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반향 소리를 이용한 기계 학습 기반 수박의 당도 예측
Prediction of watermelon sweetness using a reflected sound 원문보기

한국융합학회논문지 = Journal of the Korea Convergence Society, v.11 no.8, 2020년, pp.1 - 6  

김기훈 (울산대학교 의용생체공학전공) ,  우지환 (울산대학교 전기공학부 의공학전공)

초록
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수박의 맛을 평가하는 다양한 방식이 있으나, 기존의 방법들은 주관적 방식, 평가 비용, 대상의 손상 등과 같은 평가 방식의 한계점이 있다. 최근에는 이러한 단점들을 해소하기 위해 소리를 이용하여 수박을 평가하는 연구들이 진행되고 있다. 본 연구에서는 수박을 두드렸을 때 나는 반향 소리를 AI기반의 기계 학습을 이용하여 수박의 당도를 예측하는 모델을 개발 하였다. 수박의 당도가 높을수록 높은 주파수 성분이 특이점으로 나타나며, 따라서 반향소리 시간-주파수 특이점에 기반 하여 기계 학습 방법을 개발하였다. 2개의 수박 당도별 그룹을 구분 시에 83.2%, 3개의 그룹을 구분시에 59.6%의 정확도로 당도를 예측 할 수 있었다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

There are various approaches to evaluate a watermelon sweetness. However, there are some limitations to evaluating cost, watermelon damage, and subjective issue. In this study, we developed a novel approach to predict a watermelon sweetness using reflected sound and the machine learning algorithm. I...

주제어

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AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 연구에서는 반향소리를 이용한 수박의 당도 예측이 가능함을 보여줄 수 있었으며, 일반적으로 사용하는 수박을 두드렸을 때 나는 반향소리에 기반한 수박의 주관적​​​​​​​ 당도 예측 방법을 객관적으로 구분할 수 있는 방법으로 제시하였다.
  • 일반적으로 수박을 구매하려는 사람들이 토양의 상태와 수박의 재배 및 수확 과정에 대한 정보를 얻기 힘들기 때문에 익은 정도에 대한 정보만 이용하여 수박을 평가하는 것은 한계가 있다. 따라서 본 연구에서는 수박의 반향 소리를 이용하여 수박의 질의 한 요소인 당도(Brix)를 예측할 수 있는 방법을 개발하였다. 수박의 반향 소리의 주파수 성분을 기계 학습모델 (machine-learning model)을 학습시키기 위한 특이점으로 사용하였으며, 이에 기반하여 당도의 정도를 예측하고자 한다.
  • 본 연구에서는 수박을 두드렸을 때 나는 반향소리의 시간-주파수 영역의 특이점이 수박의 당도를 예측 할 수 있는 지표로 판단되었다. 당도에 따라 수박을 그룹화 하였으며, 이를 토대로 기계학습 방식을 적용하여 당도 그룹을 예측하였을 때, 높은 정확도로 예측하였다.
  • 따라서 본 연구에서는 수박의 반향 소리를 이용하여 수박의 질의 한 요소인 당도(Brix)를 예측할 수 있는 방법을 개발하였다. 수박의 반향 소리의 주파수 성분을 기계 학습모델 (machine-learning model)을 학습시키기 위한 특이점으로 사용하였으며, 이에 기반하여 당도의 정도를 예측하고자 한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
맛있는 수박을 평가하기 위한 주관적인 방법에는 무엇이 있는가? 맛있는 수박을 평가하기 위하여 다양한 방법들이 활용되고 있으며, 이러한 방법들은 주관적인 방법과 객관적인 방법으로 나누어진다. 주관적인 방법으로는 수박 외부의 모양이나 색깔 등을 경험적인 방법에 의하여 맛을 예측하거나, 또는 소량을 직접 시식하여 맛을 평가하는 방법이 있다. 그러나 이러한 주관적인 예측 및 평가 방식은 정확한 기준을 정하지 않고 개인의 기준에 따르기 때문에 평가 및 예측에 한계가 있다.
빛을 이용하는 방식이란? 최근에는 이러한 주관적 평가•예측 방식의 한계를 극복하고자, 다양한 방식의 객관적인 평가 방식이 활용되고 있다. 빛을 이용하는 방식은 근적외선 분광 법(vis / NIR)기술에 기반하여 빛의 확산 및 투과 스펙트럼의 특성변화를 이용하는 평가 방식이다[1,2]. 그러나 이러한 빛을 이용하는 방식은 측정 시에 빛이나 온도 등의 외부적 환경에 민감할 수 있다는 단점이 있다.
X-ray 영상이나 MRI에 기반한 과일의 맛을 평가하는 방법의 제한점은 무엇인가? 수박은 일반적으로 충분히 익을수록 당도가 증가하고, 이에 따라 밀도가 증가하기 때문에 앞서 말한 방식에 기반한 밀도의 측정으로 수박의 당도 및 맛을 예측하는 방법을 사용한다[6,7]. 그러나 X-ray나 MRI 장치는 비교적 고가여서, 수박의 맛을 예측하기 위한 대중적인 방법으로 사용하기에는 제한 점이 있다.
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참고문헌 (15)

  1. Jie, D. F., Xie, L. J., Fu, X. P., Rao, X. Q. & Ying, Y. B. (2013). Variable selection for partial least squares analysis of soluble solids content in watermelon using near-infrared diffuse transmission technique. Journal of Food Engineering, 118(4), 387-392. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2013.04.027 

  2. Jie, D. F., Zhou, W. H. & Wei, X. (2019). Nondestructive detection of maturity of watermelon by spectral characteristic using NIR diffuse transmittance technique. Scientia Horticulturae, 257. DOI:108718, 10.1016/j.scienta.2019.108718 

  3. Fuzeng Yang, L. Y., Qing Yang & Likui Kang. (2009). Nondestructive detection of the internal quality of apple using X-ray and machine vision. LWT-Food Science and Technology, 41(9), 1720-1725. DOI:10.1007/978-1-4419-0213-9_20 

  4. Milczarek, R. R., Saltveit, M. E., Garvey, T. C. & McCarthy, M. J. (2009). Assessment of tomato pericarp mechanical damage using multivariate analysis of magnetic resonance images. Postharvest Biology and Technology, 52(2), 189-195. DOI:10.1016/j.postharvbio.2009.01.002 

  5. Sun, T. et al. (2010). Research advances in nondestructive determination of internal quality in watermelon/melon: A review. Journal of Food Engineering, 100(4), 569-577. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2010.05.019 

  6. Diezma-Iglesias, B., Ruiz-Altisent, M. & Barreiro, P. (2004). Detection of internal quality in seedless watermelon by acoustic impulse response. Biosystems Engineering, 88(2), 221-230. DOI:10.1016/j.biosystemseng.2004.03.007 

  7. Kyriacou, M. C., Leskovar, D. I., Colla, G. & Rouphael, Y. (2018). Watermelon and melon fruit quality: The genotypic and agro-environmental factors implicated. Scientia Horticulturae, 234, 393-408. DOI:10.1016/j.scienta.2018.01.032 

  8. Shah Rizam M. Shah Baki, M. Z. M. a., Ihsan M. Yassin, Hasliza A. Hassan & Azlee Zabidi. (2010). Non-Destructive Classification of Watermelon Ripeness using MelFrequency Cepstrum Coefficients and Multilayer Perceptrons. The 2010 International Joint Conference on Neural Networks (IJCNN), 1-6. DOI:10.1109/ijcnn.2010.5596573 

  9. Chen, X., Yuan, P. P. & Deng, X. Y. (2018). Watermelon ripeness detection by wavelet multiresolution decomposition of acoustic impulse response signals. Postharvest Biology and Technology, 142, 135-141. DOI:10.1016/j.postharvbio.2017.08.018 

  10. Zeng, W., Huang, X. F., Arisona, S. M. & McLoughlin, I. V. (2014). Classifying watermelon ripeness by analysing acoustic signals using mobile devices. Personal and Ubiquitous Computing, 18(7), 1753-1762. DOI:10.1007/s00779-013-0706-7 

  11. Ikeda, T., Choi, P. K., Ishii, T., Arai, I. & Osawa, M. (2015). Firmness evaluation of watermelon flesh by using surface elastic waves. Journal of Food Engineering, 160, 28-33. DOI:10.1016/j.jfoodeng.2015.03.020 

  12. Leskovar, D., Othman, Y. & Dong, X. J. (2016). Strip tillage improves soil biological activity, fruit yield and sugar content of triploid watermelon. Soil & Tillage Research, 163, 266-273. DOI:10.1016/j.still.2016.06.007 

  13. Qian, M., Huang, W. Q., Wang, Q. Y., Fan, S. X., Zhang, B. H. & Chen, L. P. (2016). Assessment of Influence Detective Position Variability on Precision of Near Infrared Models for Soluble Solid Content of Watermelon. Spectroscopy and Spectral Analysis, 36(6), 1700-1705. DOI:10.3964/j.issn.1000-0593(2016)06-1700-06 

  14. Muller, M., Ellis, D. P. W., Klapuri, A. & Richard, G. (2011). Signal Processing for Music Analysis. IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing, 5(6), 1088-1110. DOI:10.1109/Jstsp.2011.2112333 

  15. Peng, H. (2005). Feature Selection Based Mutual Information: Criteria of Max-Dependency, Max-Relevance and Min-Redundancy. IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 27, 1226-1238. DOI:10.1109/tpami.2005.159 

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