Một hệ thống thị giác máy có khả năng định vị và xác định hoa táo vua trong các cụm hoa trên cây trong vườn đã được các nhà nghiên cứu của bang Pennsylvania nghĩ ra—một bước khởi đầu quan trọng trong quá trình phát triển hệ thống thụ phấn bằng robot—trong một nghiên cứu đầu tiên về loại hình này .
Hoa táo mọc thành từng nhóm từ 4 đến 6 bông gắn trên cành và hoa ở giữa được gọi là hoa vua. Hoa này nở đầu tiên trong chùm và thường mọc quả to nhất. Vì vậy, đây là mục tiêu chính của hệ thống thụ phấn robot, theo nhà nghiên cứu Long He, trợ lý giáo sư nông nghiệp và Kỹ thuật sinh học.
Theo truyền thống, sự thụ phấn nhờ côn trùng được dựa vào để tạo ra năng suất táo. Tuy nhiên, bằng chứng cho thấy các dịch vụ thụ phấn, cả từ ong mật thuần hóa và ong thụ phấn hoang dã, đều không đáp ứng được nhu cầu ngày càng tăng, ông lưu ý. Bởi vì rối loạn sụp đổ thuộc địa, ong mật trên khắp thế giới đang chết dần ở mức đáng báo động. Kết quả là, các nhà sản xuất cần các phương pháp thụ phấn thay thế.
Nghiên cứu này là nghiên cứu mới nhất được thực hiện bởi nhóm nghiên cứu của He tại Trường Cao đẳng Khoa học Nông nghiệp, chuyên phát triển hệ thống robot để thực hiện các nhiệm vụ nông nghiệp sử dụng nhiều lao động như hái nấm, cắt tỉa cây táo và tỉa thưa trái cây xanh. He giải thích, mục tiêu chính của dự án này là phát triển một hệ thống thị giác dựa trên học tập sâu có thể xác định và định vị chính xác những bông hoa vua trong tán cây.
Ông cho biết: “Chúng tôi nghĩ rằng kết quả này sẽ cung cấp thông tin cơ bản cho hệ thống thụ phấn bằng robot, giúp thụ phấn táo hiệu quả và có thể lặp lại nhằm tối đa hóa năng suất trái cây chất lượng cao”. “Ở Pennsylvania, chúng ta vẫn có thể dựa vào ong để thụ phấn cho cây táo, nhưng ở những vùng khác nơi ong chết nghiêm trọng hơn, người trồng có thể cần công nghệ này sớm hơn.”
Xinyang Mu, nghiên cứu sinh tiến sĩ tại Khoa Kỹ thuật Sinh học Nông nghiệp, dẫn đầu nghiên cứu về hoa vua. Mu đã sử dụng Mask R-CNN—một chương trình máy tính học sâu phổ biến thực hiện phân đoạn cấp pixel để phát hiện các vật thể bị che khuất một phần bởi các vật thể khác—để xác định và định vị những bông hoa vua trong hệ thống thị giác máy.
Để xây dựng mô hình phát hiện dựa trên Mask R-CNN, anh đã chụp hàng trăm bức ảnh về cụm hoa táo. Sau đó, anh đã phát triển thuật toán phân đoạn hoa vua để xác định và định vị các bông hoa vua từ tập dữ liệu thô về hình ảnh hoa táo. Nghiên cứu được thực hiện tại Trung tâm Nghiên cứu và Khuyến nông Cây ăn quả của bang Pennsylvania, Biglerville.
Gala và Honeycrisp táo giống được chọn để khảo nghiệm. Các cây thử nghiệm được trồng vào năm 2014 với khoảng cách cây khoảng 5 feet (Gala) và 6 1/2 feet (Honeycrisp). Những cây này được đào tạo theo kiến trúc tán hình trục chính cao, có chiều cao trung bình khoảng 13 feet. Hệ thống thu nhận hình ảnh với một camera được gắn trên một phương tiện tiện ích di chuyển giữa các hàng cây.
Mu chỉ ra rằng, việc đào tạo hệ thống thị giác máy để xác định vị trí của hoa vua là một thách thức vì chúng có cùng kích thước, màu sắc và hình dạng như những bông hoa bên trong cụm và hoa vua thường bị che khuất bởi những bông hoa xung quanh do vị trí trung tâm của chúng.
Để đáp ứng các yêu cầu học chuyển giao cho đào tạo mô hình Mask R-CNN, hình ảnh thô được gắn nhãn thành hai lớp được xác định trước: hoa riêng lẻ và hoa bị che khuất. Mu giải thích: Để nâng cao độ chính xác, tập dữ liệu huấn luyện đã được mở rộng gấp bốn lần bằng cách sử dụng các phương pháp tăng cường dữ liệu.
Ông nói: “Để phân biệt hoa vua với hoa bên, bông hoa trung tâm nhất trong mỗi cụm hoa đã được nhắm mục tiêu hoặc định vị”. “Hệ thống thị giác tự động định vị các cụm hoa riêng biệt dựa trên phương pháp lập bản đồ mật độ hoa hai chiều. Trong mỗi cụm hoa được phát hiện, bông hoa—hoặc mặt nạ—ở vị trí chính giữa nhất được xác định là hoa vua mục tiêu.”
Trong những phát hiện được công bố gần đây trên Công nghệ nông nghiệp thông minh, các nhà nghiên cứu đã báo cáo mức độ chính xác cao trong việc phát hiện hoa vua nhờ thuật toán của Mu. So với các phép đo được thực hiện thủ công bởi các nhà nghiên cứu xác định hoa vua bằng mắt—được các nhà nghiên cứu gọi là phép đo sự thật trên mặt đất—độ chính xác khi phát hiện hoa vua bằng thị giác máy dao động từ 98.7% đến 65.6%.