Ένα σύστημα μηχανικής όρασης ικανό να εντοπίζει και να αναγνωρίζει τα λουλούδια του βασιλιά της μηλιάς μέσα σε συστάδες λουλουδιών σε δέντρα σε οπωρώνες επινοήθηκε από ερευνητές του Penn State - ένα κρίσιμο πρώιμο βήμα στην ανάπτυξη ενός ρομποτικού συστήματος επικονίασης - σε μια πρώτη στο είδος του μελέτη .
Τα άνθη της μηλιάς αναπτύσσονται σε ομάδες των τεσσάρων έως έξι ανθέων που συνδέονται με κλαδιά, και το κεντρικό άνθος είναι γνωστό ως το βασιλικό λουλούδι. Αυτό το λουλούδι ανοίγει πρώτο στη συστάδα και συνήθως βγάζει τον μεγαλύτερο καρπό. Έτσι, είναι ο βασικός στόχος ενός ρομποτικού συστήματος επικονίασης, σύμφωνα με τον ερευνητή Long He, επίκουρο καθηγητή Γεωργίας και βιολογική μηχανική.
Η επικονίαση από έντομα παραδοσιακά βασιζόταν για την παραγωγικότητα των μήλων. Ωστόσο, τα στοιχεία δείχνουν ότι οι υπηρεσίες επικονίασης, τόσο από εξημερωμένες μέλισσες όσο και από άγριους επικονιαστές, δεν ανταποκρίνονται στις αυξανόμενες απαιτήσεις, σημείωσε. Εξαιτίας διαταραχή κατάρρευσης αποικίας, οι μέλισσες σε όλο τον κόσμο πεθαίνουν με ανησυχητικούς ρυθμούς. Ως αποτέλεσμα, οι παραγωγοί χρειάζονται εναλλακτικές μεθόδους επικονίασης.
Αυτή η μελέτη είναι η πιο πρόσφατη που διεξήχθη από την ερευνητική ομάδα του He's στο College of Agricultural Sciences, η οποία είναι αφιερωμένη στην ανάπτυξη ρομποτικών συστημάτων για την εκτέλεση γεωργικών εργασιών έντασης εργασίας, όπως η συλλογή μανιταριών, το κλάδεμα της μηλιάς και η αραίωση πράσινων καρπών. Ο πρωταρχικός στόχος αυτού του έργου, εξήγησε, ήταν η ανάπτυξη ενός συστήματος όρασης βασισμένο στη βαθιά μάθηση που θα μπορούσε να αναγνωρίσει και να εντοπίσει με ακρίβεια τα βασιλικά λουλούδια σε θόλους δέντρων.
«Πιστεύουμε ότι αυτό το αποτέλεσμα θα παρέχει βασικές πληροφορίες για ένα ρομποτικό σύστημα επικονίασης, το οποίο θα οδηγούσε σε αποτελεσματική και αναπαραγώγιμη επικονίαση των μήλων για να μεγιστοποιηθεί η απόδοση φρούτων υψηλής ποιότητας», είπε. «Στην Πενσυλβάνια, μπορούμε ακόμα να βασιστούμε στις μέλισσες για να επικονιάσουν τις καλλιέργειες μήλων, αλλά σε άλλες περιοχές όπου ο θάνατος των μελισσών ήταν πιο σοβαρός, οι καλλιεργητές μπορεί να χρειαστούν αυτήν την τεχνολογία νωρίτερα παρά αργότερα».
Ο Xinyang Mu, διδακτορικός φοιτητής στο Τμήμα Γεωργικής Βιολογικής Μηχανικής, πρωτοστάτησε στη μελέτη των λουλουδιών του βασιλιά. Ο Mu χρησιμοποίησε το Mask R-CNN - ένα δημοφιλές πρόγραμμα υπολογιστή βαθιάς μάθησης που εκτελεί τμηματοποίηση σε επίπεδο pixel για να ανιχνεύσει αντικείμενα που καλύπτονται μερικώς από άλλα αντικείμενα - για να αναγνωρίσει και να εντοπίσει τα βασιλικά λουλούδια σε ένα σύστημα μηχανικής όρασης.
Για να δημιουργήσει το μοντέλο ανίχνευσης που βασίζεται στο Mask R-CNN, απαθανάτισε εκατοντάδες φωτογραφίες από άνθη μηλιάς. Στη συνέχεια ανέπτυξε έναν αλγόριθμο τμηματοποίησης βασιλικών λουλουδιών για να αναγνωρίσει και να εντοπίσει τα βασιλικά λουλούδια από αυτό το ακατέργαστο σύνολο εικόνων λουλουδιών μηλιάς. Η έρευνα διεξήχθη στο Κέντρο Έρευνας και Επέκτασης Φρούτων του Penn State, Biglerville.
Gala και Honeycrisp μήλο επιλέχθηκαν ποικιλίες για τις δοκιμές. Τα δοκιμαστικά δέντρα φυτεύτηκαν το 2014 με απόσταση δέντρων περίπου 5 πόδια (Gala) και 6 1/2 πόδια (Honeycrisp). Αυτά τα δέντρα εκπαιδεύτηκαν στην αρχιτεκτονική των ψηλών ατράκτων, με μέσο ύψος περίπου 13 πόδια. Το σύστημα λήψης εικόνων με μια κάμερα τοποθετήθηκε σε ένα όχημα κοινής ωφέλειας που κινούνταν ανάμεσα σε σειρές δέντρων.
Η εκπαίδευση του συστήματος μηχανικής όρασης για τον εντοπισμό βασιλικών λουλουδιών ήταν πρόκληση, επεσήμανε ο Mu, επειδή έχουν το ίδιο μέγεθος, χρώμα και σχήμα με τα πλευρικά άνθη σε ομάδες και τα βασιλικά λουλούδια συνήθως κρύβονται από τα γύρω λουλούδια λόγω της κεντρικής τους θέσης.
Για να εκπληρωθούν οι απαιτήσεις της εκμάθησης μεταφοράς για εκπαίδευση μοντέλων Mask R-CNN, οι ακατέργαστες εικόνες επισημάνθηκαν σε δύο προκαθορισμένες κατηγορίες: μεμονωμένα λουλούδια και αποφραγμένα λουλούδια. Για να βελτιωθεί η ακρίβεια, το σύνολο δεδομένων εκπαίδευσης μεγεθύνθηκε κατά τέσσερις φορές χρησιμοποιώντας προσεγγίσεις αύξησης δεδομένων, εξήγησε ο Mu.
«Για να διακρίνουμε τα βασιλικά λουλούδια από τα πλευρικά λουλούδια, το πιο κεντρικό λουλούδι σε κάθε ομάδα λουλουδιών στοχεύτηκε ή εντοπίστηκε», είπε. «Το σύστημα όρασης εντόπισε αυτόματα τις συστάδες λουλουδιών ξεχωριστά με βάση μια δισδιάστατη προσέγγιση χαρτογράφησης πυκνότητας λουλουδιών. Μέσα σε κάθε συστάδα λουλουδιών που ανιχνεύτηκε, το λουλούδι —ή η μάσκα— στην πιο κεντραρισμένη θέση προσδιορίστηκε ως το λουλούδι του βασιλιά στόχου».
Σε ευρήματα που δημοσιεύθηκαν πρόσφατα στο Έξυπνη Αγροτική Τεχνολογία, οι ερευνητές ανέφεραν υψηλό επίπεδο ακρίβειας ανίχνευσης βασιλικών λουλουδιών που προκύπτει από τον αλγόριθμο του Mu. Σε σύγκριση με τις μετρήσεις που ελήφθησαν με μη αυτόματο τρόπο από ερευνητές που εντόπισαν τα βασιλικά λουλούδια με το μάτι - που ονομάζονται μετρήσεις επίγειας αλήθειας από τους ερευνητές - η ακρίβεια ανίχνευσης του βασιλιά λουλουδιών της μηχανικής όρασης κυμαινόταν από 98.7% έως 65.6%.