Виноградарство, ремесло бронзового века, совершенствуется с помощью технологии 21-го века от компании Artec 3D

30/05/2018

Виноградарство – наука, которую древнегреческий историк Фукидид называл признаком цивилизации, возможно, не самая ожидаемая область применения технологий 3D-сканирования Artec.

Виноградарство – наука, которую древнегреческий историк Фукидид называл признаком цивилизации, возможно, не самая ожидаемая область применения технологий 3D-сканирования Artec. Однако одно недавнее исследование показало, что их использование в процессе выращивания винограда может дать невероятные преимущества. В марте 2018 года издание Sensors опубликовало статью об исследовании, связанном с проблемой грибкового заболевания винограда, или так называемой “виноградной гнили”.  Известно, что этот грибок  часто приводит к обширному поражению виноградной лозы, повреждению плодов и снижению урожайности. Ученые Института возделывания винограда Geilweilerhof и Боннского университета объединили усилия в проведении исследования с целью разработки инновационного метода анализа на основе цифровой визуализации, который помог бы сократить риск заражения виноградной гнилью и улучшить процесс селекции винограда.

Инструментом их исследования стал 3D-сканер Space Spider от компании Artec 3D.

В процессе этого эксперимента ученые выяснили, что использование сканера Space Spider для получения 3D-изображений гроздей винограда может существенно ускорить статистический анализ характеристик растения по сравнению с традиционными методами. Основанный на технологии голубой структурированной диодной подсветки, Artec Space Spider предлагает удобный, быстрый и мощный процесс сканирования, в результате которого получаются насыщенные 3D-изображения высокого разрешения. Устройство используют во множестве отраслей благодаря его способности считывать сложную геометрию, различные текстуры и цвета с точностью до 0,05 мм. Очень легкий, весом менее одного килограмма, этот 3D-сканер работает одинаково эффективно как в помещении, так и на открытом воздухе, что делает его идеальным инструментом для 3D-съемки, запланированной учеными в рамках этого исследования.

Таким образом, ученые заметили зависимость между “плотностью виноградной грозди” и вероятностью заражения грибком. Другие исследования ранее подтверждали, что, чем плотнее гроздь винограда, тем выше риск развития грибкового заболевания. На практике многие растениеводы приходят к такому же выводу, поэтому предпочитают культивировать сорта винограда с гроздями менее плотной структуры.

С точки зрения экономики, возделывание винограда, имеющего грозди меньшей плотности, приносит бóльшую прибыль, в то время как повышенный риск заражения плодов грибком приводит к убыткам. Но, как сказано на первых страницах исследования, о котором идет речь, “Виноград культурный (Vitis vinifera L. подвид Vinifera) – одна из наиболее выгодных сельскохозяйственных культур в мире”.

Однако, для виноградарей снижение плотности грозди – отнюдь не простая задача.

Во-первых, морфологические признаки винограда чрезвычайно сложны и разнообразны. Кажущиеся бессчетными особенности строения каждого растения, заложенные в его уникальной генетической структуре, требуют скрупулезного изучения. Во-вторых, учитывая  сложную трехмерную “мозаику” грозди винограда, 3D-изображение всего одной такой грозди может составлять огромный объем данных с информацией о размере, количестве и возрасте ягод. Международная организация виноградарства и виноделия даже публикует систему балльной оценки для классификации морфологии винограда на основании целого ряда характеристик. Тем не менее, этот метод требует неоправданно большого количества времени и трудозатрат. И, возможно, нежелательнее всего то, что, по мнению авторов исследования, данные, получаемые в результате такого анализа, весьма субъективны и изобилуют погрешностями.

Грозди винограда, используемые в исследовании для сбора данных и анализа характеристик

Сканер Space Spider компании Artec 3D, напротив, предлагает куда более эффективный и объективный подход к анализу структуры винограда. В лаборатории ученые сканировали 10 гроздей столового винограда с помощью Space Spider. Все десять раз сканирование производилось с разной скоростью вращения. Это позволило ученым оценить точность считывания данных, так как различная скорость вращения дает разную плотность точек. Когда Space Spider завершил построение облака точек, ученые выгрузили эти 3D-данные в программное приложение 3D-Bunch-Tool, разработанное для анализа характеристик винограда, таких как, размер и количество ягод.

Программа 3D-Bunch-Tool (3D-BT) основана на модифицированном алгоритме, включающем три этапа. Вначале, облако точек высокого разрешения уменьшается, что является стадией предварительной обработки, которая помогает сократить время вычислений. Далее, точки облака сегментируются, образуя “области”, каждая из которых определяет очертания отдельной ягоды. И, наконец, посредством метода оценки параметров RANSAC производится построение сферических моделей – на основании данных, полученных на предыдущем этапе. На завершающей стадии цифровое изображение грозди винограда редактируется.

Пользовательский интерфейс программы 3D-Bunch-Tool (3D-BT)

После обработки облаков точек, полученных со Space Spider, в программе 3D-BT, 3D-данные сопоставили с измерениями, сделанными ручными средствами. На этой стадии эксперимента, к радости ученых, статистическое сравнение показало несущественную разницу между 3D- и ручными измерениями по всем параметрам.

Авторы исследования также делают акцент на потенциальной экономии времени и средств, которую обеспечивает метод 3D-сканирования. В результате сравнения подходов они заключили: “В зависимости от размера грозди и количества её ягод, весь процесс (в случаях использования прочих методов) занимает в среднем около 10 минут на одну гроздь. При этом требуются большие трудозатраты, и повреждаются плоды. Сравните: на создание облака точек с помощью Artec Spider и запись данных уходит в среднем одна минута, что в десять раз быстрее, эффективнее и не приводит к повреждению ягод. Помимо этого, такой способ позволяет изучать структуру грозди в её естественном положении”.

Далее в статье ученые подчеркивают, что, несмотря на то, что метод цифрового визуального анализа на базе облаков точек существовал уже давно, он зачастую был сопряжен с применением чрезмерно дорогостоящих лазерных технологий и при этом включал использование контактных средств. Естественным образом, дороговизна и прочие ограничения снизили привлекательность этих методов для ученых. Поэтому они остановили свой выбор на решениях для 3D-сканирования от Artec 3D. Они в особенности восхищены устройством Space Spider из-за его универсальности и бесконтактной технологии: “Сканирование гроздей с помощью Artec Spider непосредственно в поле дает возможность получать 3D-характеристики бесконтактным способом и очень быстро”.

Фенотипирование в полевых условиях

Дополнительным преимуществом сканера Space Spider является его легкий вес и портативная конструкция, позволяющая работать с ним практически в любых условиях и форматах исследований, включая сканирование в поле. Действительно, ученые видят огромный потенциал в использовании методов на основе цифровой визуализации в полевых условиях, в особенности, для проведения сравнительной оценки состояния растений. С помощью решений для 3D-сканирования, таких, как Space Spider, ученые могут также отслеживать рост винограда на протяжении длительного периода времени под воздействием различных условиях окружающей среды.

Применение 3D-сканирования позволяет виноградарям делать правильный выбор в процессе производства и селекции винограда. С его помощью они имеют возможность повышать урожайность, принимая активные меры для профилактики грибковой болезни виноградной лозы. Всё, что для этого необходимо – внедрить 3D-сканирование – технологию 21 века в многотысячелетнюю практику возделывания винограда.

Источник цитат: http://www.mdpi.com/1424-8220/18/3/763/htm

Связаться с нами