디지털 영상분석 기술을 활용한 옥수수 종자와 이삭의 특성 분석

- 과제명: 표현체 기술을 활용한 옥수수 형태 및 색상분석 기술 현장실증
- 담당자: 디지털육종지원과 김송림 연구사

힘들었던 생육조사도 디지털 기술로 신속하고, 정확하게 뚝딱해보세요
이제 눈과 자로 측정하던 작물특성 조사를 디지털 카메라로 측정할 수 있습니다.
현재 농업은 경험적 농업에서 정량화된 디지털 농업으로 발전하고 있습니다. 이때 사용되는 작물 표현체 기술은 현재와 미래농업을 책임질 핵심입니다.

작물표현체란?
디지털카메라로 작물의 사진을 찍고, 생김새나 농업 형질을 분석해주는 기술이 표현체 기술입니다. 이 기술은 이미지 데이터와 엑셀데이터를 분석해 빠르고 정확하게 육종에 활용 할 수 있습니다. 기존에는 사람이 논과 밭에 들어가서 자를 이용하거나, 보면서 육종자료를 만들었지만, 이제는 이미지 측정장비와 분석기술로 훨씬 더 정밀한 육종연구가 가능해지고 있습니다.

재료준비와 기기셋팅
옥수수 종자와 이삭을 잘 정선해서 준비해 주세요. 정선이 잘 안되면 영상분석의 정확도가 떨어집니다.
촬영은 디지털 이미지 촬영기를 활용해 진행하겠습니다. 우선, 종자는 백립씩 놓아주시고, 여러개의 거치대를 사용하면 반복구를 설정해서 촬영할 수 있습니다. 이삭을 촬영하기 위해서 특수제작된 거치대를 사용하고 있습니다. 우선, 이삭 거치대에 핀을 잘 결합해 주십시오.

다음으로, 이삭을 거치대 핀에 잘 넣어주세요. 이동식 측정자를 이삭근처에 위치해 주세요.
이삭 거치대를 컨베이어 밸트위에 올려 놓아 주세요. 전원은 측면에 있고, 컴프레셔도 가동시켜 주세요. 디지털 이미지 촬영기는 터치스크린 방식입니다. 셋팅은 카메라 셋팅, 스캐줄 셋팅 순으로 진행됩니다. 카메라의 노출값과 화이트 밸런스를 사용자의 목적에 맞게 설정합니다.
스캐줄 셋팅으로 가셔서 컨베이어 밸트 속도, 촬영각도, 저울안정화 시간, 촬영시기, 총 촬영개수, 저장폴더를 설정할 수 있어요. 이삭 이미지를 촬영하시려면 콘 머쳐, 종자이미지를 촬영하시려면 콘 씨드를 체크해 주시면 됩니다.
뷰 창으로 가시면 시작, 일시멈춤, 취소버튼으로 기기를 작동시킬 수 있어요.
시작 버튼을 누루면 컨베이어 밸트가 이동되고, 촬영이 진행됩니다. 촬영된 이미지들은 컴퓨터에 순서대로 저장됩니다. 설정한 각도대로 이삭이 회전하면서 이미지를 촬영합니다.

종자 이미지 분석
이미지제이 프로그램을 열고 매크로를 드래그해서 연동해주세요.
다음으로, 촬영된 종자 이미지를 드래그해서 이미지제이 프로그램에 연동해 주세요.
종자의 크기 등을 결정하기 위해 픽셀정보를 미리미터로 변환하는 스캐일 설정을 수행하겠습니다.
먼저, 레코드 창을 띄워주세요. 이것은 이미지제이 메뉴창에서 프로그인, 매크로로 들어가시면 레코드 옵션이 있습니다. 그 다음으로는 스캐일의 범위를 지정하겠습니다. 이미지제이 메뉴에서 직선형인 스트레이트를 이용해 거치대의 가로홈을 정확하게 이어서 지정해 주세요. 홈의 길이는 십 미리미터로 제작되었습니다. 그리고, 레코드창에 길이정보를 복사해서, 매크로 코드 안에 체크삼을 변경해 주세요. 그러면 스케일 설정이 마무리 됩니다. 종자들의 형질조사를 위해, 분석영역을 메뉴창에 사각형 영역, 즉, 렉탕글 옵션을 이용해서 지정해 주십시오.
나중에, 화면에서 보이는 사각형 영역만 분석이 됩니다. 사각형 영역 지정이 왼료된 후, 레코드 창의 정보를 복사해서 매크로 코드의 체크사를 변경해 주세요.

다음은 배경설정입니다. 메뉴창의 스포이드 옵션을 누룬 후, 거치대의 검은색 배경을 지정해 주세요. 이 설정으로 나중에 배경색에 해당되는 부분은 제거되고, 종자만 분석되게 됩니다.
앞선 방법과 같이, 레코드 창의 정보를 복사해서 매크로 코드 체크 오를 변경해 주세요. 그런 다음, 메뉴창의 에디트, 매이크인벌스를 클릭해주세요. 그러면, 종자영역 설정이 마무리 됩니다.

다음은 칼라 뜨레숄드 설정입니다. 메뉴창에서 이미지, 어드져스트를 거쳐, 칼라 뜨레숄드 옵션을 열어주세요. 색상 조정으로 종자 이미지를 잘 분리할 수 있게 해줍니다. 그런 다음, 칼라 뜨레숄드 창에의 칼라 스페이스 내에서 와이 유 브이를 선택해주세요. 와이 유 브이는 종자의 색상을 더 잘 분리해 줍니다. 뜨레숄드 창에서 와이 유 브이 값 중, 유 값을 이용해서 아래쪽 조정옵션으로 백이십삼 값을 지정해 보세요. 종자영역이 잘 분리되는 것을 확인하실 수 있습니다.

최종적으로, 와이 값은 영에 이백오십오, 유 값은 영에 백이십삼, 브이 값은 영에 이백오십오 값이 됩니다. 레코드 창에 기록된 이 값을 복사해서 매크로 코드의 체크 육을 변경해 주세요. 그러면 색상 조정이 마무리 됩니다.

여기서 잠깐, 이미지제이 프로그램에서 영상지표가 체크되었는지 확인해주세요. 체크가 되지 않은 지표는 추출되지 않습니다. 메뉴창에서 아날라이즈, 셋 미졀먼트 옵션을 들어가시면 체크할 수 있습니다.

이제 매크로를 실행해 보겠습니다. 매크로 창에서 런 매크로를 눌러 주세요. 그러면 폴더 창이 뜹니다. 여기서 인풋과 아웃풋 폴더를 차례로 선택해 주세요. 인풋 폴더에는 촬영된 이미지 정보가 들어있고, 아웃풋 폴더에는 프로그램 분석 결과인 엑셀데이터와 이미지 정보가 들어가게 됩니다. 두 개의 폴더는 촬영 전에 미리 생성해 주세요.

이제부터 분석이 시작됩니다. 설정된 영상분석 프로그램에 따라 백립의 종자가 차례대로 분석되는 것을 보실 수 있습니다. 약 십초 정도면 분석이 완료되고, 아웃 풋 폴더에서 결과를 확인하실 수 있습니다. 종자의 면적, 둘레, 장단폭, 원형도, 표면질감 등 종자 영상지표가 측정 되었습니다. 이미지제이와 매크로 프로그램을 통해서 만들어진 엑셀결과 데이터에서 다음의 영상지표를 확인하실 수 있습니다. 에이리어는 종자의 면적을 의미합니다. 상단의 카메라에서 찍힌 면적이니 처음에 거치대에 종자를 잘 배치해야 됩니다. 종자의 외곽선 둘레는 페리미터입니다.

종자의 장폭은 매이져로 표시됩니다. 가장 긴 종자의 길이로 보시면 됩니다. 그리고, 단폭은 마이너라고 합니다. 종자의 가장짧은 길이입니다. 종자의 원형도는 써클레러티입니다. 원형의 종자는 일에 가깝고, 길쭉한 종자형태는 영에 가까운 수치가 나옵니다. 라운드니스는 둥근정도입니다. 써클레러티와 유사하지만 측정방식은 약간다릅니다. 이것도 일에 가까울수록 원형이며, 영에 가까울수록 길쭉한 형태를 의미합니다. 솔리디티는 종자의 표면질감을 측정할 수 있습니다. 일에 가까울수록 블록하고 매끈한 종자이며, 영에 가까울수록 외형이 거칠거나 구멍이 있을 수 있습니다.
종자의 개수는 이미지에서 분할되어있는 종자 하나씩의 객체를 세어주는 것입니다. 사진을 찍을 때 종자가 겹치지 않게 찍어주시는 것이 중요합니다.

이삭 이미지 분석

지금부터 이삭 이미지 분석을 설명드리겠습니다. 이것은 종자 이미지 분석과 유사하게 진행됩니다. 이미지제이에 매크로와 이삭 이미지를 드래그해서 차례대로 연동해주세요.
스캐일의 범위를 지정하겠습니다.
먼저, 레코드 창을 띄워주세요. 그런 다음, 이미지제이 메뉴에서 직선형인 스트레이트를 이용해 거치대의 측정자에서 십 미리미터 부분을 정확하게 이어서 지정해 주세요.
레코드 창 정보를 복사해서 매크로 코드의 체크 삼을 변경해 주세요.
메뉴창의 렉탕글 옵션으로 이삭 영역을 설정해주세요.
그런 다음, 레코드 창의 정보를 복사해서 코드의체크 사를 변경해 주세요.
스포이드 옵션으로 배경을 설정해 주세요.
레코드 창의 정보를 복사해서 매크로 코드 체크 오를 변경해 주세요. 메뉴창의 에디트, 매이크인벌스를 클릭하시면 설정이 마무리 됩니다.
칼라 뜨레숄드 설정입니다. 메뉴창에서 이미지, 어드져스트를 거쳐, 칼라 뜨레숄드 옵션을 열어주세요.

그런 다음, 칼라 뜨레숄드 창에의 칼라 스페이스 내에서 와이 유 브이를 선택해주세요. 뜨레숄드 창에서 와이 유 브이 값 중, 유 값을 이용해서 아래쪽 조정옵션으로 백십일 값을 지정해 보세요. 이삭영역이 잘 분리되는 것을 확인하실 수 있습니다.
레코드 창에 기록된 이 값을 복사해서 매크로 코드의 체크 육을 변경해 주세요. 그 후, 매크로 창에서 런 매크로를 눌러 실행해 주세요.

마지막으로, 인 풋, 아웃 풋, 이어 폴더를 차례를 지정해 주시면 이미지가 자동으로 분석됩니다. 이어 폴더에서는 이삭 이미지와 엑셀 데이터를 확인하실 수 있습니다.
이삭 영상분석 지표를 설명드리겠습니다.
이삭은 앞서서 종자 영상지표 설명과 유사합니다.
최종 엑셀 결과 데이터를 보시면 상단에 지표이름이 있습니다.
이삭의 면적은 에어리어로 표기되어 있습니다. 전체 이삭의 크기를 알 수 있습니다. 이삭의 전체 픽셀수로부터 환산된 값입니다.
둘레인 페리미터는 이삭의 최외곽을 둘러싼 길이를 의미합니다.
이삭의 길이는 메이져로, 이삭의 너비는 마이너로 표기되어 있습니다.
이삭의 형태 유추분석은 앞서서 보셨듯이, 전체 이삭을 길게 일정한 간격으로 구분한 값인 26개의 위드 값을 그래프화 시키면 알 수 있습니다. 이삭의 외형이 일정하게 긴지, 일부분이 불룩하게 생겼는지 판단할 수 있습니다.
종자와 이삭의 대표색상 분석은 해당 프로그램을 열고, 이미지 폴더를 링크시키면 바로 결과를 볼 수 있습니다.

재료들의 가시광 색상값과 색상 코드값을 실제 색상정보로 보여주어 손쉽게 데이터를 활용할 수 있습니다. 종자와 이삭의 대표색상을 통해 각각의 특성들을 가시화, 정량화 시킬 수 있습니다.

데이터 활용

디지털 이미지 분석의 핵심은 신속하고, 정확하게 정량화된 데이터를 활용할 수 있다는 것입니다. 모든 데이터들은 분석된 이미지 데이터와 엑셀데이터들을 제공합니다. 이를 이용하여 대상 재료의 농업적 특성을 그래프화 하여 분석 할 수 있습니다.
다음은 옥수수 계통별 종자의 형태를 그래프화 한 것입니다. 엑셀데이터 분석으로 손쉽게 각 계통의 특성을 비교할 수 있습니다.
데이터들은 여러가지 통계적 기법들을 통해서 다양하게 활용이 가능합니다.
작물이 생장하는 곳의 온도, 습도, 일사량 등 환경데이터는 어떻게 작물이 살아왔고, 생장하는 지을 알 수 있는 척도겠죠. 앞선 디지털 기술과 환경데이터를 연계 관리하면 작물 육종에 시너지를 낼 수 있어요.

파급효과

지금까지 표현체 기술을 활용해 옥수수 종자이삭의 형태와 색상분석 기술을 보셨습니다.
이 기술은 예를 들어, 기존에 종자 백립을 네시간을 들여 크기 측정을 했던 것을 이미지 분석 기술로 십분에서 삼십분 이내로 단축시킬 수 가 있습니다. 형질 분석 속도가 최소 여덟배 향상되었습니다. 기존에 세명이서 하던일을 한명으로도 가능합니다. 노동력과 인건비를 약 65%나 절감시킵니다.
최종적으로 작물의 표현체 데이터, 환경 데이터, 여기에 유전체 데이터까지 더하면 육종소재 개발 속도와 시간을 10년에서 6년까지 약 40% 단축시킬 수 있을거라 예상됩니다.
앞서서 작물 표현체 기술로 옥수수 종자와 이삭의 특징들을 손쉽게 디지털로 분석 할 수 있는 기술을 소개하였습니다.
이 기술은 옥수수 뿐만 아니라 벼, 콩 같은 식량작물과 국화꽃, 사과 같은 원예작물 분석에도 적용이 가능합니다.

그럼, 어렵게만 느껴지던 디지털 기술과 조금 더 가까워 지셨나요?
이제 시작해 보세요.