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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.
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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.
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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.
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Development of broadband NIR LED module for NIR spectroscopy
( Hoyoung Lee ),( Ahyeong Lee ),( Doo-jin Song ),( Seung-woo Chun ),( Jongguk Lim ),( Changyeun Mo ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
In NIR spectroscopy and hyperspectral imaging, the light source is one of the important requirements. The Tungsten-Halogen lamp is a common light source for NIR radiation, which is operated at high temperatures and takes a long time to warm up until stabilization of its radiation. The power requirement is addressed by generating radiation, and extra-heating inside of bulb, as well. It turns out to have low power efficiency, and large volume for heat dissipation. In order to miniaturize NIR spectral system and hyperspectral imaging system, a light source must be found for the new alternative. There are many candidates in commercial, so called broadband NIR LED, which have better power efficiency, and lower operating temperature. In this study, we developed the test apparatus for several broadband NIR LEDs, and perform the comparison between them in terms of spectral radiation ranging of 700nm-1000nm. And then, as a light source of VIS-NIR spectroscopy(500nm-1000nm), the VIS+NIR LED module was developed with combination of warm-white LED and broadband LEDs. Using that, the spectrum transmitted through Fuji apple was acquired to investigate the potential to replace the TH-lamp. It shows the possibility that a TH-lamp is replaceable of the VIS+NIR LED module for VIS-NIR spectroscopy.
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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.
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Development of broadband NIR LED module for NIR spectroscopy
( Hoyoung Lee ),( Ahyeong Lee ),( Doo-jin Song ),( Seung-woo Chun ),( Jongguk Lim ),( Changyeun Mo ) 한국농업기계학회 2022 한국농업기계학회 학술발표논문집 Vol.27 No.2
In NIR spectroscopy and hyperspectral imaging, the light source is one of the important requirements. The Tungsten-Halogen lamp is a common light source for NIR radiation, which is operated at high temperatures and takes a long time to warm up until stabilization of its radiation. The power requirement is addressed by generating radiation, and extra-heating inside of bulb, as well. It turns out to have low power efficiency, and large volume for heat dissipation. In order to miniaturize NIR spectral system and hyperspectral imaging system, a light source must be found for the new alternative. There are many candidates in commercial, so called broadband NIR LED, which have better power efficiency, and lower operating temperature. In this study, we developed the test apparatus for several broadband NIR LEDs, and perform the comparison between them in terms of spectral radiation ranging of 700nm-1000nm. And then, as a light source of VIS-NIR spectroscopy(500nm-1000nm), the VIS+NIR LED module was developed with combination of warm-white LED and broadband LEDs. Using that, the spectrum transmitted through Fuji apple was acquired to investigate the potential to replace the TH-lamp. It shows the possibility that a TH-lamp is replaceable of the VIS+NIR LED module for VIS-NIR spectroscopy.
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