides an image of relatively constant quality as long as the width of the image crown is not too wide.

[0027] Une deuxième implantation est également proposé en figure 2. Celle-ci fournit l’avantage essentiel par rapport à la première implantation de ne pas nécessiter une fenêtre optique/mécanique (2) et d’améliorer ainsi la qualité image. La deuxième solution est entièrement autonome et présente des éléments complémentaires.A second layout is also proposed in Figure 2. This provides the essential advantage over the first layout of not requiring an optical / mechanical window (2) and thus improving the image quality. The second solution is completely autonomous and has complementary elements.

[0028] Les 2 platines (11) sont autonomes et comportent des moyens de déplacement (6) dans le tube. Une solution peut être l’utilisation de roues présentant un coefficient de frottement suffisamment important pour que la platine se déplace sans frottement par rapport à la surface interne du tube. Ces roues ou galets seront préférentiellement au nombre de 3 ou 4 mais d’autres solutions peuvent être envisagés en nombre et forme telle que des chenilles.The 2 plates (11) are autonomous and include displacement means (6) in the tube. One solution may be the use of wheels with a sufficiently high coefficient of friction for the plate to move without friction relative to the internal surface of the tube. These wheels or rollers will preferably be 3 or 4 in number, but other solutions can be envisaged in number and shape such as tracks.

[0029] Ces éléments sont actionnés pour certains d’entre eux ou tous par des moteurs associés à une logique de pilotage. Il est important en particulier de garantir une assiette relativement stable et si la qualité de la motorisation n’est pas suffisante, il pourra être rajouté sur la plate-forme des senseurs tels que inclinomètre, magnétomètre ou gyroscope. Ce déplacement autonome permet aussi la synchronisation des prises de vue car il est facile de connaître la distance parcourue par le module en utilisant des informations issues du pilotage des éléments moteurs ou des éléments esclave éventuel. Pour illustrer cela, il suffit de considérer un système à quatre roues motrices entraînées par des moteur pas-à-pas synchronisés et de compter le nombre de pas effectués. Il en serait de même avec un moteur de type brushless et codeur associé ou équivalent.These elements are actuated for some of them or all by motors associated with a control logic. It is important in particular to guarantee a relatively stable base and if the quality of the motorization is not sufficient, it can be added to the platform of sensors such as inclinometer, magnetometer or gyroscope. This autonomous movement also allows the synchronization of shots because it is easy to know the distance traveled by the module by using information from the control of the motor elements or of the possible slave elements. To illustrate this, it suffices to consider a four-wheel drive system driven by synchronized stepper motors and to count the number of steps taken. It would be the same with a brushless type motor and associated encoder or equivalent.

[0030] Pour que le système fonctionne correctement, il faut que la distance entre les deux platines (11) soit constante au cours du déplacement. En effet, cette distance est essentielle pour le chemin optique et ne doit varier d’une valeur supérieure à la profondeur de champ du système diminuée de la profondeur de champ nécessaire à la prise de vue de racine. Pour cela, on pourrait configurer le système en entrée de tube avec la bonne inter-distance et considérer que le déplacement mécanique garantit que cette distance est suffisamment constante tout le long de l’exploration du tube. Préférentiellement, on utilisera un dispositif télémétrique (8) mesurant la distance entre platine et intégré à l’asservissement du dispositif. Il convient aussi de pouvoir échanger des informations entre les platines pour gérer l’asservissement de distance . Pour cela au moins un dispositif de communication préférentiellement sans fil (7) est installé sur les platines. Ce dispositif peut en particulier être optique ou utiliser une transmission radio.For the system to work properly, the distance between the two plates (11) must be constant during the movement. Indeed, this distance is essential for the optical path and must not vary by a value greater than the depth of field of the system minus the depth of field necessary for taking a root shot. For this, we could configure the system at the tube entry with the correct inter-distance and consider that the mechanical displacement guarantees that this distance is sufficiently constant throughout the exploration of the tube. Preferably, a telemetric device (8) will be used to measure the distance between plate and integrated into the servo of the device. It is also necessary to be able to exchange information between the plates to manage the remote control. For this, at least one preferably wireless communication device (7) is installed on the plates. This device can in particular be optical or use radio transmission.

[0031] Une source d’énergie (9) est également intégré aux système pour alimenter l’ensemble des éléments nécessitant une alimentation électrique.An energy source (9) is also integrated into the system to supply all of the elements requiring electrical power.

[0032] Un module (12) permet de gérer le fonctionnement global du système et sera préférentiellement construit autour d’un micro-contrôleur.A module (12) makes it possible to manage the overall operation of the system and will preferably be built around a microcontroller.

[0033] A titre d’exemple, on peut donner une séquence de fonctionnement pour obtenir un enregistrement.As an example, we can give an operating sequence to obtain a record.

[0034] - On introduit la platine inférieure dans le tube enterré devant être imagé et le module se déplace d’une distance donnée, typiquement de 8 cm. La platine supérieure est positionnée à l’entrée du tube. On active alors par télécommande son positionnement initial. La platine se déplace alors pour garantir la distance optique optimale entre les platines, typiquement 5 cm.- The lower plate is introduced into the buried tube to be imaged and the module moves a given distance, typically 8 cm. The upper plate is positioned at the entrance of the tube. Its initial positioning is then activated by remote control. The stage then moves to guarantee the optimal optical distance between the stages, typically 5 cm.

[0035] On déclenche alors les acquisitions et les 2 platines vont se déplacer de manière synchrone et asservis. Tous les 1 cm, une acquisition va être déclenchée et va être directement transmise via le canal sans fil (8) ou stocké localement dans l’unité (12). Le système peut être pré-programmé pour parcourir une distance fixe ou préférentiellement on équipera la platine inférieure d’un dispositif de détection de fin de course (télémètre, interrupteur mécanique, ...). Le système se déplace alors en sens inverse pour être récupéré par l’utilisateur à la sortie du tube.It then triggers the acquisitions and the 2 plates will move synchronously and enslaved. Every 1 cm, an acquisition will be triggered and will be directly transmitted via the wireless channel (8) or stored locally in the unit (12). The system can be pre-programmed to cover a fixed distance or, preferably, the bottom plate will be fitted with an end of stroke detection device (range finder, mechanical switch, etc.). The system then moves in the opposite direction to be recovered by the user at the exit of the tube.

[0036] On peut prévoir des modes automatiques de remontée en cas de dysfonctionnement des organes de contrôle. On peut également prévoir un système filaire permettant de récupérer l’ensemble en cas de défaillance générale.Automatic modes of ascent can be provided in the event of malfunction of the control members. We can also provide a wired system to recover the whole in case of general failure.

[0037] Les deux implantations ne sont que des exemples et il est évident que l’on peut mixer les éléments entre ces deux exemples pour obtenir des systèmes sur-mesure.The two locations are only examples and it is obvious that we can mix the elements between these two examples to obtain tailor-made systems.

Claims

Claims [Claim 1] Shooting system characterized in that: - it includes a plate (11) comprising a reflective optical revolution allowing a 360 ° shooting (3) - It comprises a second plate (11) comprising at least one imager (4) whose optical axis is substantially coincident with the axis of the reflective optics - it includes a lighting system (5) - It has a transparent cylindrical window whose axis is substantially coincident with the axis of the reflective optics. [Claim 2] System according to claim 1 characterized in that the lighting system uses the reflective optics (4) to illuminate the objects to be imaged [Claim 3] System according to claim 1 characterized in that the triggering of the imager (4) is synchronized with a device (13) measuring the distance of movement of the optical cage in a transparent tube (10) [Claim 4] Shooting system characterized in that: - it includes a plate (11) comprising a reflective optical revolution allowing a 360 ° shooting (3) - It comprises a second plate (11) comprising at least one imager whose optical axis is substantially coincident with the axis of the reflective optics (4) - it includes a lighting system (5) - the 2 plates are autonomous and their movement is synchronized in order to maintain a relatively constant distance. [Claim 5] System according to claim 4 characterized in that a telemetry device (8) is arranged on at least one of the two plates [Claim 6] System according to claim 4 characterized in that a communication device is arranged between the plates [Claim 7] System according to claim 4 characterized in that a communication device with an external central unit is arranged on at least one of the plates