KR102138808B1 - Prediction System and Prediction Method for Germination Rate of Grain - Google Patents

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Abstract

본 발명은 곡물의 발아율 예측 시스템 및 발아율 예측 방법에 관한 것으로 곡물 시료에 대한 분광분석 데이터와 형상 특성 및 색 특성 데이터를 인공지능 알고리즘 기반의 발아율 예측 프로그램에 적용하여 곡물 시료의 발아율을 보다 정확하게 예측할 수 있다. The present invention relates to a germination rate prediction system and a germination rate prediction method for grains, and it is possible to more accurately predict the germination rate of grain samples by applying spectral analysis data, shape characteristics, and color property data for grain samples to an artificial intelligence algorithm-based germination rate prediction program. have.

Description

곡물의 발아율 예측 시스템 및 발아율 예측 방법{Prediction System and Prediction Method for Germination Rate of Grain}Prediction System and Prediction Method for Germination Rate of Grain

본 발명은 곡물의 발아율 예측 시스템 및 상기 시스템을 이용한 곡물의 발아율 예측 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a grain germination rate prediction system and a method for predicting grain germination rate using the system.

발아는 적당한 환경하에서 싹이 발생 또는 그 종의 번식을 위해 생명을 시작하는 것으로 종자의 씨눈과 배젖에 있는 비활성 상태의 DNA 유전정보와 각종 효소, 영양소 등이 외적 환경 여건이 좋아지면 활성화 되어 식물로서의 생명을 시작하는 과정이다. Germination is the start of life for germination or breeding of the species under a suitable environment. As the genetic information of inactive DNA and various enzymes and nutrients in the seed's eyes and endosperm are activated when the external environment conditions improve, it becomes active as a plant. It is the process of starting life.

쌀은 적당한 온도와 수분(30-35%) 하에서 식물의 성장물질인 지베렐린(gibberellin) 물질이 분비되면서, 배반 상피조직의 유전자에서 생합성 발생으로 가수분해 효소의 대량 복제가 일어나고 배유에서 배아로 탄수화물이 다량 이동하면서 호흡과 물질대사가 활발해져 건물 중량이 늘어나고 발아가 이루어진다. Rice releases the plant's growth material, gibberellin, under moderate temperature and moisture (30-35%), resulting in biosynthesis in the genes of the blastocyst tissue, resulting in massive replication of hydrolytic enzymes and carbohydrates from embryos to embryos. Breathing and metabolism become active while moving in large quantities, increasing the weight of the building and germinating.

일정한 양의 쌀 가운데 발아할 수 있는 씨앗의 비율을 발아율이라고 하며, 벼의 발아율 측정방법은 정립 100립을 20의 온도 조건에서 7일 이내에 발아한 미립수를 측정한다. 또한, 발아가 이루어지기 위해서는 배아에서 효소가 활성화되어 있어야 하는데, 이러한 효소 활성 현상은 분광분석법을 적용하여 특정 파장대에서 흡광도 측정이 가능하다. 즉, 일반적인 원료 상태에서는 정도의 차이가 있지만 발아 과정과 동일하게 효소에 의한 품질 저하가 계속 발생되며, 다양한 파장대의 빛을 조사하면 원자단 및 미량 성분 함유량을 측정할 수 있다. 따라서, 벼에서 발아율이 높다는 것은 배아가 살아있는 곡립의 비율이 높다는 것이며, 곡립이 살아있다는 것은 효소 활성이 있다는 것으로서 효소 활성도의 측정, 즉 효소 반응으로 발생된 대사 물질의 측정이 분광분석 기법으로 측정이 가능하다. The percentage of seeds that can germinate in a certain amount of rice is called the germination rate, and the method of measuring the germination rate of rice measures the number of granules germinated within 7 days under the temperature condition of 20. In addition, in order for germination to occur, the enzyme must be activated in the embryo, and this enzyme activity phenomenon can be measured by absorbance at a specific wavelength by applying a spectroscopic method. That is, although there is a difference in degree in the general raw material state, the quality degradation by the enzyme continues to occur in the same manner as the germination process, and the content of atomic groups and trace components can be measured by irradiating light of various wavelength bands. Therefore, a high germination rate in rice means that the proportion of grains in which the embryo is alive is high, and that the grains are alive has enzymatic activity. It is possible.

본 발명자들은 정확도가 향상된 발아율 예측 방법을 개발하기 위해 예의 연구 노력하였다. 그 결과, 곡물 시료에 대한 분광분석 데이터와 배아 부분의 형상 특성 및 색 특성 데이터를 인공지능 알고리즘 기반의 발아율 예측 프로그램에 적용하여 곡물 시료의 발아율을 보다 정확하게 예측할 수 있음을 규명함으로써 본 발명을 완성하였다. The present inventors made extensive efforts to develop a method for predicting germination rates with improved accuracy. As a result, the present invention was completed by proving that the germination rate of the grain sample can be more accurately predicted by applying the spectral analysis data of the grain sample and the shape and color characteristic data of the embryo part to the germination rate prediction program based on the artificial intelligence algorithm. .

따라서 본 발명의 목적은 곡물의 발아율 예측 시스템을 제공하는 데 있다. Accordingly, an object of the present invention is to provide a system for predicting germination rate of grain.

본 발명의 다른 목적은 곡물의 발아율 예측 방법을 제공하는 데 있다. Another object of the present invention is to provide a method for predicting the germination rate of grain.

본 발명의 일 양태는 다음을 포함하는 곡물의 발아율 예측 시스템에 관한 것이다:One aspect of the present invention relates to a system for predicting germination rates of grains comprising:

곡물 시료들이 정렬되는 시료 정렬부; A sample sorting unit in which grain samples are aligned;

광원을 포함하는 광원부;A light source unit including a light source;

상기 광원부에서 곡물 시료에 조사(illumination)된 광원에 의해 상기 곡물 시료로부터 반사되어 나오는 반사광을 검출하는 반사광 검출부; A reflected light detector configured to detect reflected light reflected from the grain sample by a light source irradiated to the grain sample from the light source unit;

곡물 시료의 이미지를 촬영하는 이미지 촬영부;An image photographing unit for photographing an image of a grain sample;

상기 이미지 촬영부에서 얻은 이미지로부터 형상 특성 및 색 특성을 분석하는 이미지 분석부; 및An image analysis unit analyzing shape characteristics and color characteristics from the image obtained by the image photographing unit; And

상기 반사광 검출부 및 이미지 분석부로부터 얻은 데이터를 적용하여 곡물의 발아율을 예측하는 발아율 예측부.Germination rate prediction unit to predict the germination rate of grain by applying the data obtained from the reflected light detection unit and the image analysis unit.

본 발명자들은 정확도가 향상된 발아율 예측 방법을 개발하기 위해 예의 연구 노력하였고 그 결과, 곡물 시료에 대한 분광분석 데이터와 배아 부분의 형상 특성 및 색 특성 데이터를 인공지능 알고리즘 기반의 발아율 예측 프로그램에 적용하여 곡물 시료의 발아율을 보다 정확하게 예측할 수 있음을 규명하였다. The present inventors have made earnest research efforts to develop a method for predicting germination rates with improved accuracy, and as a result, spectral analysis data for grain samples and shape and color characteristic data of embryo parts are applied to a germination rate prediction program based on an artificial intelligence algorithm. It was found that the germination rate of the sample can be predicted more accurately.

본 발명의 곡물의 발아율 예측 시스템에서 상기 광원은 자외선 파장범위를 갖는 광원, 가시광 파장범위를 갖는 광원 및 근적외선 파장범위를 갖는 광원으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 광원일 수 있다. In the germination rate prediction system of the grain of the present invention, the light source may be one or more light sources selected from the group consisting of a light source having an ultraviolet wavelength range, a light source having a visible light wavelength range, and a light source having a near infrared wavelength range.

상기 광원은 시료 정렬부 상부에 위치할 수 있다. The light source may be located above the sample alignment unit.

상기 광원의 파장 범위는 200 내지 2,200 nm일 수 있다. The wavelength range of the light source may be 200 to 2,200 nm.

상기 반사광 검출부는 근적외선(NIR) 대역의 스펙트럼 측정을 위한 센서를 포함할 수 있다. The reflected light detector may include a sensor for spectrum measurement in a near infrared (NIR) band.

상기 근적외선(NIR) 대역의 스펙트럼 측정을 위한 센서는 시료 정렬부 상부에 위치할 수 있다. The sensor for spectrum measurement in the near infrared (NIR) band may be located above the sample alignment unit.

상기 근적외선(NIR) 대역의 스펙트럼 측정을 위한 센서는 시료로부터 반사되는 반사광에서 900-1,700 nm 대역의 근적외선 광 스펙트럼을 검출하고 이를 광전변환하여 출력한다. The sensor for spectrum measurement in the near infrared (NIR) band detects the near infrared light spectrum in the 900-1,700 nm band from reflected light reflected from the sample, and photoelectrically converts it to output.

상기 이미지 촬영부에 의해 얻은 이미지로부터 수득하는 형상 특성은 곡물 시료 배아 부분의 면적(area), 둘레(perimeter), 단축(minor axis), 장축(major axis), 장단축 비율, 외곽선 비율(contour ratio) 및 원형도(roundness)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 형상 특성일 수 있다. The shape characteristics obtained from the image obtained by the image photographing unit are the area, perimeter, minor axis, major axis, long and short axis ratio, and contour ratio of the grain sample embryo. ) And one or more shape characteristics selected from the group consisting of roundness.

상기 이미지 촬영부에 의해 얻은 이미지로부터 수득하는 색 특성은 곡물 시료 배아 부분의 Lab 색 공간 값일 수 있다. The color characteristic obtained from the image obtained by the image photographing unit may be a Lab color space value of a grain sample embryo.

상기 Lab 색 공간 값에서 L은 명도(luminosity) 축, a는 빨강(red)/초록(green)의 보색(complementary color) 축, b는 노랑(yellow)/파랑(blue)의 보색축을 의미한다. In the Lab color space value, L is a luminance axis, a is a red/green complementary color axis, and b is a yellow/blue complementary axis.

상기 반사광 검출부로부터 얻은 분광분석 데이터 및 이미지 분석부로부터 얻은 형상 특성 및 색 특성 데이터를 인공지능 알고리즘 기반의 발아율 예측 프로그램에 적용하여 곡물의 발아율을 예측할 수 있다. The germination rate of grain can be predicted by applying the spectral analysis data obtained from the reflected light detection unit and the shape characteristic and color characteristic data obtained from the image analysis unit to the germination rate prediction program based on the artificial intelligence algorithm.

상기 곡물은 현미, 녹두, 수수, 율무, 콩, 보리, 차조, 옥수수, 밀 및 귀리로 구성된 군으로부터 선택되는 것이다.The grain is selected from the group consisting of brown rice, mung bean, sorghum, yulmu, soybean, barley, green tea, corn, wheat and oats.

본 발명의 다른 양태는 다음의 단계를 포함하는 곡물의 발아율 예측 방법에 관한 것이다:Another aspect of the invention relates to a method for predicting the germination rate of grains comprising the following steps:

광원을 곡물 시료에 조사하는 광원 조사 단계;A light source irradiation step of irradiating a light source to the grain sample;

곡물 시료로부터 반사되어 나오는 반사광을 검출하는 반사광 검출 단계; A reflected light detection step of detecting reflected light reflected from the grain sample;

곡물 시료의 이미지로부터 형상 특성 및 색 특성을 분석하는 이미지 분석 단계; 및An image analysis step of analyzing shape characteristics and color characteristics from images of grain samples; And

상기 반사광 검출 단계 및 이미지 분석 단계에서 얻은 데이터를 인공지능 알고리즘 기반의 발아율 예측 프로그램에 적용하여 곡물의 발아율을 예측하는 발아율 예측 단계.Germination rate prediction step of predicting the germination rate of grain by applying the data obtained in the reflected light detection step and the image analysis step to the germination rate prediction program based on an artificial intelligence algorithm.

상기 인공지능 알고리즘 기반의 발아율 예측 프로그램에서 입력값은 곡물 배아의 시료 배아 부분의 형상 특성 및 칼라 특성을 정량화한 데이터 및 곡물 시료로부터 반사되어 나오는 반사광에 대한 분광분석 데이터이고, 학습 target은 발아 여부인 0(미발아)과 1(발아)일 수 있다. In the germination rate prediction program based on the artificial intelligence algorithm, the input values are data quantifying shape characteristics and color characteristics of the sample embryo part of the grain embryo, and spectroscopic analysis data for reflected light reflected from the grain sample, and the learning target is germination or not. It can be 0 (not germinated) and 1 (germinated).

상기 곡물은 현미, 녹두, 수수, 율무, 콩, 보리, 차조, 옥수수, 밀 및 귀리로 구성된 군으로부터 선택되는 것이다.The grain is selected from the group consisting of brown rice, mung bean, sorghum, yulmu, soybean, barley, green tea, corn, wheat and oats.

본 발명은 곡물의 발아율 예측 시스템 및 발아율 예측 방법에 관한 것으로 곡물 시료에 대한 분광분석 데이터와 형상 특성 및 색 특성 데이터를 인공지능 알고리즘 기반의 발아율 예측 프로그램에 적용하여 곡물 시료의 발아율을 보다 정확하게 예측할 수 있다. The present invention relates to a germination rate prediction system and a germination rate prediction method for grains, and it is possible to more accurately predict the germination rate of grain samples by applying spectral analysis data, shape characteristics, and color property data for grain samples to an artificial intelligence algorithm-based germination rate prediction program. have.

도 1은 200-400 nm UV 영역에서 발아율 실측치 및 예측치를 비교한 결과이다.
도 2는 900-1,700 nm NIR 영역에서 발아율 실측치 및 예측치를 비교한 결과이다.
도 3은 UV-NIR 영역에서 발아율 실측치 및 예측치를 비교한 결과이다.
도 4는 발아력(발아가 시작되는 일자)별로 발아되는 시료수(N=190점)를 확인한 결과이다.
도 5a는 배아 형상인식 알고리즘 순서도에서 이미지 획득 단계를 나타낸다.
도 5b는 배아 형상인식 알고리즘 순서도에서 인자 분석 및 추출 단계를 나타낸다.
도 5c는 배아 형상인식 알고리즘 순서도에서 형상 획득 단계를 나타낸다.
도 5d는 배아 형상인식 알고리즘 순서도에서 형상 분석 단계를 나타낸다.
도 6a는 1일 째 발아 현미의 원시 및 CBB 이미지이다.
도 6b는 2일 째 발아 현미의 원시 및 CBB 이미지이다.
도 6c는 3일 째 발아 현미의 원시 및 CBB 이미지이다.
도 6d는 발아가 불가능한 현미의 원시 및 CBB 이미지이다.
도 7은 인공지능의 학습 순서도이다.
도 8a는 ANN(Artificial Neural Network) 프로그램을 나타낸다.
도 8b는 ANN 프로그램의 학습과정을 나타낸다.
도 9a는 NIR에 의한 PLSR 분석을 통해 발아율을 측정한 결과이다.
도 9b는 영상데이터 및 ANN 분석을 통해 발아율을 측정한 결과이다.
도 9c는 NIR 데이터, 영상데이터 및 ANN 분석을 통해 발아율을 측정한 결과이다.
1 is a result of comparing germination rate measurement and prediction in the 200-400 nm UV region.
2 is a result of comparing germination rate measurement and prediction in the 900-1,700 nm NIR region.
3 is a result of comparing germination rate measured values and predicted values in the UV-NIR region.
4 is a result of checking the number of samples (N = 190 points) germinated by germination force (date when germination starts).
Figure 5a shows the image acquisition step in the embryo shape recognition algorithm flowchart.
Figure 5b shows the factor analysis and extraction steps in the embryo shape recognition algorithm flowchart.
Figure 5c shows the shape acquisition step in the embryo shape recognition algorithm flowchart.
Figure 5d shows the shape analysis step in the embryo shape recognition algorithm flowchart.
6A is a raw and CBB image of germinated brown rice on day 1.
6B is a raw and CBB image of germinated brown rice on day 2.
6C is a raw and CBB image of germinated brown rice on day 3.
6D is a raw and CBB image of brown rice that cannot germinate.
7 is a learning flow chart of artificial intelligence.
8A shows an ANN (Artificial Neural Network) program.
8B shows the learning process of the ANN program.
9A is a result of measuring germination rate through PLSR analysis by NIR.
9B is a result of measuring germination rate through image data and ANN analysis.
Figure 9c is the result of measuring the germination rate through NIR data, image data and ANN analysis.

이하, 본 발명을 하기의 실시예에 의하여 더욱 상세히 설명한다. 그러나 이들 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의하여 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail by the following examples. However, these examples are only for illustrating the present invention, and the scope of the present invention is not limited by these examples.

실험예Experimental Example 1: 분광분석법에 의한 쌀의 발아율 측정 1: Measurement of germination rate of rice by spectroscopic analysis

쌀의 발아율을 측정하기 위해 자외선(UV), 가시광(visible) 및 근적외선(NIR) 영역의 광원을 시료에 조사하고 시료로부터 반사되는 반사광에서 200-400 nm 대역의 자외선 광 스펙트럼과 900-1,700 nm 대역의 근적외석 광 스펙트럼을 검출하였다. In order to measure the germination rate of rice, ultraviolet (UV), visible and near-infrared (NIR) light sources are irradiated to the sample and the ultraviolet light spectrum in the 200-400 nm band and 900-1,700 nm band in the reflected light reflected from the sample The near infrared light spectrum was detected.

스펙트럼은 200-400 nm의 자외선 영역과 900-1,700 nm의 근적외선 영역에서 2-30 nm 차이의 파장대 범위로 총 460개의 파장대의 스펙트럼을 획득하였다. The spectrum was obtained in a total of 460 wavelength bands in the wavelength range of 2-30 nm difference in the 200-400 nm ultraviolet region and the 900-1,700 nm near infrared region.

도 1에서 확인할 수 있듯이, 200-400 nm의 자외선(UV) 영역에서 획득한 총 204개 파장대의 스펙트럼에 대한 주성분(principal component) 분석에서 주성분이 7개일 때 분산(variance)이 가장 낮게 나타났고, 총 204개 파장대의 상관관계를 분석한 결과, 특정 영역에서의 상관관계가 나타나지 않고, 넓은 범위에서 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 발아율 실측치와 스펙트럼에 의한 발아율 예측치를 검량식 그래프로 분석한 결과 결정계수는 0.85로 나타났다.As can be seen in Figure 1, the principal component (principal component) analysis of the spectrum of a total of 204 wavelength bands obtained in the ultraviolet (UV) region of 200-400 nm showed the lowest variance when there are 7 main components, As a result of analyzing the correlation of a total of 204 wavelength bands, it was found that there was no correlation in a specific area, but a correlation in a wide range. The coefficient of determination was 0.85.

또한, 도 2에서 확인할 수 있듯이, 900-1,700 nm의 근적외선(NIR) 영역에서 획득한 총 256개 파장대 스펙트럼에 대한 주성분 분석에서 주성분이 5개일 때 분산이 가장 낮게 나타났고, 총 204개 파장대의 상관관계를 분석한 결과, UV 영역에서와 비슷하게 특정영역에서의 상관관계가 나타나지 않고 넓은 범위에서 상관관계가 있는 것으로 나타났으며, 발아율 실측치와 스펙트럼에 의한 발아율 예측치를 검량식 그래프로 분석한 결과 결정계수는 0.88로 나타났다.In addition, as can be seen in FIG. 2, in the principal component analysis for a total of 256 wavelength band spectrums obtained in the near infrared (NIR) region of 900-1,700 nm, the dispersion was the lowest when there were 5 principal components, and the correlation of the total 204 wavelength bands As a result of analyzing the relationship, it was found that there was no correlation in a specific region, similar to that in the UV region, but a correlation in a wide range. As a result of analyzing the measured germination rate and the predicted germination rate by spectrum using a calibration graph, the determination coefficient Was 0.88.

도 3에서 확인할 수 있듯이, 200-400 nm의 자외선(UV) 영역과 900-1,700 nm의 근적외선(NIR) 영역에서 획득한 총 460개 파장대의 스펙트럼에 대한 주성분(principal component) 분석에서 주성분이 6개일 때 분산(variance)이 가장 낮게 나타났고, 총 460개 파장대의 상관관계를 분석한 결과, 250개 이상의 파장대에서 상관관계(5% 수준)가 있는 것으로 나타났으며, 발아율 실측치와 스펙트럼에 의한 발아율 예측치를 검량식 그래프로 분석한 결과 결정계수는 0.87로 나타났다.As can be seen in Figure 3, the principal component (principal component) analysis for the spectrum of a total of 460 wavelength bands obtained in the ultraviolet (UV) region of 200-400 nm and near-infrared (NIR) region of 900-1,700 nm is 6 days When the variance was the lowest, and a correlation analysis of a total of 460 wavelength bands was found, there was a correlation (5% level) in more than 250 wavelength bands. As a result of analyzing the calibration graph, the determination coefficient was 0.87.

도 4에서 확인할 수 있듯이, 현미 190립을 대상으로 발아가 되는 시점을 측정한 결과에서 각 단립마다 싹이 트는 힘인 발아능력 즉, 발아력에 차이가 있는 것으로 나타났고, 그에 따라 이치화에 대한 보완이 필요하다고 판단하였다.As can be seen in Figure 4, the results of measuring the time of germination for 190 grains of brown rice showed that there is a difference in germination ability, that is, the germination capacity, which is the sprouting force for each granule, and thus it is necessary to compensate for binarization. I judged it.

실험예Experimental Example 2: 발아율 측정 정확도 향상 2: Improve germination rate measurement accuracy

발아율 분석에서 1(발아)과 0(미발아)사이의 모호한 값에 대한 이치화 분석기법을 보완하기 위하여 배아의 형상과 칼라인자 정보를 수집하였고, 수집된 인자들을 기반으로 분광분석 데이터와 인공지능 프로그램의 학습기법 가중치의 효율적인 적용을 통해 발아율 측정 기술의 향상을 도모하였다. In order to supplement the binarization analysis method for ambiguous values between 1 (germination) and 0 (unemergence) in germination rate analysis, embryo shape and color factor information were collected, and based on the collected factors, spectral analysis data and artificial intelligence program Through the effective application of the learning technique weights, the improvement of germination rate measurement technique was promoted.

발아 또는 미발아되는 현미 300립의 영상이미지를 1280×960 해상도의 COMS camera(Flea2, Flir, CAN)로 획득한 후 칼라, 위치 및 형상 특성을 고려하여 배아영역의 외곽선(contour)을 추출하여 형상을 인식하고, 배아의 면적, 둘레, 단축, 장축, 장단축 비율, 외곽선 비율, 원형도, 칼라인자(Lab)를 분석하였다.The image of 300 grains of germinated or ungerminated brown rice is acquired with a COMS camera (Flea2, Flir, CAN) of 1280×960 resolution, and then the contour of the embryo area is extracted by considering color, position and shape characteristics. Was recognized, and the area, circumference, minor axis, long axis, long axis ratio, outline ratio, circularity, and color factor of the embryo were analyzed.

형상 및 칼라특성을 분석한 결과, 표 1에서 확인할 수 있듯이 면적, 둘레, 장단축 등과 칼라특성 중 a 및 b값에서 유의적인 차이가 분석되었다.As a result of analyzing the shape and color characteristics, as can be seen in Table 1, significant differences were analyzed in the a and b values among the color characteristics such as area, circumference, and long and short axis.

발아(Germination)
(n=293)
Germination
(n=293)
면적** (Area)Area ** (Area) 둘레** (Peri
Meter)
Perimeter ** (Peri
Meter)
단축** (Minor axis)(A)Shortened ** (Minor axis)(A) 장축* (Major axis)(B)Major axis * (B) 장단축 비율 * (Aspect ratio) (A/B)Long and short axis ratio * (Aspect ratio) (A/B) 외곽선 비율(Contour ratio)Contour ratio 원형도
(Round
ness)
Circularity
(Round
ness)
LL a** a ** b*** b ***
발아불가 현미
(n=105)
Ungerminated brown rice
(n=105)
70338.2a 70338.2 a 462.4a 462.4 a 112.7a 112.7 a 691.2a 691.2 a 0.17a 0.17 a 3.23.2 4.24.2 94.194.1 0.5a 0.5 a 1.9a 1.9 a
발아가능 현미
(n=188)
Germinated brown rice
(n=188)
76309.8b 76309.8 b 467.3b 467.3 b 124.5b 124.5 b 706.7b 706.7 b 0.16b 0.16 b 3.13.1 4.44.4 94.094.0 0.2b 0.2 b 1.2b 1.2 b

인공지능 프로그램은 역전파(back propagation) 알고리즘을 이용하여 발아율 측정기술의 향상을 위한 프로그램을 개발(C++ 언어, window 기반의 인터페이스)하였다. 학습방식은 감독학습법(supervised learning rule)을 사용하였고 학습이 진행되고 있는 학습률(learning rate)을 그래프로 표현하였으며, 학습에 따른 편차와 횟수를 구현하도록 하였고, 학습 종료 후 예측값(Recall value)이 구현되도록 개발하였다.The artificial intelligence program developed a program for improving the germination rate measurement technology using a back propagation algorithm (C++ language, window-based interface). As a learning method, supervised learning rule was used, and the learning rate in progress was graphically expressed, and deviations and times according to learning were implemented, and a predicted value (Recall value) was implemented after the end of learning. It was developed as much as possible.

이 프로그램은 품질 인자인 발아율과 상관관계가 있을 것으로 예측되는 배아의 형상 및 칼라 특성 등 10개의 인자들을 정량화하여 네트워크 입력값(input data)으로 사용하고, 학습 target은 발아 여부인 0(미발아)과 1(발아)을 사용하였으며, 학습과정에서 network error가 수렴한 시점에서 학습(학습 횟수 12,000번)이 정지되도록 하였다.This program quantifies 10 factors, such as embryo shape and color characteristics, which are predicted to correlate with the germination rate, which is a quality factor, and uses them as network input data, and the learning target is germination 0 (non-emergence). And 1 (germination) was used, and learning (12,000 times of learning) was stopped when network errors converged in the learning process.

시료 300점을 대상으로 인공지능 적용이 발아율 정확도에 미치는 영향을 분석한 결과, 도 9a 내지 도 9c에서 확인할 수 있듯이, NIR에 의한 PLSR(Partial Least Square Regression) 분석의 정확도는 90.3%로서 임의 이치화는 정확도 저하 원인이 되는 것을 확인하였고, 영상 데이터와 인공지능 분석의 정확도는 74.3%로서 영상 데이터만으로는 발아율을 측정하기에는 한계가 있었다. As a result of analyzing the effect of artificial intelligence application on germination rate accuracy for 300 samples, as shown in FIGS. 9A to 9C, the accuracy of the PSR (Partial Least Square Regression) analysis by NIR is 90.3%, and randomization It was confirmed that it is the cause of the deterioration of accuracy, and the accuracy of the image data and AI analysis was 74.3%, and there was a limit to measure the germination rate using image data alone.

NIR 데이터와 영상 데이터를 input data로 지정하여 인공지능 학습 프로그램에 적용하여 분석한 결과, 발아율 정확도가 95.9%로 나타났다. NIR 데이터와 영상 데이터를 인공지능 학습 프로그램에 적용한 경우, 발아(1)와 미발아(0) 사이에 분포되는 시료오차가 감소하면서 정확도가 개선되었다.As a result of analyzing by applying NIR data and image data as input data to the AI learning program, the germination rate accuracy was 95.9%. When NIR data and image data were applied to an artificial intelligence learning program, the accuracy was improved as the sample error distributed between germination (1) and non-emergence (0) decreased.

NIR 데이터NIR data 영상데이터+ANN 분석Video data + ANN analysis NIR 데이터+영상데이터+ANN 분석NIR data + video data + ANN analysis 시료수sample water 300점300 points 300점300 points 300점300 points 오차시료Error sample 29점29 points 76점76 points 12점12 points 분석 정확도Analysis accuracy 90.3%90.3% 74.3%74.3% 95.9%95.9%

Claims (8)

곡물 시료가 정렬되는 시료 정렬부;
광원을 포함하는 광원부;
상기 광원부에서 곡물 시료에 조사(illumination)된 광원에 의해 상기 곡물 시료로부터 반사되어 나오는 반사광을 검출하는 반사광 검출부;
곡물 시료의 이미지를 촬영하는 이미지 촬영부;
상기 이미지 촬영부에 의해 얻은 이미지로부터 곡물 시료 배아 부분의 면적(area), 둘레(perimeter), 단축(minor axis), 장축(major axis), 장단축 비율, 외곽선 비율(contour ratio) 및 원형도(roundness)로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 형상 특성 및 색 특성을 분석하는 이미지 분석부; 및
상기 반사광 검출부 및 이미지 분석부로부터 얻은 데이터를 적용하여 곡물의 발아율을 예측하는 발아율 예측부를 포함하는 곡물의 발아율 예측 시스템.
A sample sorting unit in which grain samples are aligned;
A light source unit including a light source;
A reflected light detector configured to detect reflected light reflected from the grain sample by a light source irradiated to the grain sample from the light source unit;
An image photographing unit for photographing an image of a grain sample;
The area, perimeter, minor axis, major axis, long and short axis ratio, contour ratio and circularity of the grain sample embryo section from the image obtained by the image capturing unit ( an image analysis unit analyzing one or more shape characteristics and color characteristics selected from the group consisting of roundness); And
Germination rate prediction system of a grain including a germination rate prediction unit for predicting the germination rate of the grain by applying the data obtained from the reflected light detection unit and the image analysis unit.
제 1 항에 있어서, 상기 곡물은 현미, 녹두, 수수, 율무, 콩, 보리, 차조, 옥수수, 밀 및 귀리로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 곡물의 발아율 예측 시스템.
The system of claim 1, wherein the grain is selected from the group consisting of brown rice, mung bean, sorghum, yulmu, soybean, barley, green tea, corn, wheat, and oats.
제 1 항에 있어서, 상기 광원은 자외선 파장범위를 갖는 광원, 가시광 파장범위를 갖는 광원 및 근적외선 파장범위를 갖는 광원으로 구성된 군으로부터 선택되는 하나 이상의 광원인 것인, 곡물의 발아율 예측 시스템.
The system of claim 1, wherein the light source is at least one light source selected from the group consisting of a light source having an ultraviolet wavelength range, a light source having a visible light wavelength range, and a light source having a near infrared wavelength range.
삭제delete 제 1 항에 있어서, 상기 색 특성은 곡물 시료 배아 부분의 Lab 색 공간 값인 것인, 곡물의 발아율 예측 시스템.
The system for predicting germination rate of grains according to claim 1, wherein the color property is a Lab color space value of a grain sample embryo.
제 1 항에 있어서, 상기 반사광 검출부 및 이미지 분석부로부터 얻은 데이터는 인공지능 학습 프로그램에 적용하여 곡물의 발아율을 예측하는 것인, 곡물의 발아율 예측 시스템.
The system of claim 1, wherein the data obtained from the reflected light detection unit and the image analysis unit is applied to an artificial intelligence learning program to predict the germination rate of grain.
광원을 곡물 시료에 조사하는 광원 조사 단계;
곡물 시료로부터 반사되어 나오는 반사광을 검출하는 반사광 검출 단계;
곡물 시료의 이미지로부터 형상 특성 및 색 특성을 분석하는 이미지 분석 단계; 및
상기 반사광 검출 단계 및 이미지 분석 단계에서 얻은 데이터를 인공지능 학습 프로그램에 적용하여 곡물의 발아율을 예측하는 발아율 예측 단계를 포함하는 곡물의 발아율 예측 방법.
A light source irradiation step of irradiating a light source to the grain sample;
A reflected light detection step of detecting reflected light reflected from the grain sample;
An image analysis step of analyzing shape characteristics and color characteristics from images of grain samples; And
A germination rate prediction method comprising a germination rate prediction step of predicting the germination rate of grain by applying the data obtained in the reflected light detection step and the image analysis step to an artificial intelligence learning program.
제 7 항에 있어서, 상기 곡물은 현미, 녹두, 수수, 율무, 콩, 보리, 차조, 옥수수, 밀 및 귀리로 구성된 군으로부터 선택되는 것인, 곡물의 발아율 예측 방법. The method of claim 7, wherein the grain is selected from the group consisting of brown rice, mung bean, sorghum, yulmu, soybean, barley, green tea, corn, wheat, and oats.
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