Виявлення дефектів покриття насіння цукрового буряка за допомогою глибокого навчання
Анотація
YOLO (You Only Look Once) є важливим інструментом у виявленні дефектів покриття насіння цукрового буряка. Глобальний ринок покриття насіння очікує значного зростання, з оцінкою в 2,0 мільярда доларів США у 2023 році до приблизно 3,1 мільярда доларів США до 2028 року. Цей сплеск зростання в основному зумовлений постійним впровадженням інноваційних технологій та формул покриття насіння, які спрямовані на підвищення якості насіння, покращення продуктивності культур і пріоритетність сталого розвитку в сільському господарстві.
З цієї причини метою цієї роботи є категоризація покритих насінням цукрового буряка на основі дефектів покриття з використанням алгоритму YOLO. Дефекти покриття можуть суттєво вплинути на якість насіння та показники схожості; отже, насіння повинно бути ретельно ідентифіковане та класифіковане. Використовуючи алгоритм YOLO, можна виявити та класифікувати дефекти покриття на насінні цукрового буряка, тим самим швидко та ефективно підвищуючи якість та виробництво насіння.
Для цього було використано 2000 зображень насіння цукрового буряка високої роздільної здатності (3000 × 4000 пікселів), отриманих з верхньої відкритої фотокамери за постійних умов денного світла 1150 lx для створення оригінальної бази даних. Класифікація проводилася на насінні цукрового буряка з нормальним, зламаним, зіркоподібним та адгезивним покриттям, на основі 80% навчальних та 20% валідаційних даних з моделями YOLOv10-N, YOLOv10-L та YOLOv10-X.
Згідно з оцінками, найкращі точності тестування були отримані з YOLOv10X: 93% для нормального покриття, 94% для зламаного покриття, 94% для зіркоподібного покриття та 95% для адгезивного покриття. Крім того, найкращі часи висновку були отримані з YOLOv10N: 11,5 мс для нормального покриття, 11,7 мс для зламаного покриття, 11,4 мс для зіркоподібного покриття та 11,9 мс для адгезивного покриття. Таким чином, можливо, що негативні наслідки зміни експлуатаційних умов можуть бути повністю контрольовані за допомогою технологій обробки зображень.
Вступ
Насіння цукрового буряка є необхідним компонентом у розвитку цукрових буряків, які є основним джерелом цукру у світі. Від посадки до збору врожаю широкий спектр факторів, включаючи геномні та існуючі екологічні умови, може суттєво вплинути на якість насіння. Однак деякі з цих факторів можуть бути контрольовані. Поліпшення якості насіння досягається шляхом екзогенного застосування специфічних фізичних, хімічних або біологічних сполук безпосередньо на поверхню природного насіннєвого покриття. Це насіння часто покривають різноманітними сполуками для підвищення схожості, захисту від шкідників і хвороб, а також для покращення їх загальної продуктивності в полі.
Покриття — це процес оточення малих, легких і безформних насінин твердими частинками, щоб зробити їх придатними для механічної посадки. Покриття також використовується для зміни форми та розміру насіння, щоб зробити його важчим і круглішим. Покрите насіння характеризується здатністю приховувати початкову форму насіння через фізичну модифікацію та стандартизацію ваги та розміру насіння.
Хоча багато матеріалів, особливо деревні стружки, перліт та пісок, використовуються як матеріал для покриття, глина зазвичай є переважною. Щоб забезпечити, щоб глина формувалася та зберігала свою форму в покритті, використовуються чиста вода та комерційські адгезиви для покриття насіння. Ці матеріали повинні бути на водній основі і не повинні перешкоджати схожості насіння в умовах підвищеної вологості. Розробка широко використовуваних і загальноприйнятих рецептів покриття насіння вимагає спільних зусиль і попередніх знань з літератури.
Розмір світового ринку покриття насіння очікується зростання, з прогнозованою вартістю 2,0 мільярда доларів США у 2023 році та 3,1 мільярда доларів США до 2028 року, що демонструє потенційний середньорічний темп зростання (CAGR) 8,5%. Основною причиною цього сплеску є постійний розвиток нових технологій та формул покриття насіння, які спрямовані на покращення продуктивності культур, підвищення якості насіння та акцент на сталий розвиток у сільському господарстві.
Переваги покриття насіння
- Покращення якості насіння
- Підвищення показників схожості насіння
- Зниження витрат на розведення рослин
- Сприяння фенологічним подіям
- Покращення фізіолого-морфологічних якостей
- Підвищення врожайності
- Ефективність відновлення насіння
Крім того, покриття насіння є привабливим інструментом для вирішення проблем, з якими стикаються сільськогосподарські системи та відновлення деградованих систем.
Основні критерії якості покритого насіння
- Потужність схожості
- Показник життєздатності
- Час розчинення
- Стійкість до стресових умов
- Відповідь на патогени
- Однорідність розміру насіння
- Твердість покритих насінин
- Шорсткість поверхні
- Здатність зберігати потужність схожості
- Сумісність з машинами для посадки одного насіння
Фактори, що впливають на якість покриття насіння, це вміст матеріалу для покриття насіння, адгезив, що використовується в покритті, розмір голого насіння, форма насіння, здатність насіння поглинати воду та інші.
Техніки покриття
Техніки покриття еволюціонували, включаючи кілька типів покриттів, таких як полімерні покриття, біологічні покриття та харчові покриття, кожне з яких надає різні переваги насінню та культурам, які вони виробляють. Це дослідження має на меті вивчити фонову інформацію про насіння цукрового буряка, а також виявлення дефектів покриття, що використовується для покращення їх продуктивності в полі.
Дослідження
Дослідження має на меті вирішити проблему виявлення дефектів покриття цукрового буряка, використовуючи вдосконалену програму виявлення, яка використовує зображення високої роздільної здатності та метод YOLO для найбільш ефективного виявлення в реальному часі. Дослідження гіпотезувало, що процес ідентифікації в реальному часі може бути проведений за допомогою алгоритму глибокого навчання з підвищеною швидкістю та успішністю.
Критерії класифікації
Для цієї мети були використані наступні критерії як фокус для класифікації.
Критерій 1. Одна ембріон у кожному зерні
Однією з основних цілей покриття є наявність одного насіння в кожному зерні. Отже, злипання в насінні відповідає наявності більше ніж одного насіння.
Критерій 2. Однорідний діаметр у зерні, однорідна схожість
Вважається дефектом, якщо покриття є більш ніж необхідним і може заважати насінню проростати.
Критерій 3. Хімічний захист насіння від хвороб і шкідників
Розрив покриття є питанням, яке може призвести до зниження ефекту захисних препаратів.
Критерій 4. Рівномірність посадки
Дефект зіркоподібного покриття є помилкою покриття, що відповідає низькій циркуляції насіння в механізмі або недостатній дозі матеріалу.
Матеріали та методи
Матеріали
Сільськогосподарський сектор покриває насіння цукрового буряка, щоб підвищити якість насіння та продуктивність культур. У дослідженні процес покриття був застосований до насіння цукрового буряка за допомогою лабораторного типу покривного горщика.
Метод
Зразки насіння цукрового буряка були зібрані та підготовлені для аналізу відповідно до суворого процесу. Ця методологія дозволила провести повний і систематичний аналіз зразків насіння, надаючи виробникам насіння корисні відомості.
Збір даних
Для захоплення фотографій покритих насінням цукрового буряка використовувався Samsung Galaxy S24 Ultra. Унікальна база даних була створена шляхом захоплення високоякісних RGB зображень.
Впровадження алгоритму YOLO
Застосування алгоритму YOLO для ідентифікації нормального покриття, зламаного покриття, зіркоподібного покриття та адгезивного покриття на насінні цукрового буряка значно спрямоване на зменшення кількості дефектних продуктів.
Результати та обговорення
Дослідження точності виявлення нормального покриття, зламаного покриття, зіркоподібного покриття та адгезивного покриття насіння цукрового буряка дало цікаві результати.
Висновок
Покриття насіння є одним з найчутливіших застосувань у обробці насіння, що вимагає особливої уваги на кожному етапі. Важливість виправлення помилок покриття насіння іноді ігнорується в обговореннях щодо сільськогосподарських технологій. Фермери повинні усвідомлювати потенційні ризики, пов’язані з дефектами покриття насіння, і вжити проактивних заходів для їх пом’якшення.
Доступність даних
Дані, що підтримують результати цього дослідження, доступні від відповідного автора, Abdullah BEYAZ, за розумним запитом.
Можливість стежити за новинами у більш стислому форматі в телеграм каналі головна сторінка сайту