(An) efficient plant phenotyping system for precision agriculture

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A data acquisition system that collects various time-series data on target plants and their environmental facts is presented here. The system consists of a server and multiple local stations. Data acquisition is performed by a group of intra-networked stations that are locally distributed across a target region. The system has two independent but synchronized data generating processes; one is for volume estimation of a target plant adopting multi-view stereo techniques and the other is to obtain various measurements on environmental facts of the target plant. A hardware frame of a station is designed to capture synchronized multi-view images of the target plants and collect various environmental data. All of the data generating processes including volume estimation are fully implemented in software except the front-end data sampling and image capture. An analysis of the sampling rate and several experiments on data acquisition were performed. A data filtering method based on the fast Fourier transform is applied to extract the target information from the collected data. A method to determine an optimal filter based on root-mean-square-error is also presented. For the volume estimation multi-view stereo techniques are adopted to extract 3-D point clouds and three different methods; Method-I: using 2-D projection on slices, Method-II: using polyhedrons on voxels and Method-III: using enclosed surfaces, were devised and tested in the experiments. An application program running on the Qt framework was also developed for real-time monitoring.

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 대상 작물과 환경 요소에 대한 다양한 시계열 데이터를 제공하는 데이터 수집 시스템을 제안하였다. 이 시스템은 서버와 다수의 스테이션으로 이루어지며, 서버는 대상 농지에 골고루 분산된 스테이션으로부터 데이터를 수집한다. 또한 시스템은 대상 작물의 다양한 환경 요소를 수집하고, 멀티 뷰 스테레오 기법을 이용하여 대상 작물의 부피를 추정한다. 이 두 과정은 데이터의 융합을 위해 서로 동기화되어 진행된다. 시스템을 테스트하고 분석하기 위해 시제품을 개발하였다. 시제품은 하드웨어 프레임과 시스템 구성 요소로 구성되며, 전 데이터 수집 과정은 소프트웨어로 구성되었다. 시제품을 통해 수집한 데이터로부터 표적 정보를 추출하기 위해 저주파 통과 필터를 사용하였다. 본 연구에서는 저주파 통과 필터를 위해 평균제곱오차를 이용하여 최적의 필터를 선정하는 방법을 제시하였다. 또한 3차원 점집합을 추출하기 위해 멀티 뷰 스테레오 기법을 사용하였고, 이를 바탕으로 부피를 추정하기 위한 세 가지 추정방법: 1) 2차원 사영을 통한 추정, 2) 복셀에 대한 다면체 추정, 3) 메쉬 추정을 제시하여 그 결과를 비교분석하였다. 또한, Qt 프레임워크 기반의 제어 및 모니터링 프로그램을 설계하고 개발하였다.

목차 (Table of Contents)

• I. Introduction 1
• II. Background 4
• 1. Plant Phenotyping 4
• 2. Sampling 6
• 3. Fourier Transform and Low-Pass Filter 7
• 4. 3-D Reconstruction 9
• III. Proposing System 11
• 1. Plant Phenotyping Station 14
• 2. Preprocessing 20
• 3. Volume Estimation 24
• IV. Experiment & Result 29
• 1. Implementation 29
• 2. Data Filtering 35
• 3. Noise Immunity 39
• 4. Volume Estimation 42
• V. Summary & Future Works 51
• References 52
• 국문초록 61