[논문]PLC제어와 영상처리를 이용한 계란의 비파괴 신선도 측정 시스템 개발

김태정; 김선정; 이동구; 이정호; 이영석; 황헌; 최선

doi:10.17661/jkiiect.2019.12.2.162

PLC제어와 영상처리를 이용한 계란의 비파괴 신선도 측정 시스템 개발
Development of non-destructive freshness measurement system for eggs using PLC control and image processing 원문보기

한국정보전자통신기술학회논문지 = Journal of Korea institute of information, electronics, and communication technology, v.12 no.2, 2019년, pp.162 - 169

김태정 (Department of Bio-mechatronics Eng., SungKyunKwan University) , 김선정 (Department of Bio-mechatronics Eng., SungKyunKwan University) , 이동구 (Department of Bio-mechatronics Eng., SungKyunKwan University) , 이정호 (Department of Bio-mechatronics Eng., SungKyunKwan University) , 이영석 (Dept. Automation System, Seongnam Campus of KOREA Polytechnic) , 황헌 (Department of Bio-mechatronics Eng., SungKyunKwan University) , 최선 (Department of Bio-mechatronics Eng., SungKyunKwan University)

초록
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분광법을 이용한 비파괴 신선도 측정 연구들이 여러 차례 진행되어 왔지만, 기실과 신선도 간의 연구가 진행되지 않았다. 따라서 본 연구에서는 비파괴 방식으로 계란 내부의 기실을 시각적으로 계측하며 정량화하는 시스템을 개발함에 목적이 있다. 소형 챔버로 구성된 실험 환경은 2개의 850nm 대역의 IR 레이저, 2개의 서보모터, IR Cut RGB 카메라로 구성되며 계란 기실의 영상을 획득한다. 본 논문에서 계란의 기실 부피 비율이 2.9% 이하이고 밀도가 0.9800($g/cm^3$) 이상이면 60 이상의 호우 유닛 값을 갖는 B등급 이상의 신선한 계란으로 판단한다. 상기 결과 중량측정용 저울, 비파괴 판정시스템과 신선도 측정 알고리즘이 있으면 계란을 파괴하지 않고 B등급 이상의 판매 가능한 계란을 판정할 수 있음을 의미한다. 향후 계란의 신선도 판정을 할 때 계란의 기실 부피 비율과 밀도를 이용하여 계란 신선도를 비파괴 적으로 판별할 수 있는 기초 자료로 사용할 수 있기를 기대한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Non-destructive freshness measurement using spectroscopy has been carried out several times, but research on freshness and freshness has not been conducted. Therefore the purpose of this study is to develop a system for visually measuring and quantifying the air sack inside the egg by non - destructive method. The experimental environment which designed a small chamber was composed of 850nm band of two IR lasers, IR camera and two servo motors to acquire air sack Images. When the air sack volume ratio is 2.9% or less and the density is 0.9800 or more, the Haugh Unit value is 60 or more It was judged to be a fresh egg of a grade B or higher. These results mean, using the weight measurement, nondestructive decision system, and freshness evaluating algorithm. It can be expected to distinguish grade B or more marketable eggs without using destructive methods.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1. 시스템 외관 Fig. 1. System Layout
그림 그림 2. 전체 시스템 구성도 Fig. 2. System Configuration Diagram
그림 그림 3. 기실의 위치 Fig. 3. Position of Air sack
그림 그림 4. 적외선 조명 방향 Fig. 4. Position of Infra-Red Light Source
표 표 1. 저장 온도에 따른 실험 방법 Table 1. Test Plan According to Storage Temperature
그림 그림 5. 실험 절차 흐름 Fig. 5. Test Flowchart
그림 그림 6. 데이터 획득 과정 그림 6. Data Acquisition process
그림 그림 7. 계란의 장단축 Fig. 7. Long & Short axis of Egg
그림 그림 8. 픽셀의 길이 측정 Fig. 8. Measurement of Pixel Length(mm)
그림 그림 10. 기실 부피비율 평균값 증가(20℃) Fig. 10. Increasing air sack volume ratio average(20℃)
그림 그림 9. 타원의 부피 공식 Fig. 9. Ellipse Volume Equation
표 표 2. 픽셀의 실측 단위 변환 Table 2. Actual unit conversion of pixels
그림 그림 11. 기실 부피비율 평균값 증가(30℃) Fig. 11. Increasing air sack volume ratio average(30℃)
그림 그림 12. 기실과 호우 유닛과의 상관관계 Fig. 12. Air sack and HU unit co-relation
표 표 3. 기실과 호우유닛 Pearson 상관관계 Table 3. Pearson Correlations between Air Sack and Haugh Units

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

[6] 앞서 진행된 비파괴 방식의 연구들은 분광 기법을 기본으로 하여 계란 내부 및 외부 정보를 바탕으로 신선도를 계측 및 분류하는 방법으로 진행되었다. 본 논문에서는 분광 기법으로 관측할 수 없는 계란의 기실을 850nm 대역의 IR 레이저와 IR-Cut RGB 카메라로 영상을 획득 하고 영상처리를 통해 계란 내부의 변화를 시각적으로 관찰하여 품질의 변화를 정략적으로 측정할 수 있는 비파괴 신선도 측정 방법을 개발하고자 한다.
9800(g/cm³) 이상이면 호우 유닛(HU)값이 60 이상인 B등급 이상의 신선한 계란일 것으로 판단하였다. 본 논문에서는 비파괴 측정 방법 중 분광법을 이용한 신선도 측정 방식이 아닌 적외선과 영상 시스템을 이용한 방법을 제시하였다. 계란의 내부를 시각적으로 확인 가능한 시스템을 개발하여 객관성을 확보하고 데이터의 신뢰성 구간을 정량화하여 기실에 대한 영향 요인을 분석하였다.

제안 방법

본 논문에서는 비파괴 측정 방법 중 분광법을 이용한 신선도 측정 방식이 아닌 적외선과 영상 시스템을 이용한 방법을 제시하였다. 계란의 내부를 시각적으로 확인 가능한 시스템을 개발하여 객관성을 확보하고 데이터의 신뢰성 구간을 정량화하여 기실에 대한 영향 요인을 분석하였다. 이는 향후 계란의 등급 판정의 신뢰성을 증대시키고 소비자에게 믿을 수 있는 먹거리를 제공함에 있다.
본 실험은 시중에 판매되는 계란을 대상으로 봄철 실온 평균 20℃와 여름철 실온 평균 30℃에 맞추어 항온항습기를 사용하여 각 온도를 일정하게 유지하고 각각 30개씩의 계란을 대상으로 결과를 획득하였 다. 그리고 20℃ 저장 환경은 부패속도가 빠르지 않아 2일 간격으로, 30℃ 저장 환경은 부패의 속도가 빠른 관계로 1일 간격으로 계란의 기실을 측정하고 파각하여 호우 유닛을 측정하였다. 표 1은 온도에 따른 1회 실험에 걸리는 기간과 측정 시 사용하는 계란의 개수를 나타낸 표이다.
본 논문에서는 적외선 레이저를 이용한 비파괴 검사 장비로써 계란의 기실 부분을 조사하기 위한 광원부, 기실을 찾기 위한 모터 회전 제어부, 기실 영상을 획득을 위한 수집부로 구분된다. 영상 수집은 IR-Cut된 RGB 카메라로부터 가시광선 및 적외선 대역의 영상을 획득하여 컴퓨터에 저장하고, 제어 장치는 서보 모터를 사용하여 계란을 회전시켜 회전각에 따른 영상을 획득한다.
그림 2는 영상을 이용한 비파괴 검사장비의 시스템 구성도이다. 산업용 PLC와 서보시스템을 사용하기 위해 GX-Works 프로그램을 사용하여 회전각을 60˚ 도로 하여 제어한다. 적외선(IR) 조명의 제어 각도 범위는 0°∼90°로 회전할 수 있도록 구성하였고 ATmega2560와 연결해 적외선 조명의 제어를 수행한다.
영상을 구성하는 단위인 Pixel을 국제단위인 미터 법으로 변환하기 위해 고정된 카메라로부터 물체의 영상이 획득될 위치에 이미 정확한 수치를 알고 있는 물체를 놓고 그 위치 점에서의 Pixel 데이터를 추출한다. 본 논문에서 사용된 카메라로부터 계란이 위치한 영상은 그림 8과 같고 이때 1mm당 16개의 Pixel로 구성되었으며 변환된 값은 아래 표 2와 같다.
그림 1은 비파괴 검사장비의 설계 도면으로 외부 프레임은 알루미늄으로 제작하였다. 외부 빛이 투과 되지 못하도록 외관 전체를 감싸 암실을 구현했다.
저장된 계란을 1개씩 비파괴 검사장비에 넣고 60° 간격으로 회전하며 영상을 촬영하였다.
적외선(IR) 조명의 제어 각도 범위는 0°∼90°로 회전할 수 있도록 구성하였고 ATmega2560와 연결해 적외선 조명의 제어를 수행한다.

대상 데이터

계란 내부에 위치한 기실을 측정하기 위해 850nm 대역의 IR 레이저를 사용하였다. 적외선은 가시광선 대역의 조명과는 다르게 눈으로 볼 수 없고, 공기 중의 투과력이 강하여 계란의 상단부에 있는 기실을 통과하면 내부의 공기층으로 인한 난반사로 기실부분이 밝게 보인다.
본 실험은 시중에 판매되는 계란을 대상으로 봄철 실온 평균 20℃와 여름철 실온 평균 30℃에 맞추어 항온항습기를 사용하여 각 온도를 일정하게 유지하고 각각 30개씩의 계란을 대상으로 결과를 획득하였 다. 그리고 20℃ 저장 환경은 부패속도가 빠르지 않아 2일 간격으로, 30℃ 저장 환경은 부패의 속도가 빠른 관계로 1일 간격으로 계란의 기실을 측정하고 파각하여 호우 유닛을 측정하였다.
본 논문에서는 적외선 레이저를 이용한 비파괴 검사 장비로써 계란의 기실 부분을 조사하기 위한 광원부, 기실을 찾기 위한 모터 회전 제어부, 기실 영상을 획득을 위한 수집부로 구분된다. 영상 수집은 IR-Cut된 RGB 카메라로부터 가시광선 및 적외선 대역의 영상을 획득하여 컴퓨터에 저장하고, 제어 장치는 서보 모터를 사용하여 계란을 회전시켜 회전각에 따른 영상을 획득한다.

성능/효과

그림 11은 기실 면적 대비 계란의 부피 비율 데이터의 평균값으로 증가율을 나타내었다. 20℃와 마찬가지로 시간이 지날수록 계란 전체영역 대비 기실 부피 비율은 증가하는 것을 확인하였다. 20℃의 경우 회귀식이 y=0.
계란의 보관온도에 따라 신선도의 영향을 미치는 인자로 기실 크기 증가와 중량 감소를 분석한 결과, 같은 기간 동안 보관온도가 높을수록 기실이 빨리 증가하고, 중량 감소율도 더 큰 것으로 나타나 신선 도가 더 급속히 낮아지는 결과를 보였다. 기실 면적과 호우 유닛(HU)과의 관계는 기실 면적 비율이 높을수록 호우 유닛(HU)값은 낮아지고 신선도도 낮아 지는 상관계수 –0.
989로 매우 높은 상관 성을 나타내었다. 그리고 저장 기간에 따른 기실 면적과 계란 부피 비율의 평균값도 증가하는 것을 확인하였다.
기실 면적과 호우 유닛(HU)과의 관계는 기실 면적 비율이 높을수록 호우 유닛(HU)값은 낮아지고 신선도도 낮아 지는 상관계수 –0.867의 음의 상관관계가 있음을 확인하였다.
867의 음의 상관관계가 있음을 확인하였다. 기실 부피 비율이 2.76% 이하의 계란은 A등급에 해당하는 호우 유닛(HU)값이 72 이상으로 나타났고, 기실 부피 비율이 3.8% 이상의 계란들은 C등급 이하에 해당하는 호우 유닛(HU)값 60 미만으로 나타났다. 결국 기실 부피 비율이 2.
표 3은 호우 유닛 변수와 기실 변수는 모두 연속 성에 있어 Pearson 상관관계로 분석한 결과 두 변수는 –0.867로 음의 상관관계가 강하게 나타남을 확인하였고 이는 기실이 커짐에 따라 호우 유닛은 감소하는 것을 나타낸다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	QCM+system이란 무엇인가?	현재 축산물품질평가원[1]에서 시행되고 있는 계란의 등급판정을 위한 신선도 검사는 영국의 TSS사의 QCM+system을 사용하여 계란의 중량을 측정하 고, 계란을 할란 한 후 농후난백의 높이를 측정하여 얻은 호우유닛(HU)값으로 A, B, C, D의 4등급으로 등급을 판정한다. 하지만 등급판정을 받은 계란도 보관 환경과 유통 상태에 따라서 신선도가 변화하기 때문에 샘플링 방식의 파괴적인 검사 방법으로는 소비자가 구매하는 시점의 신선도는 알 수 없다.
	적외선의 특징은?	계란 내부에 위치한 기실을 측정하기 위해 850nm 대역의 IR 레이저를 사용하였다. 적외선은 가시광선 대역의 조명과는 다르게 눈으로 볼 수 없고, 공기 중의 투과력이 강하여 계란의 상단부에 있는 기실을 통과하면 내부의 공기층으로 인한 난반사로 기실부분이 밝게 보인다. 이러한 조명의 특징을 활용하여 기실의 면적을 획득할 수 있다.
	QCM+system을 활용한 계란의 등급판정 방법이 지닌 문제점은?	현재 축산물품질평가원[1]에서 시행되고 있는 계란의 등급판정을 위한 신선도 검사는 영국의 TSS사의 QCM+system을 사용하여 계란의 중량을 측정하 고, 계란을 할란 한 후 농후난백의 높이를 측정하여 얻은 호우유닛(HU)값으로 A, B, C, D의 4등급으로 등급을 판정한다. 하지만 등급판정을 받은 계란도 보관 환경과 유통 상태에 따라서 신선도가 변화하기 때문에 샘플링 방식의 파괴적인 검사 방법으로는 소비자가 구매하는 시점의 신선도는 알 수 없다. 또한 파괴적인 검사 방법은 1회만 검사가 가능하고, 검사한 계란은 재사용할 수 없기 때문에 비파괴적인 신선도 검사의 필요성이 요구된다.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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