GigE Vision erforscht Meerestiefen

Digitalkameras von Prosilica werden vom Alaska Department of Fish and Game für die Erforschung von Muschelbeständen in der Beringsee.

Mit 2 Milliarden Dollar Exportumsatz (2006) macht die Fischerei die Hälfte der gesamten Exporte des US-Bundesstaates Alaska aus. Die Branche ist der größte Arbeitgeber und wichtigste Wirtschaftszweig Alaskas. Das Alaska Department of Fish and Game (ADF&G) ist die Behörde, die für die Sicherung von nachhaltigen Ressourcen an Fisch, Meeresfrüchte und Wild im 49. Bundesstaat zuständig ist.

Die Herausforderung:
Auf der Suche nach einem Erfassungssystem für den Meeresgrund

Das ADF&G begann bereits 1999 mit dem Experiment einer Videoerfassung der Tiefen für die Ermittlung der Jakobsmuschelbestände. Der damals verwendete Prototyp bestand aus einem Schlitten, an dem ein Camcorder in einem druckdichten Gehäuse sowie eine batteriebetriebene Beleuchtung befestigt waren. Der Schlitten wurde auf dem Meeresgrund hinuntergelassen und von einem Schiff von der Oberfläche aus gezogen. Dieses System erwies sich aber bald als unbefriedigend, und zwar aus drei Gründen:

  • Die Bildqualität: die Auflösung des Camcorders reichte nicht, um Muscheln mit einer Schalenhöhe von unter 50mm zuverlässig zu erkennen.
  • Die Nutzbarkeit der Bilddaten: ein Großteil der erfassten Bilder konnte nicht bearbeitet werden, entweder wegen unklarem Wasser oder wegen technischer Probleme.
  • Die Stromversorgung: da die Batterien immer wieder aufgeladen werden mussten, war der Messvorgang zeitlich sehr begrenzt.

Auf der Suche nach einem effizienteren, schnellen und hochauflösenden Bildverarbeitungssystem für die Unterwasserforschung wandte sich das ADF&G an die Wood’s Hole Oceanographic Institution (WHOI) aus Cape Cod, Massachusetts, die als erste Machine Vision Kameras für die Fischereiforschung in ihrem HabCam Projekt eingesetzt hatte. Die WHOI empfahl der Behörde in Alaska die Gigabit Ethernet Tech-nologie.Die Lösung: GigE Vision Camera von ProsilicaDas ADF&G kontaktierte Prosilica in Januar 2006. Als Lösung schlug der kanadische Kamerahersteller seine GE1380C GigE Vision Digitalkamera vor. Die GE1380C ist eine kompakte Farbkamera mit 1,4 Megapixel Auflösung. Sie ist mit einem hochwertigen Sony ICX285 CCD-Sensor ausgestattet und bietet mit ihrer hohen Empfindlichkeit und ihrem niedrigen Rauschen eine hervorragende Bildqualität – und das selbst bei schlechten Lichtverhältnissen, wie es bei 40-140m Tiefe der Fall ist. Die Kamera liefert 20 Bilder pro Sekunde bei voller Auflösung mit einer Datenrate von 125 MByte/s. Ihr Gigabit Ethernet Interface ist weitestgehend plug-and-play und ermöglicht Kabellängen von bis zu 100m mit herkömmlichen Cat5e Netzwerkkabeln. Mit optischen Fasern lassen sich sogar mehrere Kilometer überbrücken.Das von dem ADF&G entwickelte System besteht aus einem Zugschiff und einem Kameraschlitten. Im Prinzip ist das ein lokales Netwerk (LAN) mit zwei Gigabit Ethernet Switches, die miteinander durch ein optisches Faserkabel verbunden sind: der eine befindet sich in einem druckdichten Gehäuse am Schlitten und der andere in der Kabine auf dem Schiff. Jede Komponente des Netzwerks (Computer, Sonar zur Hinderniserkennung, Temperatursensor, Tastsensor, Prosilica Kamera,…) ist über Standart-Cat5e-Kabel mit einem Switch verbunden. Die Switches wiederum sind Optischen-Faser-Umwandlern angeschlossen, mit denen die Datenübertragung über 2 Kilometer möglich wird.Drei Standard-PCs sind mit dem Switch auf dem Schiff vernetzt: der eine für die Fernsteuerung der Prosilica GE1380C Kamera und die Bildarchivierung; die beiden anderen für die von der ADF&G programmierte Navigationssoftware, die Erfassung der GPS-Positionierungsdaten und die Kommunikation mit den seriellen Geräten auf dem Schlitten. Die GE1380C Kamera mit 8mm Objektiv ist in ihrem eigenen druckdichten Gehäuse mit der Glaskuppel an dem Schlitten befestigt. Blitzlicht sorgt für scharfe Bilder in dieser dunklen Umgebung trotz der Zuggeschwindigkeit von 5-8,5km/h.

Erfolgreiche Umsetzung, Erweiterung des Einsatzgebiets
Das System wurde zum ersten Mal mit der Pandalus als Zugschiff in Juni 2006 getestet. Es folgte der Test einer verbesserten Version des Schlittens im Juni 2007. Der 3,5 x 1,8 Meter große Schlitten sitzt mit zwei Skiern auf dem Sandboden. Vier Blitzlampen sind in eigenen druckdichten Gehäusen um die Kamera herum angeordnet, um die Bodenfläche vor dem Schlitten zu beleuchten. Während beiden Kampag-nen, die insgesamt 12 Tagen dauerten, wurden 1,1 Millionen Bilder des Meeresgrunds bei Tiefen von 40 bis 140 Meter und über eine Dis-tanz von 550 km erfasst. Die Prosilica GE1380C funktionierte bestens mit einer Bildrate von 4 fps bei Geschwindigkeiten von 5 bis 8,5 km. Dank der Auflösung von über 1 Pixel/mm konnten selbst Objekte unter 50mm Größe bei den meisten Wasserbedingungen erkannt werden.

Nach weiteren Tests erwies sich das Schlittensystem als sehr nützlich für andere Forschungszwecke als die ursprüngliche Erfassung von Jakobsmuschelbeständen – etwa die präzise Kartographie des Tierartenhabitats, die akustische Messung des Meeresbodens, die benthonische Ökologieforschung oder weitere Studien zur Auswirkung der Fischerei.