Redes neurais convolucionais aplicadas na identificação de rachaduras em imagens de toras de eucalipto em campo

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2023
Autor(a) principal: Soares, Luis Carlos da Silva
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: por
Instituição de defesa: Universidade Federal de Lavras
Programa de Pós-graduação em Genética e Melhoramento de Plantas
UFLA
brasil
Departamento de Biologia
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/56296
Resumo: Wood is a product widely used by human. Most of its stock comes from artificial forest stands promoting various industries such as civil construction and furniture. Although part of the stands presents good performances in terms of production, the sector still deals with material losses due to the projection of cracks in the wood. Efforts to minimize this problem mainly focus on obtaining trees with a genetic constitution that is less prone to cracking. Advances in genetic improvement for this character are reported, above all, for the evaluation methods. Traditional computer vision approaches are an excellent alternative for evaluating cracks. However, its inability to implement it in the field is the main bottleneck of the technique. Based on deep learning, field phenotyping approaches using computer vision show promise for field evaluation tasks. Thus, this work aimed to evaluate the ability of convolutional neural networks to identify cracks in logs from images collected in the field. For this purpose, images were used in the field and a controlled environment. The first group of images underwent class annotation processes (background, log, and crack) to generate masks. In contrast, masks previously made by other works were used for the second group. Synthetic images were generated from the controlled environment images, simulating the field environment from the segmentation and merging of the log-in field photos. In addition, several wood textures were combined to generalize the model. The set of images obtained, both synthetic and field, underwent database expansion processes so that the architectures have enough images for good training. In the end, 2,554 images were obtained, which were divided into sets of exclusive training and validation data in the proportion of 80% and 20% respectively. Three architectures of convolutional neural networks were evaluated, namely U-Net, FPN, and Linkinet. The models generated from the architectures were evaluated, and the best one was selected based on the best averages for insertion over union (IoU). The class estimates of the model chosen were visually compared with the expected masks from a set of 20 images. Finally, the actual and estimated area of the crack was calculated and compared using the chi-square test, coefficient of determination (R2), root mean squared error (RMSE), and the mean percentage absolute error (MAPE). With this work, it is observed that the U-Net model is configured as the best option among the architectures evaluated here for the phenotyping of cracks in logs in the field. The statistical equity of the estimates of the crack area concerning the real area and the speed in obtaining the results encourage its use in crack evaluation tasks in forest improvement programs, even though the model presents difficulties in dealing with small cracks. Future studies may focus on strategies to improve the detection of small cracks.
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spelling Redes neurais convolucionais aplicadas na identificação de rachaduras em imagens de toras de eucalipto em campoConvolutional neural networks applied to identify cracks in images of eucalyptus logs in the fieldAnálise de imagensMelhoramento genéticoSegmentação semânticaOtimização florestalImage analysisGenetical enhancementSemantic segmentationForest optimizationBackboneMelhoramento VegetalWood is a product widely used by human. Most of its stock comes from artificial forest stands promoting various industries such as civil construction and furniture. Although part of the stands presents good performances in terms of production, the sector still deals with material losses due to the projection of cracks in the wood. Efforts to minimize this problem mainly focus on obtaining trees with a genetic constitution that is less prone to cracking. Advances in genetic improvement for this character are reported, above all, for the evaluation methods. Traditional computer vision approaches are an excellent alternative for evaluating cracks. However, its inability to implement it in the field is the main bottleneck of the technique. Based on deep learning, field phenotyping approaches using computer vision show promise for field evaluation tasks. Thus, this work aimed to evaluate the ability of convolutional neural networks to identify cracks in logs from images collected in the field. For this purpose, images were used in the field and a controlled environment. The first group of images underwent class annotation processes (background, log, and crack) to generate masks. In contrast, masks previously made by other works were used for the second group. Synthetic images were generated from the controlled environment images, simulating the field environment from the segmentation and merging of the log-in field photos. In addition, several wood textures were combined to generalize the model. The set of images obtained, both synthetic and field, underwent database expansion processes so that the architectures have enough images for good training. In the end, 2,554 images were obtained, which were divided into sets of exclusive training and validation data in the proportion of 80% and 20% respectively. Three architectures of convolutional neural networks were evaluated, namely U-Net, FPN, and Linkinet. The models generated from the architectures were evaluated, and the best one was selected based on the best averages for insertion over union (IoU). The class estimates of the model chosen were visually compared with the expected masks from a set of 20 images. Finally, the actual and estimated area of the crack was calculated and compared using the chi-square test, coefficient of determination (R2), root mean squared error (RMSE), and the mean percentage absolute error (MAPE). With this work, it is observed that the U-Net model is configured as the best option among the architectures evaluated here for the phenotyping of cracks in logs in the field. The statistical equity of the estimates of the crack area concerning the real area and the speed in obtaining the results encourage its use in crack evaluation tasks in forest improvement programs, even though the model presents difficulties in dealing with small cracks. Future studies may focus on strategies to improve the detection of small cracks.Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de Minas Gerais (FAPEMIG)A madeira é um produto amplamente utilizado pelo homem. Parte de seu estoque advém de povoamentos florestais artificiais que fomentam setores como o da construção civil e movelaria. Embora parte dos povoamentos apresentem bons desempenhos quanto à produção, o setor ainda lida com perdas de material devido à projeção de rachaduras na madeira. Os esforços para minimizar tal problema concentram-se na obtenção de árvores com constituição genética com menor propensão para rachaduras. Avanços no âmbito de melhoramento genético para tal caráter são relatados para os métodos de avaliação. Abordagens tradicionais de visão computacional se apresentam como uma alternativa para a avaliação de rachaduras. Entretanto, a sua incapacidade de implementação em campo configura-se como o principal gargalo da técnica. Abordagens de fenotipagem em campo usando visão computacional, pautadas em aprendizado profundo, demonstram ser promissoras para tarefas de avaliação em campo. Assim, objetivou-se com esse trabalho avaliar a capacidade das redes neurais convolucionais na identificação de rachaduras em toras a partir de imagens coletadas a campo. Foram usadas imagens em ambiente de campo e em ambiente controlado. O primeiro grupo de imagens passou por processos de anotação das classes (background, tora e rachadura) para a geração de máscaras, enquanto o segundo grupo utilizou-se as máscaras anteriormente feitas por outros trabalhos. A partir das imagens de ambiente controlado foram geradas imagens sintéticas simulando o ambiente de campo, a partir da segmentação e mesclagem da tora em fotos de campo. Além disso, para a generalização do modelo, foram realizadas mesclagem de diversas texturas de madeiras. O conjunto de imagens obtidas, sintéticas e de campo, passaram por processos de ampliação do banco de dados para que as arquiteturas tenham imagens o suficiente para um bom treinamento. Ao final, foram obtidas 2.554 imagens as quais foram divididas em conjunto de dados exclusivos de treino e de validação, na proporção de 80% e 20%, respectivamente. Foram avaliadas três arquiteturas de redes neurais convolucionais, sendo elas a U-Net, FPN e Linkinet. Os modelos gerados a partir das arquiteturas foram avaliados e a seleção do melhor se deu em função das melhores médias para a inserção sobre união (IoU). As estimativas das classes do modelo selecionado foram comparadas visualmente com as máscaras esperadas a partir de um conjunto de 20 imagens. Por fim, foram calculadas a área real e estimada da rachadura as quais foram comparadas via teste qui quadrado, coeficiente de determinação (R2), Raiz do erro quadrático médio (RMSE) e o Erro absoluto médio percentual (MAPE). Com esse trabalho, observa-se que o modelo U-Net se configura como a melhor opção dentre as arquiteturas aqui avaliadas para a fenotipagem de rachaduras de toras em campo. A equidade estatística das estimativas da área das rachaduras em relação à área real aliados com a rapidez em se obter os resultados estimulam o seu emprego em tarefas de avaliação de rachaduras em programas de melhoramento florestal, ainda que o modelo apresente dificuldade ao lidar com pequenas rachaduras. Estudos futuros podem focar em estratégias que visem a melhoria de detecção das pequenas rachaduras.Universidade Federal de LavrasPrograma de Pós-graduação em Genética e Melhoramento de PlantasUFLAbrasilDepartamento de BiologiaGonçalves, Flávia Maria AvelarFigueiredo, Izabel Cristina Rodrigues deFigueiredo, Izabel Cristina Rodrigues deCordeiro, Vinícius QuintãoLafetá, Bruno OliveiraSoares, Luis Carlos da Silva2023-03-20T19:24:56Z2023-03-20T19:24:56Z2023-03-202023-01-18info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfSOARES, L. C. da S. Redes neurais convolucionais aplicadas na identificação de rachaduras em imagens de toras de eucalipto em campo. 2023. 50 p. Dissertação (Mestrado em Genética e Melhoramento de Plantas)–Universidade Federal de Lavras, Lavras, 2023.http://repositorio.ufla.br/jspui/handle/1/56296porinfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFLAinstname:Universidade Federal de Lavras (UFLA)instacron:UFLA2023-05-03T17:31:51Zoai:localhost:1/56296Repositório InstitucionalPUBhttp://repositorio.ufla.br/oai/requestnivaldo@ufla.br || repositorio.biblioteca@ufla.bropendoar:2023-05-03T17:31:51Repositório Institucional da UFLA - Universidade Federal de Lavras (UFLA)false
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Soares, Luis Carlos da Silva
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