가시광-근적외선 분광분석법을 이용한 금강밀 종자 등급 판별

이아영 ( Ahyeong Lee ),김진세 ( Jinse Kim ),서영욱 ( Youngwook Seo ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

밀은 탄수화물 함량이 높고 다른 곡류에 비해 평균적으로 더 많은 단백질을 함유해 주요 식량 작물 중 하나로 이용되고 있다. 밀은 쌀이나 보리와 달리 분말화가 잘 이루어져 주로 빻아서 밀가루로 이용되며 가공성이 뛰어나 다양한 식품을 제조하는 데 활용된다. 밀은 단백질 함량이나 글루텐의 양에 따라 다른 가공 특성을 나타낸다. 단백질 함량이 높고 글루텐이 잘 발달한 밀(경질)은 밀알 조직이 치밀하고 단단한 특성을 가져 빵 생산에 쓰이는 강력밀가루 생산원료로 이용된다. 단백질 함량이 낮고 글루텐이 빈약한 밀(연질)은 조직의 치밀도가 떨어지고 무른 특성을 가져 박력밀가루 생산원료로 이용된다. 품종별로 경질 낱알의 비율이 70% 이상일 경우 경질밀이라고 하며 연질 낱알의 비율이 70% 이상일 경우 연질밀이라고 한다. 금강밀은 1996년 개발된 조숙성 경질밀로 단백질 함량이 높아 다목적용으로 개발되었다. 하지만 동일 품종 내에서도 경질 낱알과 연질 낱알이 혼합되어 있어 추가적인 선별이 요구되는 상황이다. 본 연구에서는 근적외선 분광분석법을 이용하여 금강밀 품종에 대하여 등급 판별을 하고자 하였다. 색채선별을 통해 4가지 등급으로 선별된 금강밀 종자 2048개에 대하여 가시광-근적외선 대역(400~1000nm)의 반사 스펙트럼을 획득하였다. 한 종자에 세 가지 위치(좌측, 가운데, 우측)에 대한 스펙트럼을 획득하여 평균하였으며 평균 스펙트럼을 판별모델 개발에 이용하였다. 그 결과, 90% 이상의 판별 성능을 보였으며 가시광-근적외선 스펙트럼을 이용하여 밀 종자의 등급을 비파괴적으로 판별할 수 있는 선별기 개발이 가능할 것으로 판단된다.

누에 자동 급이 시스템을 위한 실시간 뽕잎 검출 알고리즘 개발

이아영 ( Ahyeong Lee ),임종국 ( Jongguk Lim ),서영욱 ( Youngwook Seo ),김밝금 ( Balgeum Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

우리나라 양잠 산업은 2014년 이후 농가 수가 지속적으로 감소하고 있으나 농가당 사육 규모는 증가하고 있다. 누에 사육 작업 과정은 대부분 수작업으로 이루어지고 있으며 큰누에 시기인 4령에서 5령 사이의 짧은 기간(10~15일 내외)에 집중적으로 노동력이 필요하다. 그 중에서도 노동력이 가장 많이 소요되는 부분은 뽕잎 급이와 잠분 처리이다. 특히, 5령 누에 시기의 급이량은 사육기간 전체 급이량의 88%를 차지한다. 그러나 현재 농업인 고령화와 농촌 노동력 부족 등의 문제로 비정기 단기간 인력을 구하기 어려운 상황이다. 이러한 노동력 문제를 해결하기 위해 ICT 기술을 양잠산업에 융복합시키는 스마트팜 시스템 기술 개발이 요구 되고 있다. 본 연구에서는 영상 처리를 통해 영상 내 뽕잎을 검출해 뽕잎 잔여율을 실시간으로 계산하는 알고리즘을 개발하였다. 5령 5일 누에(품종: 한생잠)에 대해 촬영을 진행하였으며 영상 획득 장치를 이용해 16시간 분량의 영상을 획득하였다. 획득된 프레임별 RGB영상에서 뽕잎이 있는 영역의 픽셀만을 추출하기 위하여 각 픽셀별 ExG 지수를 계산하였다. 계산된 ExG 지수를 Otsu thresholding을 이용하여 뽕잎과 배경 부분을 이진화시키는 임계값을 구하고, 구해진 임계값을 이용하여 원본영상을 이진화하였다. ROI(Region of Interests)영역의 전체 픽셀 개수에 대해 이진화된 뽕잎 영역의 픽셀 개수를 나누어 전체 영역에서의 뽕잎 잔여율을 계산하였다. 그 결과, 영상이 진행됨에 따라 계산된 뽕잎 잔여율을 실시간으로 확인할 수 있었다. 추후 실시간으로 계산된 뽕잎 잔여율이 설정 값보다 낮아지게 될 경우 뽕잎을 급이하는 형태의 누에 자동 급이 시스템 개발에 활용 가능할 것으로 보여진다.

초분광 분석을 이용한 5령 3일 누에 판별 모델 개발

이아영 ( Ahyeong Lee ),임종국 ( Jongguk Lim ),김밝금 ( Balgeum Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.2

누에는 알에서 부화하여 고치가 될 때까지 총 4번의 탈피과정을 거친다. 5령 누에는 4번의 탈피과정을 겪은 누에를 말하며 탈피 후 이틀이 지난 누에를 5령 3일 누에라고 한다. 5령 3일 건조 누에는 혈당 강하에 효과를 주는 것으로 알려져 있어 누에 가루나 환 등의 기능성 식품 제작에 사용되고 있다. 5령 4일 이 후에는 실크를 만드는 중부 실샘이 비대해지고 체내가 액체상태의 실크로 점점 차오르기 때문에 건조시 섭취가 어려울 뿐만 아니라 소화불량을 동반한다. 따라서 실샘이 발달하기 직전인 5령 3일 누에를 선별해 건조하는 것이 중요하다. 현재 잠작 관리 및 선별 작업은 모두 수작업으로 이루어지고 있으며 노동력 부족에 따라 관리에 어려움을 겪고 있다. 본 연구에서는 초분광 시스템을 이용하여 5령 3일 누에와 다른 일자 누에를 비파괴적으로 판별 가능한지 확인하고자 하였다. 400nm ~ 1000nm 파장 대역의 초분광 영상 시스템을 이용하여 한생잠 72마리에 대해 5령 1일부터 5령 5일까지 5일간 초분광 영상을 측정하였다. 평균 반사 스펙트럼은 누에의 견사 단백질이 분비되는 부분인 후사견사샘을 관심영역으로 정하여 획득하였고, 평균 스펙트럼에 대해 9가지 전처리를 수행하였다. 5령 3일 누에를 판별하기 위해서 5령 1일, 2일 누에를 한 그룹, 5령 3일, 4일, 5일 누에를 한 그룹으로 나눈 후 주성분분석(Principal Component Analysis, PCA)과 부분최소제곱 판별분석(Partial Least Squares regression Discriminant Analysis, PLS-DA)을 실시하였다. 학습 데이터와 검증 데이터는 4:1 비율로 무작위 선정하였다. 주성분분석을 통해 5령 3일 누에 판별 가능성을 확인하였으며 부분최소제곱 판별분석을 이용하여 판별 모델을 개발하고 성능을 검증하였다. 그 결과, Mean normalization 전처리를 수행한 모델이 학습데이터 92.09 %, 검증데이터 96.84 %로 가장 높은 판별 정확도를 나타냈다. 이를 통해, 분광분석법을 이용하여 5령 3일 누에를 비파괴적으로 선별할 수 있으며 5령 3일 건조 누에를 이용한 기능성 식품의 품질 및 신뢰도 향상에 도움을 줄 것으로 기대된다.

초분광 영상을 이용한 사과 외부 결함 검출 알고리즘 연구

이아영(Ahyeong Lee),김기영(Giyoung Kim),김밝금(Balgeum Kim) 한국비파괴검사학회 2022 한국비파괴검사학회 춘계학술대회 초록집 Vol.2022 No.5

근적외선 분광분석법을 이용한 불량누에고치 판별 분석 연구

이아영 ( Ahyeong Lee ),임종국 ( Jongguk Lim ),김수배 ( Su-bae Kim ),김밝금 ( Balgeum Kim ) 한국농업기계학회 2021 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.26 No.1

최근 양잠산업은 부가가치 향상을 위해 ‘입는 양잠에서 먹는 양잠으로’라는 구호를 내세우며 기능성 양잠산업을 개척하기 위한 노력을 꾸준히 해오고 있다. 그 중에서도 누에고치는 기억력 개선 건강기능식품 원료로 사용되고 있으며, 고막패치, 3D프린팅용 실크 소재 등 의료용 소재로도 개발되고 있다. 누에고치는 표면에 붙어있는 견면을 모두 제거한 후 활용되며 견면은 인력이나 견면채취기를 사용하여 제거된다. 이 과정에서 두께가 얇은 불량누에고치는 고치 내부의 번데기가 터져 견면채취기를 오염시키게 되고, 오염된 견면채취기는 정상누에고치까지 교차 오염시키는 문제를 야기한다. 따라서 견면 채취 전 불량고치를 선별해주는 작업이 필요하다. 본 연구에서는 근적외선 분광분석법을 이용한 불량누에고치 판별 가능성을 구명하고자 하였다. 이를 위해, 근적외선 대역(1000nm ~1700nm)의 초분광 영상 시스템을 이용하여 정상고치 240개와 불량고치 190개에 대한 분광스펙트럼을 획득하였고, 고치 중앙부를 ROI(Region of Interests)로 설정하여 평균스펙트럼을 추출하였다. 추출된 평균스펙트럼을 이용하여 주성분분석을 통해 불량고치 판별 가능성을 확인하였으며 7가지 전처리(MSC, SNV, Smoothing, Baseline offset, Mean/Max/Range normalization, 1D/2D derivatives)를 수행한 스펙트럼과 원본 스펙트럼에 대한 PLS-DA(Partial Least Squares regression Discriminant Analysis) 분석을 진행하여 판별 모델을 개발하였다. 판별 모델 검증은 5-fold cross validation을 통해 수행되었다. 그 결과, 모든 전처리에서 검증데이터의 평균 정확도(specificity, sensitivity)가 85% 이상을 나타냈으며 baseline offset을 적용하여 데이터 전처리를 할 경우 검증데이터의 평균 정확도(accuracy)가 95.76%로 판별 결과가 가장 우수하게 나타났다. 위 결과로 추후 근적외선을 이용하여 불량 누에고치를 비파괴적으로 판별할 수 있는 선별기 개발이 가능할 것으로 보인다.

과실의 실시간 기하학적 정보 계측을 위한 3차원 영상 측정 시스템 및 분석기술 개발

홍석주 ( Suk-ju Hong ),이아영 ( Ahyeong Lee ),김진세 ( Jinse Kim ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.2

과실의 품질은 색, 당도, 모양, 크기, 내/외부 결함 등 여러 요소에 의하여 결정된다. 특히 모양과 크기와 같은 기하학적 정보는 과실을 선별하는 데 있어 주요 요인 중 하나이다. 하지만 형상 이상이 있는 기형과의 경우 대부분의 농산물 산지유통센터에서는 수작업으로 선별이 수행되고 있다. 과실은 공산품과 달리 불균형한 형상을 보이기 때문에, 한 면에서의 영상으로는 온전한 기하학적 정보를 획득하기 어렵다. 농업 분야에서는 복합적 정보를 취득하기 위하여 다면에서 2차원 영상을 촬영하고 3차원으로 복원하는 연구가 수행되고 있지만, 특징점 매칭이나 점군 간 정합 등의 시간 소모적 과정 때문에 실시간 시스템의 구현이 어려워 과실의 선별 라인에 적용되기는 어렵다. 본 연구에서는 과실의 3차원 영상을 실시간으로 취득하기 위해, 다면에서 과실의 영상을 촬영하는 시스템을 구축하고 3차원 복원의 과정을 단순화하였다. 구축된 시스템을 검증하기 위하여, 참외에 대한 과실 3차원 영상을 취득하고 실측 데이터와의 비교를 통해 기하학적 정보 복원의 정확도를 분석하였다.

다중 깊이 카메라 기반 배 과실의 실시간 3차원 복원 및 부피 측정 기술 개발

홍석주(Suk-Ju Hong),이아영(Ahyeong Lee),김진세(Jinse Kim) 한국산학기술학회 2023 한국산학기술학회논문지 Vol.24 No.10

과일의 품질은 색택, 크기, 모양, 결함, 당도 등 여러 요인에 의하여 결정된다. 하지만 과실의 크기, 모양 등 기하학적 정보에 대한 선별은 대부분의 농산물 산지유통센터에서 수작업으로 이루어지고 있다. 과실의 기하학적 정보의 처리를 자동화하기 위하여 2차원 영상 기반의 연구들이 수행되었지만, 한 면에 대한 2차원 영상으로 얻을 수 있는 정보는 제한적이다. 3차원 영상 정보를 농산물에 이용하고자 하는 선행 연구들이 수행되었지만, 복잡한 처리 과정으로 인해 수확 후 선별 라인에서 적용 가능한 실시간의 처리가 불가능하였다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고 과일의 3차원 기하학 정보를 정확히 측정하고자 실시간 3차원 영상 측정 기술을 개발하고, 배 과실에 대하여 부피 계측 정확도를 평가하였다. 여러 개의 RGBD 카메라를 이용하여 여러 면의 영상 촬영이 동시에 이루어지도록 하였으며, 카메라 간의 위치 보정을 사전에 수행하여 특징점 매칭 등 시간 소모적인 작업이 촬영 시마다 수행되지 않도록 하였다. 또한, 영상 및 점군 처리를 통하여 정확한 부피 계측이 가능한 알고리즘을 설계하였다. 그 결과, 결정계수 0.9931, 평균 절대 백분율 오차 0.61%의 성능으로 배 과실의 부피가 계측 가능함을 확인하였다. The quality of fruits is determined by various factors, such as color, size, shape, defects, and sweetness. However, at most agricultural processing centers, the grading of fruits based on geometric information like size and shape is mostly done manually. Research has been conducted on the use of 2D image-based techniques to automate the processing of geometric information of fruits, but the information obtainable from a single-view 2D image is limited. Previous studies have explored the use of 3D imaging information for fruits, but due to complex processes, real-time processing applicable at fruit sorting lines has been challenging. In this study, we aimed to address these issues by developing real-time 3D measurement technology to accurately measure the 3D geometric information of fruits, and we evaluated its volume-measurement accuracy for pear fruits. Multiple RGBD cameras were used to simultaneously capture images from multiple sides, and pre-calibration of camera positions was performed to avoid time-consuming tasks such as feature-point matching for each measurement. Furthermore, an algorithm that allows precise volume measurement was developed through image and point cloud processing. As a result, the volume of pear fruits can be measured with a coefficient of determination of 0.9931 and a mean absolute percentage error of 0.61%.

배 과실의 전 표면 검사를 위한 이송 중 회전 장치에 의한 배 품질변화 평가

홍석주 ( Suk-ju Hong ),이아영 ( Ahyeong Lee ),김진세 ( Jinse Kim ) 한국농업기계학회 2023 농업기계공학 Vol.3 No.1

The aim of this study was to examine the influence of fruit rotation devices during line transportation on the quality of whole surface inspection of fruits. Compared to other fruits, pears are more susceptible to impact, making them prone to quality degradation during rotational inspection for the whole surface. Therefore, this study involved creating a rotational tray to reduce the impact on pears and assessed its influence on fruit quality. The findings revealed no significant differences in weight and ultimate strength; however, some color channels exhibited significant differences between control and rotated group.

근적외선 분광법을 이용한 5령 누에의 스펙트럼 특성 연구

강정숙 ( Jungsook Kang ),이아영 ( Ahyeong Lee ),임종국 ( Jongguk Lim ),서영욱 ( Youngwook Seo ),김밝금 ( Balgeum Kim ) 한국농업기계학회 2020 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.25 No.2

곤충은 지구상에서 가장 많이 차지하는 생물군으로 환경에 대한 적응력이 탁월해 가혹한 생태 조건에서도 폭넓게 분포하고 있다. 누에(Bombyx mori)는 나비목 누에나방과(Lepidoptera, Bombycidae)로 완전 변태를 하는 곤충이다. 누에는 완전 가축화되어 인간의 사육으로 생존할 수 있다. 우리나라에서는 전통적으로 고치를 견직물로, 번데기·누에똥 등을 식용으로 이용해왔다. 1900년 후반부터 누에 사육은 위축되어왔지만 최근 건강 기능성 소재로 다시 주목받고 있다. 특히 5령 3일의 누에는 체내 견사 단백질 형성으로 외형이 급격하게 커지는 것으로 알려져 있다. 본 연구는 O-H, N-H, C-H의 진동 조합으로 수분, 단백질, 가용성 고체, 유기산 및 지방 함량에 대한 광범위한 농산물의 신속한 분석에 사용되고 있는 근적외선 분광 영상을 이용하여 5령 누에의 성장 특성과 5령 3일 누에의 구분 가능성을 조사하기 위하여 수행되었다. 살아있는 누에 24마리를 라벨링하여 5령 1일부터 5령 5일까지 1000 nm ~ 1700 nm 영역의 분광 영상을 측정하였고, 누에의 견사 단백질이 분비되는 부분을 ROI로 정하여 평균 반사 스펙트럼과 픽셀 반사 스펙트럼을 획득하였다. 획득한 평균 반사 스펙트럼으로 흡광 스펙트럼을 얻었으며 5령 누에의 지방 성분인 C-H 결합 peak 1215 nm와 단백질 성분인 N-H 결합 peak 1505 nm의 흡수 세기가 급격히 커짐을 확인하였다. 위 결과로 향후 근적외선 분광법을 이용하여 5령 3일 누에 구분이 가능할 것으로 예상된다.

비파괴 밀 품종 판별을 위한 분광분석법 적용

유현채 ( Hyeonchae Yu ),이아영 ( Ahyeong Lee ),김진세 ( Jinse Kim ),서영욱 ( Youngwook Seo ) 한국농업기계학회 2023 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.28 No.1

밀은 세계적으로 옥수수, 쌀, 콩과 더불어 가장 많이 생산되는 대표 식량 작물 중 하나이다. 하지만, 우리나라 밀 수급 현황을 살펴보면, 1970년대 중반까지 15%의 자급률을 유지하였으나 1984년 밀 수매 중단과 사료용 밀 도입 증가로 인하여 지속적으로 재배면적이 감소해 2021년 0.8%의 자급률을 나타내고 있다. 국산 밀 생산량과 재배면적을 높이기 위해 농림축산식품부에서는 2021년부터 밀산업 육성기본계획을 추진하고 있다. 이를 통해 2022년 밀 재배면적은 8259ha로 전년에 비해 30% 이상 증가하였고 밀 자급률도 1.7% 수준으로 회복할 것으로 기대되고 있다. 안정적인 밀생산 및 보급을 위하여 밀 재배면적 확대도 중요하지만 용도별 품종 개발 및 종자 보급도 중요한 요소 중 하나이다. 밀은 품종마다 용도와 농업적 특성이 다르므로 활용 범위에 맞는 적절한 품종을 선택하여 재배하는 것이 필요하고 품종순도가 높을수록 고품질의 가공물을 얻을 수 있다. 본 연구에서는 우리나라 주요 보급 밀 품종인 백강, 새금강, 황금알을 400~1000nm 파장 대역의 반사 스펙트럼을 이용하여 비파괴적으로 구분하고자 하였다. 한 품종당 512개의 종자에 대하여 스펙트럼을 측정하였으며 세 가지 위치(좌측, 가운데, 우측)에서 측정해 평균한 스펙트럼을 분석에 활용하였다. 평균 스펙트럼에 대하여 7가지 전처리(MSC, SNV, Smoothing, Baseline offset, Mean/Max/Range normalization, 1D/2D derivatives)를 수행하였고 판별 모델로는 LDA (Linear Discriminant Analysis), SVM (Support Vector Machine), PLS-DA (Partial Least Squares regression-Discriminant Analysis) 분석을 진행하였다. 그 결과, SVM 모델에서 90% 이상의 판별 성능이 나타났으며 이를 통해 분광분석법을 이용하여 밀 품종을 비파괴적으로 판별할 수 있음을 확인하였다.