남은 음식물로 사육되는 동애등에 유충과 혼합물의 표준체 선별

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

한국환경공단의 2019년도 전국 폐기물 발생 및 처리 현황에 따르면 생활폐기물 중 음식물류의 폐기물(남은 음식물)은 하루 14,314톤이 배출되어 24.7%의 비중을 차지하고 있다. 연간으로는 5,224천톤이며 처리 비용만 2조원 가까이 되어 남은 음식물의 자원화에 대한 중요성이 더욱 부각되고 있다. 남은 음식물들은 소각되거나, 반죽 형태로 제조되어 가축의 사료로 사용되는데 소각시에는 냄새로 인한 문제가 발생되고 있으며 가축의 사료로 사용되는 경우에도 다양한 문제들이 야기될 수 있어 완전한 대안은 아니라고 볼 수 있다. 최근에는 파리목 동애등에과에 속하는 동애등에 곤충의 유충을 이용하여 남은 음식물 처리하기 위한 사료용 곤충의 대규모 사육 공정이 개발되어 점차 확대되고 있다. 동애등에 유충은 사육 환경에 따라 함수율이 높은 상태로 잔존해 있는 음식물과 분변토를 분리하는 과정에서 기존 진동 선별기로는 선별 효율이 낮아 생산 현장에서의 어려움이 커지고 있다. 따라서 본 연구에서는 함수율이 높은 혼합물로부터 동애등에 유충을 효율적으로 분리할 수 있는 분리장치를 개발하기 위해 표준체를 이용하여 사전 분리 정도 실험을 수행하였다. 실험에 사용된 시료는 4개의 대형 사육 트레이에서 수집한 4개의 혼합물을 사용하였으며 표준체는 체눈의 크기가 각각 6.35㎜, 4.00㎜, 2.80㎜. 2.00㎜, 1.40㎜의 5종을 사용하였으면 체진동기를 사용하여 1분 동안 크기 분리를 실시하였다. 동애등에 유충의 밀집도나 혼합물의 함수율 상태에 따라 크기 선별 결과에서 차이가 발생하였다. 대부분의 유충은 2.80㎜체를 기준으로 걸러졌으며 4.00㎜체와 2.00㎜체에도 일부 유충들이 남아있었다. 다만 4.0㎜ 체에는 유충과 함께 유충이 다 분해하지 못한 혼합물이 남아있었고 2.0㎜체에는 크기가 작은 동애등에 유충과 분변토가 혼합되어 재선별이 필요했다. 이번 사전 실험 결과는 추후 동애등에 유충의 분리장치 개발에 있어 체망의 크기 선택, 진동 방식 결정 등의 기초자료로 활용할 수 있을 것이다.

근적외선 초분광 반사 스펙트럼을 이용한 정상 및 내부 갈변이 발생된 "후지" 사과의 판별

임종국 ( Jongguk Lim ),김기영 ( Giyoung Kim ),모창연 ( Changyeun Mo ),최인철 ( In Chul Choi ) 한국농업기계학회 2015 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.20 No.2

미세진동 스크린 방식의 동애등에 유충 탈수 장치 개발

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

곤충을 이용한 고단백 사료 제품은 동물 사료의 대체제로서 주목받고 있으며 자원 재생을 위한 새로운 대안으로 떠오르고 있다. 곤충 단백질 시장은 ‘19년에는 1억 4,400만 달러에서 ’25년에는 13억 3,600만 달러까지 증가할 것으로 전망한다. 동애등에 유충은 파리목 동애등에과에 속하는 동애등에 곤충의 애벌레로 남은 음식물을 10여 일 동안에 소화하면서 약 20mm 정도의 크기까지 성장한다. 동애등에 유충 5,000마리는 약 10kg의 남은 음식물을 80%까지 분해할 수 있어서 환경 정화용으로 활용 가치가 아주 높은 익충이다. 동애등에 유충이 배출하는 분변토는 함수율이 높아서 기존 메시 구조의 스크린 선별기로는 완벽한 유충 분리가 어려워 대량생산에 어려움을 겪고 있다. 따라서 본 연구에서는 동애등에 유충과 분변토의 혼합물 침전수에서 분변토를 분리하고 유충 표면에 남아있는 물기를 제거하기 위해서 미세진동 스크린 방식이 적용된 동애등에 유충 탈수 장치를 개발하였다. 동애등에 유충 탈수 장치는 동애등에 유충과 분변토가 혼합된 침전수를 공급하기 위한 직경φ50mm의 투입 배관, 미세진동을 발생시키기 위한 출력 0.4kW의 진동모터, 와이어의 두께가 0.5mm이고 메시(mesh)가 #30인 폭과 길이가 600mm × 1,600mm으로 제작된 스크린, 본체의 진동 발생을 최소화하기 위한 4개의 방진 스프링, 탈수된 물이 배출되는 배수관, 제어 장치 등으로 구성되어 있다. 작동 방식은 상부로 투입되는 동애등에 유충과 분변토가 혼합된 침전수가 상부 투입 배관을 통해 미세진동이 발생하는 스크린에 투입된다. 스크린 상부에 투입된 침전수는 스크린 하부로 대부분 떨어진다. 진동모터에 의해 발생한 미세진동은 동애등에 유충을 스크린의 앞부분에서 뒷부분으로 진동과 함께 1,600mm의 길이 방향으로 전진시키면서 표면의 물기를 제거한다. 미세진동을 이용한 탈수 방식은 기존 원심 분리식이나 진동 방식과 비교할 때 동애등에 유충에 대한 손상을 최소화할 수 있어 대량으로 유충을 생산하는 공정에 투입되면 생산성을 향상할 수 있을 것으로 기대된다.

CCD 칼라 카메라와 영상처리기술을 이용한 딸기의 중량 예측 모델 개발

임종국 ( Jongguk Lim ),김기영 ( Giyoung Kim ),모창연 ( Changyeun Mo ),유현채 ( Hyeonchae Yoo ),오경민 ( Kyoungmin Oh ),김건섭 ( Geonseob Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

겨울철 대표적인 과채류인 딸기는 9월말부터 이듬해 5월 말까지 약 8개월간 재배되고 있으며 3월과 4월에 연간 반입량의 50% 이상이 집중되어 대부분 생식용으로 소비되고 있다. 딸기는 고유의 맛과 향기를 지니고 있으며 비타민 C, 페놀성 화합물 함량도 풍부한 것으로 알려져 있다. 딸기의 재배면적은 지속적으로 증가되고 있으며 딸기 총 생산액은 원예 산물 중에서 가장 높으아 2015년을 기준으로 1조 2천억원 이상이다. 관행딸기 선별은 대부분 육안에 의한 인력 선별에 의존하고 있으며 기형이거나 짓무름이 심한 딸기는 불량과로 구분하고 있다. 딸기는 개별 중량 측정보다는 포장 용기에 담기는 전체 중량에 맞춰 출하하고 있으며 일부 국내 선별장이나 해외에서는 프리트레이에 딸기를 안착시켜 개별 중량을 측정하여 선별하고 있다. 이러한 딸기 중량 측정은 트레이에 안착된 딸기가 로드 셀이 장착된 벨트식 저울을 통과할 때 측정하는 방식을 이용하고 있다. 본 연구에서는 CCD 칼라 카메라로 획득한 딸기 영상 정보를 이용하여 딸기의 착색도 및 기형과를 선별하기 위한 연구를 수행하였으며 추가적으로 기존 벨트식 저울을 대체하여 딸기의 중량을 측정할 수 있는 영상 처리 기술을 개발하기 위해 수행되었다. 중량 예측식 개발을 위해 사용된 딸기 시료는 매향 77개, 설향 395개, 싼타 101개, 장희 91개의 4개 품종 664개를 사용하였다. 664개 딸기로부터 상·하면에서 획득한 1,328개 영상은 초록색 꼭지 부분을 제거한 과육부분에 대한 픽셀수를 카운트하여 실제 측정한 중량과 일차 함수식을 개발하였다. 전체 664개의 딸기를 대상으로 개발된 일차함수 예측식은 Y=0.0011X-5.8153이었으며 이때 R²=0.9143으로 우수한 중량 예측 결과를 보여주었다. CCD 칼라 카메라의 딸기 영상정보를 이용하여 딸기의 중량 측정이 가능하다면 딸기 선별 시설 구축을 위한 벨트식 저울을 제외할 수 있어 시스템이 간소화되고 비용이 감소될 수 있을 것으로 기대된다.

2차원 레이저 변위 센서를 이용한 딸기의 3차원 입체 영상 구축에 관한 연구

임종국 ( Jongguk Lim ),김기영 ( Giyoung Kim ),모창연 ( Changyeun Mo ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

장미과(Rosaceae)에 속하는 딸기(Fragaria ananassa Duch.)는 비타민 C가 풍부하고 독특한 향기를 갖는 과채류로서 겨울에서 봄까지의 기간 동안 대부분 생식으로 소비되고 있다. 국내에서 재배되는 품종으로는 설향, 매향, 장희 등이 있으며 품종에 따라 성분과 함량이 다양하지만 일반적으로 유기산이 많아서 신맛과 단맛이 조화로운 특징이 있다. 소비자들이 딸기를 구입할 때 딸기가 포장된 상자에 모양이 일정하고 붉은 색상이 선명한 딸기에 호감을 갖게 된다. 딸기는 품종에 따라 기준이 되는 모양이 다르기 때문에 숙련된 선별사에 의해서 대부분 육안으로 선별되고 있는 실정이다. 하지만 개인적인 선별 능력의 차이와 주관적인 판단으로 인해 규격을 벗어난 딸기가 혼입되어 전체적인 품질 등급을 떨어뜨리는 경우가 종종 발생하기도 한다. 따라서 본 연구에서는 품종별로 기준이 되는 표준 형상과 비정상적인 모양의 기형 딸기를 객관적으로 판별하여 선별할 수 있는 영상 시스템을 구축하기 위해 수행되었으며 표준이 되는 딸기의 3차원 형상을 구축하기 위해 2차원 레이저 변위 센서를 이용하여 딸기의 입체 영상을 구축하고자 하였다. 실험을 위해 사용된 딸기는 시중에서 구입한 설향 품종이었으며 2차원 레이저 변위 센서는 라인 스캔 방식으로 1회 프로파일 스캔에 1,280개의 데이터 포인터를 획득할 수 있으며 분해능은 0.095~0.17 mm이었다. 상부에 부착된 2차원 레이저 변위 센서와 하부에 놓인 딸기의 거리는 100 mm였다. 획득한 딸기의 2차원 영상은 높이 차이를 이용하여 색상 농도로 표현하였으며 이 영상을 다시 3차원 영상으로 구축하였다.

가시광선 및 근적외선 초분광 반사 영상 기술을 이용한 사과의 표면 결함 및 멍 검출을 위한 선별시스템 개발

임종국 ( Jongguk Lim ),김기영 ( Giyoung Kim ),모창연 ( Changyeun Mo ) 한국농업기계학회 2016 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.21 No.2

사과(Malus domestica)는 장미과 Malus속에 해당되는 다년생 작물로서 당, 무기질, 비타민 등이 다량으로 함유되어 있는 우리나라의 대표 과일이다. 또한 사과는 페놀성 물질 등 기능성 성분이 풍부하여 동맥경화, 심장병 예방, 체중 감소 등과 같은 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 사과의 수요가 증가할수록 소비자들은 맛뿐만 아니라 색상, 표면 결함, 멍 등과 외형적인 품질도 중요시하고 있다. 이러한사과의 결함 선별은 대부분 인력에 의존하고 있으며 일부 대형 선별시설에서는 칼라 카메라를 이용하고 있지만 사과의 일부분만을 촬영하는 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 회전하면서 이동하는 사과의 전체 표면을 가시광선 및 근적외선(VNIR) 초분광 영상 카메라를 이용하여 표면 결함 및 멍을 검출할 수 있는 선별 시스템을 개발하고자 하였다. 제작된 사과 표면 결함 검출 시스템은 롤러 회전부, 영상부, 전송부, 배출부, 제어부 등으로 구성하였다. 영상부는 400~1,000 nm 파장대역의 VNIR 초분광 카메라, 6개의 텅스텐-할로겐 램프와 각도 조절이 가능한 라인광 6개가 장착되어 있다. 롤러 구동부는 스텝핑 모터를 이용하여 좌·우측 속도조절이 가능한 롤러가 각각 42개가 장착되어 있으며 전송부는 기존 선별 시스템과의 연계를 위해 롤러 구동부에서 사과를 집게로 집어서 배출부에 해당되는컵 선별기로 이송하는 장치로 구성된다. 사과의 초분광 반사 영상 획득을 위해 카메라의 노출시간은 0.0001초로 설정하였으며 결함 검출을 위한 영상처리 프로세서는 사과 외의 배경 제거를 위한 마스킹은 2개 파장의 차(676 nm-705 nm)를 적용하였다. 3개의 단일 파장인 670, 780, 806 nm은 각각 결함별 검출을 위한 최적 파장으로 사용되었다. 획득된 초분광 그레이 영상은 정상 및 결함 부위 판별을 위해 문턱값을 적용하여 이치화 영상을 획득하였다. 멍, 미착색, 병해 등의 결함이 발생된 조생종 품종인 요까 및 시나노 사과 시료를 대상으로 결함 검출 실험을 수행하였다. 이중 멍이 발생한 사과는 저장 기간에 따라 결함 부위가 인식되는 이치화 영상의 화소수가 상이했으며 단일 파장인 806 nm에서 결점 화소 부위가 넓고 선명하게 나타난 것을 관찰하였다. 추후 실험에서는 본 연구의 주력 품종인후지 사과를 대상으로 멍이 발생된 사과의 결함 판별 정확도 실험을 수행할 계획이다.

3차원 딸기 형상 제작을 위한 모델링 및 매핑 과정에 관한 연구

유현채 ( Hyeonchae Yoo ),임종국 ( Jongguk Lim ),김기영 ( Giyoung Kim ),모창연 ( Changyeun Mo ),남소영 ( Soyoung Nam ),김은미 ( Eunmi Kim ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.2

겨울철을 대표하는 과채류 중의 하나인 딸기는 독특한 향기와 고유의 신맛과 단맛이 조화로운 특징을 가지고 있다. 최근 딸기는 소비자들에게 인기를 얻고 있으며 재배면적과 총 생산액이 꾸준히 증가하고 있는 추세이다. 딸기 선별은 현재 숙련된 전문 선별사에 의해 수행되고 있으며 이러한 인력에 따른 육안선별은 개개인의 숙련도 차이에 따라 주관적으로 판단이 되고 있다. 본 연구에서는 2차원 레이져 스캔 카메라를 이용하여 3차원 딸기 형상을 획득하고 3D 프린터를 이용하여 딸기 모형을 제작하기 위해 수행되었다. 딸기의 3차원 영상을 획득하기 위해 딸기 전용 트레이 위에 딸기를 올려놓고 딸기의 전면과 후면을 2차원 레이져 스캔 카메라(Gocator 2340)를 이용하여 데이터 포인트를 획득하였다. 획득된 딸기의 데이터 포인트를 매트랩 프로그램을 이용하여 메쉬 형태의 3차원 영상으로 변환하였다. 변환된 딸기의 전면과 후면의 3차원 영상을 3D 형상 구현 프로그램인 메쉬 랩을 통하여 재가공하였고 딸기의 후면 영상의 방향을 일치시키기 위해 다시 X축 방향으로 180° 회전하였다. 각각 획득한 딸기 전면과 후면 영상을 모두 선택하여 하나의 영상으로 합체시킨 뒤에 메쉬 형상을 곡면으로 표현하였다. 3차원으로 매핑된 딸기영상은 곡면 안의 각 점들에 대해 법선 방향과 Octree Depth를 설정하여 3차원 모델을 구축하였다. 구축된 3차원 모델을 3D 프린팅하기 위한 전용 프로그램과 파라미터 값을 적용하여 슬라이싱한 후 상용 3D프린터를 활용하여 딸기의 3차원 모형을 제작하였다. 제작된 딸기 모형은 추후 품종별로 형상 데이터를 구축하고 딸기의 형상 측정시 표준 규격품으로 사용하고자 하였다.

국내산과 중국산 쌀의 원산지 판별을 위한 초분광 영상 처리에 관한 연구

모창연 ( Changyeun Mo ),임종국 ( Jongguk Lim ),김기영 ( Giyoung Kim ),권성원 ( Kwon Sung Won ),임동규 ( Dong Kyu Lim ),민현정 ( Hyun Jung Min ),권경도 ( Kyungdo Kwon ) 한국농업기계학회 2017 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.22 No.1

우리나라에서는 수입 개방화 추세에 따라 공정한 유통질서 확립하고 국내 생산자와 소비자를 보호하기 위하여 원산지 표시제가 시행되고 있다. 그러나 수입 농산물과 국산 농산물의 큰 가격차이로 인하여 원산지를 허위 표시하는 경우가 증가하고 있다. 특히 쌀 관세화 전환 의무에 따른 수입산 쌀 증가하고 있으며 단립종과 중립종 수입산 쌀은 국내산 쌀과 외관이 유사하여 육안식별이 어려워 국내산 쌀로 둔갑할 우려가 있다. 이에 신속하고 비파괴적으로 쌀의 원산지를 판별할 수 있는 기술 개발이 요구되고 있다. 따라서 본 연구에서는 국내산 쌀과 중국산 쌀의 원산지를 신속하게 판별가능한 영상 처리기술을 개발하였다. 쌀은 국내에서 생산된 중립종 50점과 중국에서 생산된 단립종 및 중립종 51점이 수집되어 사용되었다. 쌀의 분광 영상은 초분광 가시광 및 근적외선 영상 시스템을 이용하여 측정하였다. 이 시스템은 할로겐-텅스텐 라인광, 시료 이송부, 초분광 영상 획득부로 구성되어 있다. 텅스텐-할로겐 라인광은 15° 각도로 대칭으로 시료에 조사되고 400 ~ 1000 nm 파장 영역의 반사광 영상 스펙트럼이 측정되었다. 초분광 영상 데이터는 광에 노출되지 않은 암실에서의 파장별 영상과 반사율이 99% 이상인 기준판의 파장별 영상을 이용하여 교정되었다. 부분최소제곱회귀법을 이용하여 쌀 원산지 판별모델 식을 개발하였고, 이 판별모델식을 교정된 초분광 영상에 적용하여 영상처리 판별 모델을 개발하였다. 그 결과, 원산지 판별정확도가 97.4% 이상으로 나타났으며, 국내산과 중국산 쌀의 원산지 판별이 가능하였다.

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.

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.