DE102023122228A1 - METHOD, EVALUATION SYSTEM, EVALUATION DEVICE AND SYSTEM OR DEVICE FOR EVALUATING SPECTRAL DATA - Google Patents
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Abstract
Zur Durchführung einer Zustandsanalyse einer Pflanze oder eines anderen Eukaryoten weist eine Auswerteeinrichtung oder ein Auswertesystem (30) eine Auswerteschaltung (34) auf, die zur Durchführung einer Auswertung (36) von Spektraldaten eingerichtet ist. Die Auswertung weist wenigstens einen Attention-Mechanismus auf. To carry out a status analysis of a plant or another eukaryote, an evaluation device or an evaluation system (30) has an evaluation circuit (34) which is set up to carry out an evaluation (36) of spectral data. The evaluation has at least one attention mechanism.
Description
TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL FIELD
Die Erfindung betrifft Verfahren und Auswertesysteme, die im Zusammenhang mit einer spektralanalytischen Untersuchung einer Pflanze oder anderer Eukaryoten verwendbar sind. Die Erfindung betrifft insbesondere derartige Verfahren und Auswertesysteme, bei denen eine wellenlängenaufgelöst erfasste optische Größe ausgewertet wird. Die Erfindung betrifft insbesondere derartige Vorrichtungen, Systeme und Verfahren, die bei Nutz- oder Kulturpflanzen einsetzbar sind.The invention relates to methods and evaluation systems that can be used in connection with a spectral analysis of a plant or other eukaryotes. The invention particularly relates to such methods and evaluation systems in which an optical quantity recorded with wavelength resolution is evaluated. The invention particularly relates to such devices, systems and methods that can be used with useful or cultivated plants.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Die Analyse von Eukaryoten, wie Pflanzen oder Pflanzenteilen, sowie von Lebensmittelerzeugnissen, die aus pflanzlichen oder tierischen Stoffen gewonnen werden können, hat große Bedeutung. Sie kann beispielsweise zur Sicherstellung von ausreichender Nährstoffversorgung und/oder zur Erkennung möglicher Erkrankungen dienen.The analysis of eukaryotes, such as plants or parts of plants, as well as food products that can be obtained from plant or animal substances, is of great importance. It can be used, for example, to ensure adequate nutrient supply and/or to detect possible diseases.
Herkömmliche Verfahren zur Zustandsanalyse von Pflanzen haben sich traditionell auf die Beurteilung durch einen menschlichen Experten verlassen. Techniken gewinnen zunehmend an Bedeutung, bei denen unter Verwendung von Messgeräten Zustände von Pflanzen objektiv und quantitativ analysiert werden. Beispielsweise können derartige Techniken zur Erkennung einer Über- oder Unterversorgung mit bestimmten Nährstoffen eingesetzt werden.Conventional methods for analyzing the condition of plants have traditionally relied on the assessment of a human expert. Techniques that use measuring devices to objectively and quantitatively analyze plant conditions are becoming increasingly important. For example, such techniques can be used to detect an oversupply or undersupply of certain nutrients.
Die
Zum Verständnis der hier offenbarten Erfindung sind Merkmale spezifischer Modelle der künstlichen Intelligenz (Kl) hilfreich, nämlich des so genannten Attention-Mechanismus (oder Attention-Moduls) sowie des so genannten Transformer-Modells. Grundlagen sind beispielsweise in
Die am Prioritätstag der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlichte Anmeldung
Es besteht weiterhin Bedarf an Verfahren, Vorrichtungen und Systemen, die jedenfalls eine maschinelle Unterstützung, optional sogar eine weitergehende Automatisierung, bei der Auswertung zur Zustandsanalyse von Pflanzen, anderen Eukaryoten oder daraus gewonnenen Lebensmittelerzeugnisses bieten.There is still a need for methods, devices and systems that offer mechanical support, optionally even further automation, in the evaluation for the condition analysis of plants, other eukaryotes or food products derived from them.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, verbesserte Verfahren, Vorrichtungen und Systeme anzugeben, mit denen Informationen über einen Zustand von Pflanzen, anderen Eukaryoten oder daraus gewonnenen Lebensmittelerzeugnissen gewonnen werden können. Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, Verfahren, Vorrichtungen und Systeme anzugeben, die Verbesserungen im Hinblick auf die Zustandsanalyse basierend auf erfassten Spektren bereitstellen. Der Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, derartige Verfahren, Vorrichtungen und Systeme anzugeben, die für eine Auswertung von an Nutz- oder Kulturpflanzen gewonnenen Spektren einsetzbar sind.The invention is based on the object of specifying improved methods, devices and systems with which information about the condition of plants, other eukaryotes or food products obtained therefrom can be obtained. The invention is particularly based on the object of specifying methods, devices and systems that provide improvements with regard to condition analysis based on recorded spectra. The invention is also based on the object of specifying such methods, devices and systems that can be used for evaluating spectra obtained from crops or cultivated plants.
Erfindungsgemäß werden ein Verfahren, eine Auswerteeinrichtung oder ein Auswertesystem und ein System angegeben, wie sie in den unabhängigen Ansprüchen definiert sind. Die abhängigen Ansprüche definieren bevorzugte und vorteilhafte Ausführungsbeispiele.According to the invention, a method, an evaluation device or an evaluation system and a system are specified as defined in the independent claims. The dependent claims define preferred and advantageous embodiments.
Ein Verfahren zum Auswerten von Spektraldaten nach einem Aspekt der Erfindung weist Folgendes auf: Empfangen der Spektraldaten durch wenigstens eine Auswerteschaltung, wobei die Spektraldaten an einem Eukaryoten, einem Teil eines Eukaryoten oder einem Lebensmittelerzeugnis erfasste Spektraldaten aufweisen, und Analysieren der Spektraldaten durch die wenigstens eine Auswerteschaltung. Das Analysieren der Spektraldaten durch die wenigstens eine Auswerteschaltung weist auf: Aufteilen der Spektraldaten oder von daraus durch Vorverarbeitung erzeugten Daten in mehrere Teile, Analysieren der mehreren Teile unter Verwendung einer Analyselogik, wobei ein Eingang der Analyselogik die mehreren Teile empfängt, und wobei ein Ausgang der Analyselogik Kodierungen der mehreren Teile bereitstellt, wobei die Analyselogik wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, und Bestimmen wenigstens eines Auswertungsergebnisses basierend auf den Kodierungen.A method for evaluating spectral data according to one aspect of the invention comprises the following: receiving the spectral data by at least one evaluation circuit, wherein the spectral data comprises spectral data recorded on a eukaryote, a part of a eukaryote or a food product, and analyzing the spectral data by the at least one evaluation circuit. Analyzing the spectral data by the at least one evaluation circuit comprises: dividing the spectral data or data generated therefrom by preprocessing into several parts, analyzing the several parts using an analysis logic, wherein an input of the analysis logic receives the several parts, and wherein a Output of the analysis logic provides codings of the plurality of parts, wherein the analysis logic has at least one attention mechanism, and determining at least one evaluation result based on the codings.
Das Verfahren stellt verschiedene technische Wirkungen und Vorteile bereit. Spektraldaten können unter Verwendung wenigstens eines Attention-Mechanismus ausgewertet werden. Dies ermöglicht, eine Zustandsanalyse des Eukaryoten (beispielsweise einer Pflanze), eines Teils eines Eukaryoten (beispielsweise eines Blatts einer Pflanze) oder eines Lebensmittelerzeugnisses unter Verwendung des Attention-Mechanismus zu bestimmen. Die Auswertung kann somit unter Verwendung einer datengetrieben erzeugten Analyselogik erfolgen. Subjektive Beurteilungsmaßstäbe und dadurch potenziell verursachte Fehler bei der Auswertung können reduziert werden.The method provides various technical effects and advantages. Spectral data can be evaluated using at least one attention mechanism. This makes it possible to determine a status analysis of the eukaryote (for example a plant), a part of a eukaryote (for example a leaf of a plant) or a food product using the attention mechanism. The evaluation can thus be carried out using a data-driven analysis logic. Subjective assessment criteria and potentially caused errors in the evaluation can be reduced.
Das Verfahren kann ein Verfahren zum Ermitteln eines Zustands einer Pflanze oder eines Pflanzenteils durch Analysieren der Spektraldaten sein oder aufweisen, wobei das Auswertungsergebnis ein den Zustand repräsentierendes Auswertungsergebnis ist.The method may be or comprise a method for determining a state of a plant or a plant part by analyzing the spectral data, wherein the evaluation result is an evaluation result representing the state.
Dadurch kann eine Zustandsermittlung einer Pflanze oder eines Pflanzenteils unter Verwendung der Analyselogik erfolgen, die datengetrieben erzeugbar ist. Durch die Verwendung einer Analyselogik, die wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, können relative Verhältnisse unterschiedlicher Teile der Spektraldaten (beispielsweise charakteristische Abfolgen von lokalen Maxima und/oder Minima, die für einen Zustand charakteristisch sind) bei der Auswertung effizient erkannt und für die Zustandsanalyse verwendet werden.This allows the state of a plant or part of a plant to be determined using the analysis logic that can be generated in a data-driven manner. By using an analysis logic that has at least one attention mechanism, relative relationships of different parts of the spectral data (for example, characteristic sequences of local maxima and/or minima that are characteristic of a state) can be efficiently recognized during the evaluation and used for the state analysis.
Das wenigstens eine Auswertungsergebnis kann wenigstens ein quantitatives Analyseergebnis aufweisen.The at least one evaluation result may comprise at least one quantitative analysis result.
Dies ermöglicht, die Auswertungstechniken nicht nur zur Bestimmung qualitativer Ergebnisse (beispielsweise einer Identifizierung von anwesenden und abwesenden pathologischen Zuständen oder Situationen) zu bestimmen, sondern auch zur quantitativen Auswertung.This makes it possible to determine evaluation techniques not only for determining qualitative results (e.g., identification of present and absent pathological conditions or situations) but also for quantitative evaluation.
Das wenigstens eine quantitative Analyseergebnis kann einen kontinuierlich veränderlichen Wert aus einem Wertebereich aufweisen.The at least one quantitative analysis result may have a continuously variable value from a range of values.
Dadurch können kontinuierlich variable Charakteristika (beispielsweise Nährstoffkonzentrationen) in objektiver Weise aus den Spektraldaten ermittelt und ausgegeben werden.This allows continuously variable characteristics (e.g. nutrient concentrations) to be determined and output objectively from the spectral data.
Das wenigstens eine quantitative Analyseergebnis kann einen aus einer Ordinalskala ausgewählten Wert aufweisen.The at least one quantitative analysis result may have a value selected from an ordinal scale.
Dadurch kann beispielsweise eine Zugehörigkeit zu unterschiedlichen, durch die Ordinalskala repräsentierten Zuständen ausgedrückt werden. Die Ordinalskala kann beispielsweise unterschiedlichen Nährstoffkonzentrationsbereichen (beispielsweise Nährstoffmangel / akzeptable Konzentration / Überversorgung oder ein Wert einer anderen Skala, die die Nährstoffkonzentration auf Werte einer ordinalen Skala abbildet) ermittelt und ausgegeben werden.This can be used, for example, to express membership in different states represented by the ordinal scale. The ordinal scale can, for example, be determined and output for different nutrient concentration ranges (for example, nutrient deficiency / acceptable concentration / excess supply or a value from another scale that maps the nutrient concentration to values on an ordinal scale).
Das wenigstens eine quantitative Analyseergebnis kann eine Konzentration wenigstens eines chemischen Elements oder wenigstens einer chemischen Verbindung aufweisen.The at least one quantitative analysis result may comprise a concentration of at least one chemical element or at least one chemical compound.
Dadurch können die Auswertungstechniken zur Konzentrationsbestimmung auf Basis der Spektraldaten verwendet werden. Eine derartige Konzentrationsbestimmung hat wesentliche Bedeutung beispielsweise in der Agrartechnik.This means that the evaluation techniques can be used to determine concentration based on the spectral data. This type of concentration determination is of great importance in agricultural engineering, for example.
Das wenigstens eine Auswertungsergebnis kann wenigstens eine Nährstoffkonzentration aufweisen.The at least one evaluation result may comprise at least one nutrient concentration.
Dadurch können die Auswertungstechniken zur Konzentrationsbestimmung von Nährstoffen auf Basis der Spektraldaten verwendet werden. Eine derartige Konzentrationsbestimmung von Nährstoffen hat wesentliche Bedeutung beispielsweise in der Agrartechnik.This means that the evaluation techniques can be used to determine the concentration of nutrients based on the spectral data. This type of determination of the concentration of nutrients is of great importance in agricultural engineering, for example.
Das wenigstens eine Auswertungsergebnis kann einen Wert einer Nominalskala aufweisen. Die Nominalskala kann beispielsweise Anwesenheit oder Abwesenheit unterschiedlicher Arten von biotischem und/oder abiotischem Stress repräsentieren.The at least one evaluation result may have a value of a nominal scale. The nominal scale may, for example, represent the presence or absence of different types of biotic and/or abiotic stress.
Dadurch kann die Analyselogik beispielsweise für eine qualitative Analyse eingesetzt werden.This means that the analysis logic can be used, for example, for a qualitative analysis.
Die Analyselogik kann einen Encoder aufweisen. Der Encoder kann einen Stapel von mehreren Attention-Blöcken aufweisen, wobei die mehreren Attention-Blöcke jeweils wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweisen.The analysis logic may include an encoder. The encoder may include a stack of multiple attention blocks, wherein the multiple attention blocks each include at least one attention mechanism.
Dadurch können Modelle der künstlichen Intelligenz (KI) zur Auswertung der Spektraldaten eingesetzt werden, um die Kodierungen zu ermitteln, die beispielsweise aus der Textanalyse oder der Analyse von Bilddaten bekannt sind. Der Encoder stellt die Kodierungen bereit.This allows artificial intelligence (AI) models to be used to evaluate the spectral data in order to determine the codings that are known, for example, from text analysis or the analysis of image data. The encoder provides the codings.
Der wenigstens eine Attention-Mechanismus kann wenigstens einen Self-Attention-Mechanismus aufweisen.The at least one attention mechanism may comprise at least one self-attention mechanism.
Dadurch können KI-Modelle zur Auswertung der Spektraldaten eingesetzt werden, um die Kodierungen zu ermitteln, die beispielsweise aus der Textanalyse oder der Analyse von Bilddaten bekannt sind.This allows AI models to be used to evaluate the spectral data in order to determine the codings known, for example, from text analysis or the analysis of image data.
Der wenigstens eine Attention-Mechanismus kann wenigstens einen Multi-Head Attention-Mechanismus aufweisen.The at least one attention mechanism may comprise at least one multi-head attention mechanism.
Dadurch können KI-Modelle zur Auswertung der Spektraldaten eingesetzt werden, um die Kodierungen zu ermitteln, die beispielsweise aus der Textanalyse oder der Analyse von Bilddaten bekannt sind. Die Verwendung eines Multi-Head Attention-Mechanismus kann besonders zuverlässige Ergebnisse bereitstellen.This allows AI models to be used to evaluate the spectral data to determine the codings known from text analysis or image data analysis, for example. The use of a multi-head attention mechanism can provide particularly reliable results.
Das Verfahren kann eine wellenlängenabhängige Positionskodierung aufweisen. Durch die wellenlängenabhängige Positionskodierung bleibt eine relative Lageinformation verschiedener Merkmale der Spektraldaten für die Auswertung erhalten, beispielsweise Information darüber, in welcher wellenlängenabhängigen Abfolge Datenpunkte einer optische Kenngröße der Spektraldaten jeweils erfasst wurde.The method can have a wavelength-dependent position coding. Due to the wavelength-dependent position coding, relative position information of various features of the spectral data is retained for the evaluation, for example information about the wavelength-dependent sequence in which data points of an optical characteristic of the spectral data were recorded.
Dadurch kann eine Auswertung der Spektraldaten unter Berücksichtigung der relativen Lage der verschiedenen Merkmale (wie lokaler Maxima und/oder lokaler Minima) der Spektraldaten erfolgen.This allows an evaluation of the spectral data taking into account the relative position of the various features (such as local maxima and/or local minima) of the spectral data.
Das Verfahren kann eine der Analyselogik vorgeschaltete Vorverarbeitung der Spektraldaten aufweisen. Bei der Vorverarbeitung können zusätzlich zu den Spektraldaten verschiedene Daten verwendet werden, beispielsweise Spektren von Standards und/oder Kalibrierungsmessungen.The method may include preprocessing of the spectral data prior to the analysis logic. During preprocessing, various data may be used in addition to the spectral data, for example spectra of standards and/or calibration measurements.
Durch die Vorverarbeitung können aus den Spektraldaten bereits „Features“ (also Merkmale) ermittelt werden. Diese Features können anschließend unter Verwendung eines Encoders, der wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, weiterverarbeitet werden.Preprocessing allows “features” to be determined from the spectral data. These features can then be further processed using an encoder that has at least one attention mechanism.
Die Vorverarbeitung kann eine Filterung der Spektraldaten aufweisen.Preprocessing may include filtering of the spectral data.
Dadurch können die Spektraldaten so aufbereitet werden, dass sie besonders effizient durch die Analyselogik mit dem wenigstens einen Attention-Mechanismus weiterverarbeitet werden können.This allows the spectral data to be prepared in such a way that they can be further processed particularly efficiently by the analysis logic with at least one attention mechanism.
Parameter der Filterung können datengetrieben ermittelt werden.Filtering parameters can be determined data-driven.
Dadurch wird es möglich, die Vorverarbeitung in datengetriebener und somit objektiver Weise vorzunehmen.This makes it possible to carry out preprocessing in a data-driven and therefore objective manner.
Die Vorverarbeitung kann unter Verwendung eines weiteren Kl-Modells erfolgen.Preprocessing can be done using another Kl model.
Dadurch wird es möglich, die Vorverarbeitung in datengetriebener und somit objektiver Weise vorzunehmen.This makes it possible to carry out preprocessing in a data-driven and therefore objective manner.
Das Verfahren kann ein Trainieren der Analyselogik oder wenigstens eines Teils der Analyselogik unter Verwendung von Trainingsdaten aufweisen.The method may comprise training the analysis logic or at least a portion of the analysis logic using training data.
Dadurch wird es möglich, die Auswertung in datengetriebener und somit objektiver Weise vorzunehmen.This makes it possible to carry out the evaluation in a data-driven and therefore objective manner.
Das Trainieren kann ein Trainieren eines Transformer-Encoders, der wenigstens einen Self-Attention-Mechanismus aufweist, aufweisen.The training may comprise training a transformer encoder having at least one self-attention mechanism.
Dadurch wird es möglich, die Auswertung in datengetriebener und somit objektiver Weise vorzunehmen.This makes it possible to carry out the evaluation in a data-driven and therefore objective manner.
Das Trainieren kann ein gemeinsames Trainieren des Transformer-Encoders und einer dem Transformer-Encoder vorgeschalteten Vorverarbeitung aufweisen.The training may involve joint training of the transformer encoder and preprocessing prior to the transformer encoder.
Dadurch wird es möglich, die Auswertung in datengetriebener und somit objektiver Weise vorzunehmen, wobei die Funktionsweise des Transformer-Encoders und der Vorverarbeitung inhärent durch das Training aufeinander abgestimmt sind.This makes it possible to carry out the evaluation in a data-driven and therefore objective manner, whereby the functionality of the transformer encoder and the preprocessing are inherently coordinated through training.
Die Trainingsdaten können mehrere Spektren und diesen zugeordnete Annotationen aufweisen. Dadurch kann eine Analyselogik trainiert werden, deren Eingang die Spektraldaten empfängt.The training data can contain multiple spectra and associated annotations. This allows an analysis logic to be trained whose input receives the spectral data.
Die Trainingsdaten können mehrere aus Spektren abgeleitete Daten und diesen zugeordnete Annotationen aufweisen.The training data can contain multiple spectrally derived data and associated annotations.
Dadurch kann eine Analyselogik trainiert werden, deren Eingang aus den Spektraldaten abgeleitete Daten empfängt.This allows an analysis logic to be trained whose input receives data derived from the spectral data.
Die Trainingsdaten können aus den Spektren durch Augmentierung abgeleitete Trainingsdaten aufweisen.The training data may include training data derived from the spectra by augmentation.
Dadurch kann ein Trainingsdatensatz erzeugt werden, der bestimmten Anforderungen genügt. Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn die Analyselogik beispielsweise Ergebnisse in Form von Stufen einer Ordinalskala bereitstellt und durch die Augmentierung sichergestellt wird, dass in den Trainingsdaten die unterschiedlichen Stufen der Ordinalskala ausreichend vertreten sind. Ähnlich kann die Augmentierung vorteilhaft verwendet werden, wenn die Analyselogik beispielsweise Werte aus wenigstens einem kontinuierlichen Wertebereich bereitstellt, um sicherzustellen, dass in den Trainingsdaten der wenigstens eine kontinuierliche Wertebereich ausreichend (beispielsweise mit einer ausreichenden Dichte pro Werteintervall) repräsentiert ist.This allows a training data set to be generated that meets specific requirements is sufficient. This is particularly desirable if the analysis logic, for example, provides results in the form of levels of an ordinal scale and the augmentation ensures that the different levels of the ordinal scale are sufficiently represented in the training data. Similarly, the augmentation can be used advantageously if the analysis logic, for example, provides values from at least one continuous value range in order to ensure that the at least one continuous value range is sufficiently represented in the training data (for example with a sufficient density per value interval).
Die Spektraldaten können an einer Pflanze, einem Pflanzenteil, einem pflanzenartigen Eukaryoten oder einem pflanzlichen oder tierischen Lebensmittel erfasste Spektraldaten aufweisen.The spectral data may comprise spectral data collected on a plant, a part of a plant, a plant-like eukaryote, or a plant or animal food.
Dadurch wird eine Spektrum-basierte Zustandsbestimmung von Pflanzen, Pflanzenteilen, pflanzenartigen Eukaryoten (wie Algen) oder einem Lebensmittel ermöglicht, wobei die Auswertung unter Verwendung einer datengetrieben erzeugten Analyselogik ermöglicht wird.This enables a spectrum-based determination of the condition of plants, plant parts, plant-like eukaryotes (such as algae) or a food, whereby the evaluation is made possible using a data-driven analysis logic.
Das Verfahren kann ein Ausgeben des Auswertungsergebnisses über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweisen.The method may comprise outputting the evaluation result via a human-machine interface.
Dadurch kann ein Ergebnis der Auswertung, beispielsweise eine Zustandsinformation, die eine Pflanze betrifft, bereitgestellt werden.This makes it possible to provide a result of the evaluation, for example status information concerning a plant.
Das Verfahren kann ein Ausgeben des Auswertungsergebnisses oder daraus abgeleiteter Daten über eine Datenschnittstelle aufweisen.The method may comprise outputting the evaluation result or data derived therefrom via a data interface.
Dadurch kann ein Ergebnis der Auswertung, beispielsweise eine Zustandsinformation, die eine Pflanze betrifft, in einer Form bereitgestellt werden, die für eine Speicherung oder weitergehende automatische Verwendung besonders geeignet ist.This allows a result of the evaluation, for example status information concerning a plant, to be provided in a form that is particularly suitable for storage or further automatic use.
Das Verfahren kann ein Ausführen einer Steuerfunktion basierend auf dem Auswertungsergebnis aufweisen.The method may include executing a control function based on the evaluation result.
Dadurch kann ein Ergebnis der Auswertung, beispielsweise eine Zustandsinformation, die eine Pflanze betrifft, für automatische Steuerfunktionen verwendet werden. Dies kann insbesondere in der Agrartechnik von Interesse sein.This means that the result of the evaluation, for example status information concerning a plant, can be used for automatic control functions. This can be of particular interest in agricultural engineering.
Die Steuerfunktion kann automatisch ausgeführt werden.The control function can be executed automatically.
Dadurch kann ein Ergebnis der Auswertung, beispielsweise eine Zustandsinformation, die eine Pflanze betrifft, für automatische Steuerfunktionen verwendet werden.This means that a result of the evaluation, for example status information concerning a plant, can be used for automatic control functions.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Erzeugen einer Analyselogik eines Auswertesystems oder einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten von Spektraldaten bereitgestellt. Die Analyselogik weist wenigstens ein KI-Modell auf, das wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist. Das Verfahren weist ein Trainieren des KI-Modells unter Verwendung von Trainingsdaten durch eine Recheneinrichtung oder ein Rechensystem und ein Bereitstellen von Parametern des trainierten Kl-Modells durch die Recheneinrichtung oder das Rechensystem an das Auswertesystem oder die Auswerteeinrichtung zur Anwendung auf die Spektraldaten auf, wobei die Spektraldaten an einem Eukaryoten (beispielsweise einer Pflanze oder einem Pflanzenteil) oder einem Lebensmittelerzeugnis (beispielsweise einem pflanzlichen oder tierischen Lebensmittelerzeugnis) erfasst werden.According to a further aspect of the invention, a method is provided for generating an analysis logic of an evaluation system or an evaluation device for evaluating spectral data. The analysis logic has at least one AI model that has at least one attention mechanism. The method comprises training the AI model using training data by a computing device or a computing system and providing parameters of the trained AI model by the computing device or the computing system to the evaluation system or the evaluation device for application to the spectral data, wherein the spectral data is recorded on a eukaryote (for example a plant or a plant part) or a food product (for example a plant or animal food product).
Dadurch kann die Analyselogik datengetrieben erzeugt werden. Die Objektivität von Analyseergebnissen wird verbessert.This allows the analysis logic to be generated in a data-driven manner. The objectivity of analysis results is improved.
Das Trainieren kann ein Trainieren eines Transformer-Encoders, der wenigstens einen Self-Attention-Mechanismus aufweist, aufweisen.The training may comprise training a transformer encoder having at least one self-attention mechanism.
Dadurch wird es möglich, die Analyselogik zur Auswertung in datengetriebener und somit objektiver Weise bereitzustellen.This makes it possible to provide the analysis logic for evaluation in a data-driven and therefore objective manner.
Das Trainieren kann ein gemeinsames Trainieren des Transformer-Encoders und einer dem Transformer-Encoder vorgeschalteten Vorverarbeitung aufweisen.The training may involve joint training of the transformer encoder and preprocessing prior to the transformer encoder.
Dadurch wird es möglich, die Analyselogik zur Auswertung in datengetriebener und somit objektiver Weise bereitzustellen, wobei die Funktionsweise des Transformer-Encoders und der Vorverarbeitung inhärent durch das Training aufeinander abgestimmt sind.This makes it possible to provide the analysis logic for evaluation in a data-driven and thus objective manner, whereby the functionality of the transformer encoder and the preprocessing are inherently coordinated through training.
Die Trainingsdaten können mehrere Spektren und diesen zugeordnete Annotationen aufweisen. Dadurch kann eine Analyselogik trainiert werden, deren Eingang die Spektraldaten empfängt.The training data can contain multiple spectra and associated annotations. This allows an analysis logic to be trained whose input receives the spectral data.
Die Trainingsdaten können mehrere aus Spektren abgeleitete Daten und diesen zugeordnete Annotationen aufweisen.The training data can contain multiple spectrally derived data and associated annotations.
Dadurch kann eine Analyselogik trainiert werden, deren Eingang aus den Spektraldaten abgeleitete Daten empfängt.This allows an analysis logic to be trained whose input receives data derived from the spectral data.
Die Trainingsdaten können von aus den Spektren durch Augmentierung abgeleitete Trainingsdaten aufweisen.The training data may include training data derived from the spectra by augmentation.
Dadurch kann ein Trainingsdatensatz erzeugt werden, der bestimmten Anforderungen genügt. Dies ist insbesondere dann wünschenswert, wenn die Analyselogik beispielsweise Klassifikationsergebnisse bereitstellt und durch die Augmentierung sichergestellt wird, dass in den Trainingsdaten die unterschiedlichen Klassen ausreichend vertreten sind.This makes it possible to generate a training data set that meets certain requirements. This is particularly desirable if the analysis logic provides classification results, for example, and the augmentation ensures that the different classes are sufficiently represented in the training data.
Die Spektraldaten können an einer Pflanze, einem Pflanzenteil, einem pflanzenartigen Eukaryoten oder einem pflanzlichen oder tierischen Lebensmittel erfasste Spektraldaten aufweisen.The spectral data may comprise spectral data collected on a plant, a part of a plant, a plant-like eukaryote, or a plant or animal food.
Dadurch wird eine Spektrum-basierte Zustandsbestimmung von Pflanzen, Pflanzenteilen, pflanzenartigen Eukaryoten (wie Algen) oder einem Lebensmittel ermöglicht, wobei die Auswertung unter Verwendung einer datengetrieben erzeugten Analyselogik ermöglicht wird.This enables a spectrum-based determination of the condition of plants, plant parts, plant-like eukaryotes (such as algae) or a food, whereby the evaluation is made possible using a data-driven analysis logic.
Das Bereitstellen von Parametern des trainierten Kl-Modells zur Verwendung durch das Auswertesystem oder die Auswerteeinrichtung kann eine Ausgabe über eine Datenschnittstelle und/oder über ein Datennetz aufweisen.The provision of parameters of the trained AI model for use by the evaluation system or the evaluation device may comprise an output via a data interface and/or via a data network.
Dadurch können die Parameter, die die Anwendung der Analyselogik durch die Auswerteeinrichtung oder das Auswertesystem ermöglichen, bereitgestellt werden, selbst wenn die Auswerteeinrichtung oder das Auswertesystem fern von der das Training ausführenden Recheneinrichtung angeordnet ist.This makes it possible to provide the parameters that enable the analysis logic to be applied by the evaluation device or the evaluation system, even if the evaluation device or the evaluation system is located remotely from the computing device carrying out the training.
Das Verfahren kann die Verwendung der Parameter des trainierten Kl-Modells durch die Auswerteeinrichtung aufweisen.The method may comprise the use of the parameters of the trained Kl model by the evaluation device.
Dadurch kann die datenbasiert trainierte Analyselogik auf Spektraldaten angewandt werden, beispielsweise um eine Zustandsanalyse von Pflanzen oder pflanzenartigen Lebewesen (beispielsweise Algen) auszuführen.This allows the data-based trained analysis logic to be applied to spectral data, for example to perform a condition analysis of plants or plant-like organisms (e.g. algae).
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung werden maschinenlesbare Daten bereitgestellt, die mit dem Verfahren zum Trainieren der Analyselogik bestimmt und von der Auswerteeinrichtung oder dem Auswertesystem verwendbar sind, um die Analyselogik zum Auswerten von Spektraldaten zu verwenden, die an einem Eukaryoten, einem Teil eines Eukaryoten oder einem Lebensmittelerzeugnis erfasst wurden.According to a further aspect of the invention, machine-readable data are provided which are determined using the method for training the analysis logic and can be used by the evaluation device or the evaluation system in order to use the analysis logic to evaluate spectral data which have been acquired on a eukaryote, a part of a eukaryote or a food product.
Dadurch können die unter Bezugnahme auf die Verfahren beschriebenen Wirkungen erzielt werden.This makes it possible to achieve the effects described with reference to the methods.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Auswertesystem oder eine Auswerteeinrichtung zum Auswerten von Spektraldaten bereitgestellt, das oder die aufweist: eine Schnittstelle zum Empfangen der Spektraldaten, wobei die Spektraldaten an einem Eukaryoten, einem Teil eines Eukaryoten oder einem Lebensmittelerzeugnis erfasste Spektraldaten aufweisen; und wenigstens eine Auswerteschaltung, die eingerichtet ist, um zum Analysieren der Spektraldaten wenigstens folgende Verarbeitungsschritte auszuführen: Aufteilen der Spektraldaten oder von daraus durch Vorverarbeitung erzeugten Daten in mehrere Teile, Analysieren der mehreren Teile unter Verwendung einer Analyselogik, wobei ein Eingang der Analyselogik die mehreren Teile empfängt, und wobei ein Ausgang der Analyselogik Kodierungen der mehreren Teile bereitstellt, wobei die Analyselogik wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, und Bestimmen wenigstens eines Auswertungsergebnisses basierend auf den Kodierungen.According to a further aspect of the invention, an evaluation system or an evaluation device for evaluating spectral data is provided, which comprises: an interface for receiving the spectral data, wherein the spectral data comprises spectral data recorded on a eukaryote, a part of a eukaryote or a food product; and at least one evaluation circuit which is configured to carry out at least the following processing steps for analyzing the spectral data: dividing the spectral data or data generated therefrom by preprocessing into several parts, analyzing the several parts using an analysis logic, wherein an input of the analysis logic receives the several parts, and wherein an output of the analysis logic provides codings of the several parts, wherein the analysis logic has at least one attention mechanism, and determining at least one evaluation result based on the codings.
Mit dem Auswertesystem oder der Auswerteeinrichtung werden verschiedene technische Wirkungen erzielt. Spektraldaten können unter Verwendung wenigstens eines Attention-Mechanismus ausgewertet werden. Dies ermöglicht, eine Zustandsanalyse des Eukaryoten (beispielsweise einer Pflanze), Teils eines Eukaryoten (beispielsweise eines Blatts einer Pflanze) oder eines Lebensmittelerzeugnisses unter Verwendung des Attention-Mechanismus zu bestimmen. Die Auswertung kann somit unter Verwendung einer datengetrieben erzeugten Analyselogik erfolgen. Subjektive Beurteilungsmaßstäbe und dadurch potenziell verursachte Fehler bei der Auswertung können reduziert werden.Various technical effects are achieved with the evaluation system or the evaluation device. Spectral data can be evaluated using at least one attention mechanism. This makes it possible to determine a status analysis of the eukaryote (for example a plant), part of a eukaryote (for example a leaf of a plant) or a food product using the attention mechanism. The evaluation can thus be carried out using a data-driven analysis logic. Subjective assessment criteria and potentially resulting errors in the evaluation can be reduced.
Die wenigstens eine Auswerteschaltung, das Auswertesystem oder die Auswerteeinrichtung kann eingerichtet sein, das Verfahren nach einem der Ausführungsbeispiele auszuführen. Die dabei jeweils erzielten Wirkungen entsprechen den unter Bezugnahme auf optionale Verfahrensmerkmale erläuterten Wirkungen.The at least one evaluation circuit, the evaluation system or the evaluation device can be set up to carry out the method according to one of the embodiments. The effects achieved in each case correspond to the effects explained with reference to optional method features.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System oder eine Vorrichtung angegeben, die das Auswertesystem oder die Auswerteeinrichtung gemäß der Erfindung und eine spektralanalytische Erfassungseinrichtung zum Erfassen der Spektraldaten aufweist.According to a further aspect of the invention, a system or a device is provided which has the evaluation system or the evaluation device according to the invention and a spectral analytical detection device for detecting the spectral data.
Die spektralanalytische Erfassungseinrichtung kann eine oder mehrere der folgenden Ausgestaltungen aufweisen: ein Spektrometer, eine Hyperspektralkamera, eine ansteuerbare multispektrale Beleuchtungsquelle in Kombination mit einem optoelektrischen Wandler (beispielsweise einem Kamerachip), eine multispektrale Kamera. Die spektralanalytische Erfassungseinrichtung kann ein Messsystem aufweisen, das die Aufnahme mehrerer Wellenlängen ermöglicht. Dazu kann die spektralanalytische Erfassungseinrichtung beispielsweise ein Spektrometer (bei dem Licht wellenlängenabhängig aufgespaltet wird), filterbasierte Systeme (durch Blockieren von Lichtanteilen), Einzelwellenlängen-Dioden oder anderen Ausgestaltungen aufweisen. Beispielsweise kann ein Detektor mit Multisensorkanälen eingesetzt werden, die für verschiedene Spektralbereiche empfindlich sind.The spectral analytical detection device can have one or more of the following configurations: a spectrometer, a hyperspectral camera, a controllable multispectral Illumination source in combination with an optoelectrical converter (for example a camera chip), a multispectral camera. The spectral analytical detection device can have a measuring system that enables the recording of several wavelengths. For this purpose, the spectral analytical detection device can have, for example, a spectrometer (in which light is split depending on the wavelength), filter-based systems (by blocking light components), single-wavelength diodes or other designs. For example, a detector with multi-sensor channels that are sensitive to different spectral ranges can be used.
Dies ermöglicht die Anwendung der Analyselogik, die wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, auf Spektraldaten, die mit derartigen Modalitäten erfasst werden.This enables the application of analysis logic, which includes at least one attention mechanism, to spectral data acquired with such modalities.
Die spektralanalytische Erfassungseinrichtung kann eingerichtet sein, die Spektraldaten in einer Reflexionsanordnung (bei der Beleuchtung und wellenlängenaufgelöste Erfassungseinrichtung auf einer selben Seite relativ zum Objekt angeordnet sind) oder einer Transmissionsanordnung (bei der Beleuchtung und wellenlängenaufgelöste Erfassungseinrichtung auf unterschiedlichen Seiten relativ zum Objekt angeordnet sind) oder einer Transflexionsmessungen (bei der Strahlung der Beleuchtung die untersuchte Probe durchdring, an der Rückseite reflektiert wird, die Probe ein zweites Mal durchdringt und auf derselben Seite wie die Beleuchtung von einer wellenlängenaufgelösten Erfassungseinrichtung erfasst wird) zu erfassen.The spectral analytical detection device can be configured to collect the spectral data in a reflection arrangement (in which the illumination and wavelength-resolved detection device are arranged on the same side relative to the object) or a transmission arrangement (in which the illumination and wavelength-resolved detection device are arranged on different sides relative to the object) or a transflectance measurement (in which radiation from the illumination penetrates the sample under investigation, is reflected at the back, penetrates the sample a second time and is detected by a wavelength-resolved detection device on the same side as the illumination).
Dies ermöglicht die Anwendung der Analyselogik, die wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, auf Spektraldaten, die in einer Reflexions- oder Transflexions- oder Transmissionsgeometrie erfasst werden.This enables the application of the analysis logic, which has at least one attention mechanism, to spectral data acquired in a reflection or transflection or transmission geometry.
Die spektralanalytische Erfassungseinrichtung kann ein Positionierungssystem aufweisen und kann eingerichtet sein, Positionsdaten betreffend eine Lage und optional eine Orientierung der spektralanalytischen Erfassungseinrichtung in Zuordnung zu den erfassten Spektraldaten zu ermitteln und zu sprechen. Das Positionierungssystem kann beispielsweise ein Navigationssatellitensystem (GNSS) und/oder Beschleunigungssensoren aufweisen.The spectral analytical detection device can have a positioning system and can be set up to determine and speak position data relating to a position and optionally an orientation of the spectral analytical detection device in association with the detected spectral data. The positioning system can, for example, have a navigation satellite system (GNSS) and/or acceleration sensors.
Dadurch wird eine Zuordnung von Auswertungsergebnissen, die unter Verwendung der Analyselogik erhalten werden, zu unterschiedlichen Positionen eines Kultivierungsareals (beispielsweise eines Felds) ermöglicht.This makes it possible to assign evaluation results obtained using the analysis logic to different positions in a cultivation area (e.g. a field).
Bei dem Verfahren und System kann die spektralanalytische Erfassungseinrichtung an einem Fahrzeug oder einem Fluggerät oder einem Roboter montiert sein. Das Verfahren kann ein Ansteuern wenigstens eines Aktuators zum Positionieren der spektralanalytischen Erfassungseinrichtung aufweisen.In the method and system, the spectral analytical detection device can be mounted on a vehicle or an aircraft or a robot. The method can comprise controlling at least one actuator for positioning the spectral analytical detection device.
Dadurch können Spektraldaten effizient und teilweise oder vollständig automatisiert erfasst und eine der jeweiligen Erfassungsposition zugeordnete Zustandsanalyse ausgeführt werden.This allows spectral data to be collected efficiently and partially or fully automatically and a condition analysis to be carried out associated with the respective collection position.
Bei dem Verfahren und System kann die spektralanalytische Erfassungseinrichtung an einem Probenfördersystem, beispielsweise einem Förderband, montiert sein. Das Verfahren kann ein Ansteuern wenigstens eines Aktuators zum Positionieren des Probenbeförderungssystems und/oder der Probe auf dem Probenbeförderungssystem aufweisen.In the method and system, the spectral analytical detection device can be mounted on a sample conveying system, for example a conveyor belt. The method can comprise controlling at least one actuator for positioning the sample conveying system and/or the sample on the sample conveying system.
Dadurch können Spektraldaten effizient und teilweise oder vollständig automatisiert erfasst und eine der jeweiligen Erfassungsposition zugeordnete Zustandsanalyse ausgeführt werden.This allows spectral data to be collected efficiently and partially or fully automatically and a condition analysis to be carried out associated with the respective collection position.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird eine Verwendung der Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme oder Systeme nach Ausführungsbeispielen zum Ermitteln von Kultivierungsmaßnahmen bereitgestellt. Dabei kann unter Verwendung eines Verfahrens, einer Auswerteeinrichtung, eines Auswertesystems oder eines Systems nach einem Ausführungsbeispiel eine Zustandsanalyse für Pflanzen oder pflanzenartigen Organismen (beispielsweise Algen) ausgeführt werden, wobei abhängig von der Zustandsanalyse ermittelt wird, welche Maßnahmen zur Verbesserung der Pflanzengesundheit zu treffen sind.According to a further aspect of the invention, a use of the methods, evaluation devices, evaluation systems or systems according to embodiments is provided for determining cultivation measures. Using a method, an evaluation device, an evaluation system or a system according to an embodiment, a condition analysis for plants or plant-like organisms (for example algae) can be carried out, wherein, depending on the condition analysis, it is determined which measures are to be taken to improve plant health.
Dadurch können die hier offenbarten Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme oder Systeme zur Verbesserung von Kultivierungsmaßnahmen eingesetzt werden.As a result, the methods, evaluation devices, evaluation systems or systems disclosed here can be used to improve cultivation measures.
Die Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme, Systeme und Systemkomponenten nach Ausführungsbeispielen der Erfindung erzielen verschiedene Wirkungen. Insbesondere kann die Erfassung und/oder Auswertung spektralanalytischer Information unter Verwendung eines Bildes oder mehrerer Bilder unterstützt werden, das oder die mit einer Nahfeldkamera erfasst wird oder werden.The methods, evaluation devices, evaluation systems, systems and system components according to embodiments of the invention achieve various effects. In particular, the acquisition and/or evaluation of spectral analytical information can be supported using one or more images that are acquired with a near-field camera.
Die Vorrichtungen, Verfahren, Systeme und Systemkomponenten sind in verschiedenen Bereichen einsetzbar. Hierzu gehören die Zustandsanalyse von Nutz- oder Kulturpflanzen in der Agrartechnik, ohne hierauf beschränkt zu sein.The devices, processes, systems and system components can be used in various areas. These include state analysis lysis of crops or cultivated plants in agricultural technology, but is not limited to this.
KURZBESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE CHARACTERS
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In den Figuren bezeichnen ähnliche oder identische Bezugszeichen Elemente mit ähnlicher oder identischer Ausgestaltung und/oder Funktion.
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1 ist eine schematische Darstellung eines Systems, das eine Auswerteeinrichtung nach einem Ausführungsbeispiel aufweist. -
2 zeigt eine schematische Darstellung einer Analyselogik der Auswerteeinrichtung. -
3 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Analyselogik der Auswerteeinrichtung. -
4 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Analyselogik der Auswerteeinrichtung. -
5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Analyselogik der Auswerteeinrichtung. -
6 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Analyselogik der Auswerteeinrichtung. -
7 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens. -
8 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens. -
9 zeigt Ergebnisse einer quantitativen Nährstoffkonzentrationsbestimmung, wobei sowohl ein erfindungsgemäß bestimmtes Ergebnis als auch ein mit einer herkömmlichen Technik bestimmtes Ergebnis dargestellt sind. -
10 zeigt Ergebnisse einer quantitativen Nährstoffkonzentrationsbestimmung, wobei sowohl ein erfindungsgemäß bestimmtes Ergebnis als auch ein mit einer herkömmlichen Technik bestimmtes Ergebnis dargestellt sind. -
11 zeigt Ergebnisse einer quantitativen Nährstoffkonzentrationsbestimmung, wobei sowohl ein erfindungsgemäß bestimmtes Ergebnis als auch ein mit einer herkömmlichen Technik bestimmtes Ergebnis dargestellt sind. -
12 ist eine schematische Darstellung eines Systems nach einem Ausführungsbeispiel. -
13 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens. -
14 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens. -
15 ist ein Blockdarstellung einer Vorrichtung mit einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung. -
16 ist ein Blockdarstellung einer Vorrichtung mit einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung. -
17 ist ein Blockdarstellung einer Vorrichtung mit einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung. -
18 ist ein Blockdarstellung einer Vorrichtung mit einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung. -
19 ist ein Blockdarstellung einer Vorrichtung mit einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung. -
20 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens. -
21 zeigt schematisch ein Zwischenergebnisdes Verfahrens von 20 . -
22 illustriert weitere Aspekte desVerfahrens von 20 . -
23 zeigt eine schematische Darstellung eines Systems. -
24 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens. -
25 zeigt eine Ausgestaltung einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung bei Systemen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen. -
26 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung bei Systemen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen. -
27 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung bei Systemen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen. -
28 zeigt eine weitere Ausgestaltung einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung bei Systemen und Verfahren nach Ausführungsbeispielen. -
29 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens nach einem Ausführungsbeispiel.
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1 is a schematic representation of a system having an evaluation device according to an embodiment. -
2 shows a schematic representation of an analysis logic of the evaluation device. -
3 shows a schematic representation of a further analysis logic of the evaluation device. -
4 shows a schematic representation of a further analysis logic of the evaluation device. -
5 shows a schematic representation of a further analysis logic of the evaluation device. -
6 shows a schematic representation of a further analysis logic of the evaluation device. -
7 is a flow chart of a process. -
8 is a flow chart of a process. -
9 shows results of a quantitative nutrient concentration determination, showing both a result determined according to the invention and a result determined using a conventional technique. -
10 shows results of a quantitative nutrient concentration determination, showing both a result determined according to the invention and a result determined using a conventional technique. -
11 shows results of a quantitative nutrient concentration determination, showing both a result determined according to the invention and a result determined using a conventional technique. -
12 is a schematic representation of a system according to an embodiment. -
13 is a flow chart of a process. -
14 is a flow chart of a process. -
15 is a block diagram of a device with a spectral analytical detection device. -
16 is a block diagram of a device with a spectral analytical detection device. -
17 is a block diagram of a device with a spectral analytical detection device. -
18 is a block diagram of a device with a spectral analytical detection device. -
19 is a block diagram of a device with a spectral analytical detection device. -
20 is a flow chart of a process. -
21 shows schematically an intermediate result of the procedure of20 . -
22 illustrates further aspects of the procedure of20 . -
23 shows a schematic representation of a system. -
24 is a flow chart of a process. -
25 shows an embodiment of a spectral analytical detection device in systems and methods according to embodiments. -
26 shows a further embodiment of a spectral analytical detection device in systems and methods according to embodiments. -
27 shows a further embodiment of a spectral analytical detection device in systems and methods according to embodiments. -
28 shows a further embodiment of a spectral analytical detection device in systems and methods according to embodiments. -
29 is a flowchart of a method according to an embodiment.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSBEISPIELENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben. In den Figuren bezeichnen ähnliche oder identische Bezugszeichen Elemente mit ähnlicher oder identischer Ausgestaltung und/oder Funktion.Embodiments of the invention are described with reference to the figures. In the figures, similar or identical reference symbols designate elements with similar or identical design and/or function.
Während Ausführungsbeispiele im Zusammenhang mit einer Nährstoffanalyse oder einer anderweitigen Zustandsanalyse einer Nutz- oder Kulturpflanze beschrieben werden, sind die Ausführungsbeispiele nicht hierauf beschränkt.While embodiments are described in connection with a nutrient analysis or other condition analysis of a useful or cultivated plant, the embodiments are not limited thereto.
Die Merkmale der Ausführungsbeispiele können miteinander kombiniert werden, sofern dies in der nachfolgenden Beschreibung nicht ausdrücklich ausgeschlossen ist.The features of the embodiments can be combined with each other, provided that this is the following description is not expressly excluded.
Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme und Systeme nach Ausführungsbeispielen der Erfindung sind eingerichtet, wenigstens ein an einem Eukaryoten (insbesondere einer Pflanze oder einem pflanzenartigen Organismus wie einer Alge), einem Teil eines Eukaryoten (beispielsweise einem Blatt oder einem anderen Pflanzenteil) oder einem Lebensmittelerzeugnis erfasste Spektraldaten auszuwerten. Ein Auswertungsergebnis kann beispielsweise eine Zustandsgröße der spektralanalytisch untersuchten Probe sein, beispielsweise eine Nährstoffkonzentration.Methods, evaluation devices, evaluation systems and systems according to embodiments of the invention are designed to evaluate at least one spectral data recorded on a eukaryote (in particular a plant or a plant-like organism such as an alga), a part of a eukaryote (for example a leaf or another plant part) or a food product. An evaluation result can be, for example, a state variable of the sample examined by spectral analysis, for example a nutrient concentration.
Die Begriffe Spektraldaten und Spektrum, wie sie hier verwendet werden, beziehen sich auf eine für eine Mehrzahl von Wellenlängen erfasste optische Größe (beispielsweise Reflexion, Transflexion, Transmission, etc.), die in einer Form vorliegen, die eine Zuordnung von der jeweils erfassten optischen Größe zur zugehörigen Wellenlänge ermöglicht. Die Spektraldaten und Spektren können die optische Größe für Wellenlängen in wenigstens einem Wellenlängenbereich aufweisen, wobei sich die Wellenlängen, für die die optische Größe erfasst wurde, mit einem konstanten oder wellenlängenabhängig variablen Wellenlängenabstand voneinander unterscheiden können.The terms spectral data and spectrum, as used here, refer to an optical quantity recorded for a plurality of wavelengths (for example reflection, transflection, transmission, etc.), which are present in a form that enables an assignment of the optical quantity recorded in each case to the associated wavelength. The spectral data and spectra can have the optical quantity for wavelengths in at least one wavelength range, wherein the wavelengths for which the optical quantity was recorded can differ from one another by a constant or wavelength-dependently variable wavelength spacing.
Die Spektraldaten und Spektren können mit einer spektralanalytischen Erfassungseinheit erfasst werden. Der Begriff der spektralanalytischen Erfassungseinrichtung, wie er hier verwendet wird, umfasst eine Einrichtung, die in der Lage und dafür ausgestaltet ist, für mehrere Wellenlängen an demselben Messbereich der Pflanze eine optische Messgröße zu erfassen. Die spektralanalytische Erfassungseinrichtung kann ein Spektrometer aufweisen. Dies ist jedoch nicht zwangsläufig erforderlich. Beispielsweise kann die spektralanalytische Erfassungseinrichtung alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Spektrometers konfiguriert sein, zeitsequentiell die optische Messgröße für die mehreren Wellenlängen zu erfassen, beispielsweise durch aktive Bestrahlung mit unterschiedlichen Wellenlängen und Bestimmen der Intensität des jeweils detektierten Streu- oder Reflexionslichts.The spectral data and spectra can be recorded using a spectral analytical recording unit. The term spectral analytical recording device, as used here, includes a device that is capable of and designed to record an optical measurement variable for multiple wavelengths in the same measurement area of the plant. The spectral analytical recording device can have a spectrometer. However, this is not necessarily required. For example, the spectral analytical recording device can be configured, alternatively or in addition to using a spectrometer, to record the optical measurement variable for the multiple wavelengths sequentially in time, for example by actively irradiating with different wavelengths and determining the intensity of the scattered or reflected light detected in each case.
Zur Auswertung der Spektraldaten wird wenigstens ein Attention-Mechanismus verwendet. Der Attention-Mechanismus ist an sich bekannt, wurde aber bislang vornehmlich in Anwendungen wie Textanalyse und Bildanalyse eingesetzt. Weitergehende Informationen über den Attention-Mechanismus und dessen Implementierung kann der Fachmann beispielsweise den Dokumenten in
Die Anmelderin hat festgestellt, dass sich diese Techniken, die bislang nicht im Zusammenhang mit einer Zustandsanalyse von Pflanzen durch Analyse von an der Pflanze aufgenommenen Spektraldaten diskutiert wurden, überraschend auch für die Zustandsanalyse von Pflanzen, insbesondere zur Analyse von an der Pflanze aufgenommenen Spektraldaten anwenden lassen, wobei die hier detailliert offenbarten Maßnahmen zur Anpassung der herkömmlichen Verfahren vorgenommen werden.The applicant has found that these techniques, which have not previously been discussed in connection with a condition analysis of plants by analysis of spectral data recorded on the plant, can surprisingly also be applied to the condition analysis of plants, in particular to the analysis of spectral data recorded on the plant, whereby the measures disclosed in detail here are carried out to adapt the conventional methods.
Allgemein ist der Attention-Mechanismus eine Berechnungsmethode zum Analysieren von Daten in einem Modell der künstlichen Intelligenz (KI), das nach einem Training in der Lage ist, (für eine durch Trainingsdaten definierte Aufgabe relevante) Zusammenhänge in den Eingangsdaten zu erkennen.In general, the attention mechanism is a computational method for analyzing data in an artificial intelligence (AI) model that, after training, is able to recognize relationships in the input data (relevant for a task defined by training data).
Der Attention-Mechanismus transformiert dazu einzelne Teile der Eingangsdaten (auch Token genannt) oder Repräsentationen dieser Teile (auch eingebettete („embedded“) Token genannt) in eine neue Darstellung, wobei in dieser Transformation Informationen der gesamten Eingabedaten berücksichtigt werden können. Für die Transformation eines Tokens wird der Token mit einem, mehreren, optional allen anderen Token der Eingangsdaten durch Anwenden einer Vergleichsfunktion verglichen. Die Token werden dann mit einer Aggregierungsfunktion gewichtet in die neue Darstellung überführt, wobei die Gewichtung aus dem Ergebnis des Anwendens der Vergleichsfunktion ermittelt wird. Ein Attention-Mechanismus weist daher allgemein eine Aggregierungsfunktion und eine Vergleichsfunktion auf.The attention mechanism transforms individual parts of the input data (also called tokens) or representations of these parts (also called embedded tokens) into a new representation, whereby information from the entire input data can be taken into account in this transformation. To transform a token, the token is compared with one, several, optionally all other tokens of the input data by applying a comparison function. The tokens are then weighted using an aggregation function and transferred to the new representation, whereby the weighting is determined from the result of applying the comparison function. An attention mechanism therefore generally has an aggregation function and a comparison function.
Ein Attention-Mechanismus kann vor der Anwendung der Vergleichsfunktion und/oder der Aggregierungsfunktion die Token prozessieren. Die Prozessierung der Token vor Anwendung der Vergleichsfunktion und/oder der Aggregierungsfunktion kann trainierbare Parameter aufweisen.An attention mechanism can process the tokens before applying the comparison function and/or the aggregation function. The processing of the tokens before applying the comparison function and/or the aggregation function can have trainable parameters.
Eine mögliche Form ist die nunmehr als so genannte „scaled dot-product attention“ nach
Bei der Anwendung im hier betrachteten Kontext zur Auswertung von Spektraldaten ist eine den wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweisende Analyselogik eingerichtet, um mehrere Teile von Spektraldaten (die beispielsweise unterschiedliche Wellenlängenbereiche abdecken können) oder von daraus durch Vorverarbeitung ermittelte Eingangsdaten zu verarbeiten. Der wenigstens eine Attention-Mechanismus kann wenigstens ein Self-Attention-Mechanismus sein, insbesondere auch ein Multi-Head-Self-Attention-Mechanismus.When used in the context considered here for evaluating spectral data, an analysis logic having the at least one attention mechanism is set up to process several parts of spectral data (which can cover different wavelength ranges, for example) or input data determined therefrom by preprocessing. The at least one attention mechanism can be at least one self-attention mechanism, in particular also a multi-head self-attention mechanism.
Die Verwendung einer Analyselogik, die wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, ermöglicht ein Erkennen von weitreichenden paarweisen Zusammenhängen in Spektraldaten. Parameterwerte der Vergleichsoperationen sind datenabhängig. Dies hat sich überraschend für eine Analyse von Spektraldaten als besonders vorteilhaft herausgestellt. Insbesondere wird nach dem Training ein lokaler oder globaler Kontext in den Spektraldaten bei der Verarbeitung durch die Analyselogik, die wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, berücksichtigt. Dies steht im Gegensatz zu beispielsweise herkömmlichen Filtern in CNNs („convolutional neural networks“), die nach dem Training unveränderliche Gewichte aufweisen und auf das Erkennen von lokalen Zusammenhängen in Abhängigkeit von einer Größe der gelernten Filter beschränkt sind.The use of an analysis logic that has at least one attention mechanism enables the recognition of extensive pairwise relationships in spectral data. Parameter values of the comparison operations are data-dependent. This has surprisingly proven to be particularly advantageous for the analysis of spectral data. In particular, after training, a local or global context in the spectral data is taken into account during processing by the analysis logic, which has at least one attention mechanism. This is in contrast to, for example, conventional filters in CNNs ("convolutional neural networks"), which have unchanging weights after training and are limited to the recognition of local relationships depending on the size of the learned filters.
Vor und/oder nach dem Attention-Mechanismus können noch andere Prozessierungen ausgeführt werden (beispielsweise eine Normierung und ein FF NN („Feed Forward Neural Network“, nachfolgend und in diesem Gebiet der Technik auch als „Feed Forward Netz“ oder „Feed Forward Schicht“ bezeichnet) und eine Residuenverrechnung). Ein Block, der zusätzlich zu dem Attention-Mechanismus zusätzliche Prozessierungen aufweisen kann, wird auch als Attention Block bezeichnet. Somit kann die Analyselogik, wie in
Die den Attention-Mechanismus aufweisende Analyselogik kann mehrere Attention-Blöcke aufweisen. Insbesondere kann die Analyselogik einen Encoder mit einem Stapel von mehreren Attention-Blöcken aufweisen. Die Attention-Blöcke können jeweils weitere Prozessierungen vor und/oder weitere Prozessierungen nach dem Attention Mechanismus aufweisen, beispielsweise ein Feed Forward Netz und/oder eine Normierungsschicht wie eine Schichtnormierung („Layer Normalization“) und/oder auch andere Normierungsfunktionen und/oder eine Residuenverrechnung.The analysis logic having the attention mechanism can have several attention blocks. In particular, the analysis logic can have an encoder with a stack of several attention blocks. The attention blocks can each have further processing before and/or further processing after the attention mechanism, for example a feed forward network and/or a normalization layer such as layer normalization and/or other normalization functions and/or residual calculation.
Die Analyselogik kann unter Verwendung von Trainingsdaten so trainiert sein, dass der Ausgang der Analyselogik eine dem Zustand des Eukaryoten, Teils des Eukaryoten oder Lebensmittelerzeugnisses zugeordnete Zustandsgröße bereitstellt. Insbesondere kann die Analyselogik so trainiert sein, dass ihr Ausgang eine quantitative Zustandsgröße (beispielsweise eine Nährstoffkonzentration) aus einem kontinuierlichen Wertebereich, einer ordinalen Werteskala oder einer Nominalskala bereitstellt.The analysis logic can be trained using training data such that the output of the analysis logic provides a state variable associated with the state of the eukaryote, part of the eukaryote or food product. In particular, the analysis logic can be trained such that its output provides a quantitative state variable (for example a nutrient concentration) from a continuous value range, an ordinal value scale or a nominal scale.
Der Begriff Eukaryoten, wie er hier verwendet wird, umfasst Pflanzen und pflanzenartige Organismen, insbesondere Algen. Die hier offenbarten Einrichtungen, Systeme und Verfahren können insbesondere zur Zustandsanalyse von Pflanzen oder Pflanzenteilen eingerichtet sein.The term eukaryotes as used here includes plants and plant-like organisms, in particular algae. The devices, systems and methods disclosed here can be designed in particular for analyzing the condition of plants or parts of plants.
Die Auswerteeinrichtung 30 ist eingerichtet, die von der Vorrichtung 20 erfassten Spektraldaten auszuwerten. Die Auswerteeinrichtung 30 weist ein oder mehrere Schnittstellen 31 zum Empfangen der Spektraldaten auf. Die Auswerteeinrichtung 30 weist ein Speichersystem 33 auf, in dem Parameter (insbesondere die in einem Training trainierten Parameter) einer Analyselogik zur Durchführung einer Auswertung 36 der Spektraldaten nichtflüchtig hinterlegt sein können. Die Auswerteeinrichtung weist wenigstens eine Auswerteschaltung 34 auf, die eingerichtet ist, die Auswertung 36 der Spektraldaten auszuführen. Basierend auf einem Auswertungsergebnis kann eine Schnittstellensteuerung 35 eine Ausgabe erzeugen und über eine Datenschnittstelle und/oder eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 32 bereitstellen.The
Die zur Durchführung der verschiedenen Steuer- und Verarbeitungsfunktionen verwendete wenigstens eine Auswerteschaltung 34 kann eine oder mehrere integrierte Schaltungen aufweisen, um die Ansteuerung der Schnittstelle(n) 31 und der Mensch-Maschine-Schnittstelle 32 sowie die Auswertung der Spektraldaten auszuführen. Die eine oder mehrere integrierte Schaltungen können beispielsweise jede beliebige oder jede beliebige Kombination der folgenden Schaltungen oder Schaltungskomponenten aufweisen: eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC = „application specific integrated circuit“), ein Feld-programmierbares Gate-Array (FPGA), einen Prozessor (beispielsweise eine CPU („central processing unit“), GPU („graphic processor unit“) oder TPU („tensor processor unit“)), einen Controller, ein oder mehrere Quantengatter, eine Schaltung zur Quanteninformationsverarbeitung, weitere integrierte Schaltungen.The at least one evaluation circuit 34 used to carry out the various control and processing functions can have one or more integrated circuits to carry out the control of the interface(s) 31 and the human-machine interface 32 and the evaluation of the spectral data. The one or more integrated circuits can, for example, have any or any combination of the following circuits or circuit components: an application-specific special circuit (ASIC), a field-programmable gate array (FPGA), a processor (for example a CPU ("central processing unit"), GPU ("graphic processor unit") or TPU ("tensor processor unit")), a controller, one or more quantum gates, a circuit for quantum information processing, other integrated circuits.
Das Speichersystem 33 kann maschinenlesbaren Befehlscode speichern, der bei Ausführung durch die Auswerteschaltung 34 die Ausführung der hier offenbarten Funktionen und Schritte bewirkt. Das Speichersystem 33 speichert auch Parameter, die eine Auswertung der Spektraldaten ermöglichen, beispielsweise für eine Zustandsanalyse. Die in dem Speichersystem 25 gespeicherten Parameter zur Auswertung der Spektraldaten können beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Parameter aufweisen: Parameter einer Prozessierung von Token eines Attention-Blocks oder von mehreren Attention-Blöcken eines Stapels von Attention- Blöcken (beispielsweise Parameter, die die Abhängigkeit von Query, Key und Value von den Eingangsdaten definieren); Parameter wenigstens eines weiteren trainierbaren Teils des KI-Modells, beispielsweise von neuronalen Netzen, Normierungsschichten und/oder Feed Forward Schichten, die dem Attention-Mechanismus oder den Attention-Mechanismen vor- und/oder nachgeschaltet sein können.The memory system 33 can store machine-readable command code which, when executed by the evaluation circuit 34, causes the functions and steps disclosed here to be carried out. The memory system 33 also stores parameters which enable an evaluation of the spectral data, for example for a state analysis. The parameters stored in the
Auch wenn in
Bei den in
Bei denen in
Beispielsweise kann eine nicht-gelernte Positionskodierung durch Addition der (optional prozessierten) Token mit oszillierenden Funktionen, beispielsweise Sinusfunktionen, die unterschiedliche Frequenzen aufweisen können, hinzugefügt werden. Beispielsweise können hierzu Techniken basierend auf S. 6 Abschnitt 3.5 der Veröffentlichung
Bei den in
Bei den
Die Vorverarbeitung kann die Verwendung von zusätzlichen Daten, die von den Spektraldaten verschieden sind, aufweisen. Die zusätzlichen Daten können beispielsweise Standards (z.B. Messungen an einem Weiß-Standard) und/oder Kalibrierungssmessungen aufweisen. Die zusätzlichen Daten können für die jeweils verwendete spektralanalytische Erfassungseinrichtung spezifisch sein und können zur Verwendung für die Vorverarbeitung, die für die jeweilige spektralanalytische Erfassungseinrichtung vorzunehmen ist, nichtflüchtig gespeichert sein.The preprocessing may include the use of additional data other than the spectral data. The additional data may include, for example, standards (e.g., measurements on a white standard) and/or calibration measurements. The additional data may be specific to the particular spectral analytical detection device used and may be stored in a non-volatile manner for use in the preprocessing to be performed for the particular spectral analytical detection device.
Bei der unter Bezugnahme auf
Trainierte Parameter der KI-Modelle können in einem Speichersystem der Auswerteeinrichtung oder des Auswertesystems nichtflüchtig hinterlegt sein. Die trainierten Parameter können je nach Implementierung der Attention-Mechanismen verschieden sein. Weitere Merkmale des Trainierens werden unter Bezugnahme auf
Bei 71 erfolgt eine wellenlängenaufgelöste Erfassung wenigstens einer optischen Messgröße an einer Probe, die ein Eukaryot, ein Teil eines Eukaryoten oder ein Lebensmittelerzeugnis sein kann. Die Erfassung kann insbesondere eine Erfassung einer optischen Messgröße an einer Pflanze oder einem Pflanzenteil umfassen. Die Erfassung kann auch eine Erfassung einer optischen Messgröße an einem pflanzenartigen Organismus (beispielsweise einer Alge) umfassen. Die Erfassung kann in einer Reflexionsanordnung oder in einer Transflexionsanordnung oder in einer Transmissionsanordnung erfolgen.At 71, a wavelength-resolved detection of at least one optical measurement variable is carried out on a sample, which can be a eukaryote, a part of a eukaryote or a food product. The detection can in particular comprise a detection of an optical measurement variable on a plant or a part of a plant. The detection can also comprise a detection of an optical measurement variable on a plant-like organism (for example an alga). The detection can be carried out in a reflection arrangement or in a transflective arrangement or in a transmission arrangement.
Bei 72 erfolgt eine Auswertung der bei 71 erfassten Spektraldaten. Die Auswertung kann eine Zustandsanalyse der Pflanze basierend auf den erfassten Spektraldaten aufweisen. Bei der Auswertung werden die Spektraldaten unter Verwendung einer Analyselogik verarbeitet, die wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist.At 72, the spectral data recorded at 71 are evaluated. The evaluation can include a condition analysis of the plant based on the recorded spectral data. During the evaluation, the spectral data are processed using an analysis logic that has at least one attention mechanism.
Die Analyselogik kann derart eingerichtet sein, dass sie ein Ergebnis einer quantitativen Zustandsanalyse an ihrem Ausgang bereitstellt. Der wenigstens eine Attention-Mechanismus wird dabei dazu verwendet, Relationen innerhalb der Spektraldaten zu erkennen und für die quantitative Zustandsanalyse zu nutzen. Die quantitative Zustandsanalyse kann dabei eine quantitative Bestimmung wenigstens einer Nährstoffkonzentration aufweisen. Ein Ergebnis der quantitativen Bestimmung kann die Nährstoffkonzentration(en) auf einer kontinuierlichen oder ordinalen Werteskala repräsentieren.The analysis logic can be set up in such a way that it provides a result of a quantitative state analysis at its output. The at least one attention mechanism is used to recognize relations within the spectral data and to use them for the quantitative state analysis. The quantitative state analysis can have a quantitative determination of at least one nutrient concentration. A result of the quantitative determination can represent the nutrient concentration(s) on a continuous or ordinal value scale.
Bei 73 wird ein Ergebnis der Auswertung bereitgestellt. Das Ergebnis kann über eine Datenschnittstelle (beispielsweise für eine Durchführung einer Steuerfunktion) oder über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgegeben werden.At 73, a result of the evaluation is provided. The result can be output via a data interface (for example, for executing a control function) or via a human-machine interface.
Die Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme und Systeme nach Ausführungsbeispielen können so eingerichtet sein, dass mehrere unterschiedliche trainierte Kl-Modelle vorgesehen sind und verwendet werden. Die mehreren unterschiedlichen trainierten KI-Modelle können einem, mehreren oder allen der Folgenden zugeordnet sein: einer Pflanzensorte, einer Pflanzenart, wenigstens einem Pflanzenstadium, wenigstens einem Blattstadium, einer Position des Blattes innerhalb der Pflanze, einer Region (beispielsweise U.S.A. oder Europa), einer Kultivierungsart (beispielsweise Freiland oder in einem Gebäude), einer Kultivierungssubstratart (beispielsweise erd-basiert (engl. „soil-based“) oder erd-los (engl. „soilless“) wie etwa Kokossubstrat oder Hydrokultur).The methods, evaluation devices, evaluation systems and systems according to embodiments can be set up such that several different trained AI models are provided and used. The several different trained AI models can be assigned to one, several or all of the following: a plant variety, a plant species, at least one plant stage, at least one leaf stage, a position of the leaf within the plant, a region (for example, the USA or Europe), a type of cultivation (for example, outdoors or in a building), a type of cultivation substrate (for example, soil-based or soilless such as coconut substrate or hydroponics).
Die Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme und Systeme können so ausgestaltet sein, dass eine Auswahl des zu verwendenden trainierten Kl-Modells abhängig von einer Nutzereingabe erfolgt, die eine, mehrere oder alle der Folgenden festlegt: eine Pflanzensorte, eine Pflanzenart, ein Pflanzenstadium, ein Blattstadium, eine Position des Blattes innerhalb der Pflanze, eine Region, eine Kultivierungsart, eine Kultivierungssubstratart. Die Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme und Systeme können eine Ansteuerung einer Mensch-Maschine-Schnittstelle aufweisen, um eine Eingabe zu ermöglichen, die die Pflanzensorte, die Pflanzenart, das Pflanzenstadium, das Blattstadium, die Position des Blattes innerhalb der Pflanze, die Region, die Kultivierungsart und/oder die Kultivierungssubstratart festlegt. Die Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme und Systeme können so eingerichtet sein, dass die Nutzereingabe über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle am Gerät erfolgen kann. Die Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme und Systeme können so eingerichtet sein, dass die Nutzereingabe auch über eine Schnittstelle von einem Speichersystem empfangen werden kann. Letzteres ist beispielsweise hilfreich, wenn die Nutzereingabe nicht in der Feldumgebung erfolgt, in der die Datenerfassung vorgenommen wird.The methods, evaluation devices, evaluation systems and systems can be designed such that a selection of the trained AI model to be used is made depending on a user input that specifies one, several or all of the following: a plant variety, a plant species, a plant stage, a leaf stage, a position of the leaf within the plant, a region, a cultivation type, a cultivation substrate type. The methods, evaluation devices, evaluation systems and systems can have a control of a human-machine interface to enable an input that specifies the plant variety, the plant species, the plant stage, the leaf stage, the position of the leaf within the plant, the region, the cultivation type and/or the cultivation substrate type. The methods, evaluation devices, evaluation systems and systems can be set up such that the user input can be made via a human-machine interface on the device. The methods, evaluation devices, evaluation systems and systems can be set up such that the user input can also be received via an interface from a storage system. The latter is useful, for example, when user input is not made in the field environment in which data collection is performed.
Die Verfahren, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme und Systeme können so ausgestaltet sein, dass eine Auswahl des zu verwendenden trainierten Kl-Modells abhängig von einer Bildauswertung eines Bilds erfolgt, das von der zu analysierenden Probe (beispielsweise einer Pflanze oder einem anderen Eukaryoten) erfasst wurde und das durch die Auswerteschaltung analysiert wird, um die Pflanzensorte, die Pflanzenart, das Pflanzenstadium und/oder das Blattstadium automatisch zu ermitteln und basierend darauf das zur Analyse der Spektraldaten zu verwendende KI-Modell abzurufen und zu verwenden.The methods, evaluation devices, evaluation systems and systems can be designed such that a selection of the trained AI model to be used is made depending on an image evaluation of an image that was captured from the sample to be analyzed (for example a plant or another eukaryote) and that is analyzed by the evaluation circuit in order to automatically determine the plant variety, the plant species, the plant stage and/or the leaf stage and, based on this, to retrieve and use the AI model to be used to analyze the spectral data.
Bei 81 werden Trainingsdaten erzeugt. Die Erzeugung der Trainingsdaten kann ein Erfassen von Trainingsspektren aufweisen. Die Trainingsspektren werden mit einer spektralanalytischen Erfassungseinrichtung erfasst, die baugleich zu der zum Erfassen der zu analysierenden Spektraldaten verwendeten spektralanalytischen Erfassungseinrichtung sein kann. Die Trainingsspektren oder daraus (beispielsweise durch Faltung mit einem Filter oder durch Vorverarbeitung mit einem ersten KI-Modell) abgeleitete Daten können annotiert werden.At 81, training data is generated. The generation of training data can include the acquisition of training spectra. The training spectra are acquired using a spectral analytical acquisition device that can be identical to the spectral analytical acquisition device used to acquire the spectral data to be analyzed. The training spectra or data derived from them (for example by convolution with a filter or by preprocessing with a first AI model) can be annotated.
Das Erzeugen der Annotationen, die Teil der Trainingsdaten sind, kann beispielsweise eine Ermittlung von Nährstoffkonzentrationen aufweisen. Die Ermittlung der Nährstoffkonzentrationen kann labortechnisch (beispielsweise durch chemische und/oder physikalische Methoden) oder expertenbasiert erfolgen. Die Trainingsspektren können mit den Nährstoffkonzentrationen annotiert werden. Dies kann auch implizit dadurch geschehen, dass Trainingsspektren in Gruppen mit ähnlichen Nährstoffkonzentrationen zusammengefasst und dann die Gruppen annotiert werden.The generation of the annotations that are part of the training data can, for example, involve determining nutrient concentrations. The determination of the nutrient concentrations can be done in a laboratory (for example, using chemical and/or physical methods) or expert-based. The training spectra can be annotated with the nutrient concentrations. This can also be done implicitly by grouping training spectra into groups with similar nutrient concentrations and then annotating the groups.
Das Erzeugen der Annotationen kann - je nach gewünschter Anwendung - auch derart erfolgen, dass die Trainingsspektren mit von einer Nährstoffkonzentration verschiedenen Annotationen versehen werden.Depending on the desired application, the annotations can also be generated in such a way that the training spectra are provided with annotations that are different from a nutrient concentration.
Die Trainingsdaten können Spektren von wenigstens 100 Pflanzen unterschiedlicher Pflanzen- und/oder Blattstadien aufweisen. Die Trainingsdaten können Spektren von wenigstens 1000 Blättern unterschiedlicher Pflanzen- und/oder Blattstadien aufweisen. Wie anhand von
Bei 82 wird eine Analyselogik trainiert. Dies kann ein Training mit den Trainingsdaten aufweisen. Ein Teil der Trainingsdaten kann zur Validierung und ein weiterer Teil der Trainingsdaten kann zum Testen verwendet werden. Das Training kann dem Fachmann bekannte Techniken, wie gradientenbasierte Optimierungsverfahren, beispielsweise Gradientenabstieg, aufweisen. Das Training optimiert eine Zielfunktion (beispielsweise einen L2-Verlust) über ein Trainingsset (typischerweise durch Minimierung der Zielfunktion). Das Trainieren kann abhängig von dem Wert der Zielfunktion auf einem Validierungsset (der für das jeweilige Trainingsstadium ermittelt wird) beendet werden.At 82, an analysis logic is trained. This may include training with the training data. A portion of the training data may be used for validation and another portion of the training data may be used for testing. The training may include techniques known to those skilled in the art, such as gradient-based optimization methods, e.g. gradient descent. The training optimizes an objective function (e.g. an L2 loss) over a training set (typically by minimizing the objective function). The training may be terminated on a validation set (determined for the respective training stage) depending on the value of the objective function.
Das Training bei 82 weist ein Training wenigstens eines Attention-Blocks auf, der einen Attention-Mechanismus aufweist. Bei dem Training des wenigstens einen Attention-Blocks können Parameter einer Prozessierung von Token ermittelt werden, beispielsweise Parameter einer Abbildung, die bestimmen, wie K, Q und V von den Eingangsdaten abhängen.The training at 82 comprises training at least one attention block having an attention mechanism. During the training of the at least one attention block, parameters of a processing of tokens can be determined, for example parameters of a mapping that determine how K, Q and V depend on the input data.
Bei 83 wird die trainierte Analyselogik in einem Speichersystem zur Anwendung durch die Auswerteschaltung 34 bei der Auswertung der Spektraldaten gespeichert. Das Auswertesystem oder die Auswerteeinrichtung kann die trainierte Analyselogik verwenden, um eine Zustandsanalyse eines Eukaryoten basierend auf den Spektraldaten auszuführen.At 83, the trained analysis logic is stored in a storage system for use by the evaluation circuit 34 in evaluating the spectral data. The evaluation system or device can use the trained analysis logic to perform a state analysis of a eukaryote based on the spectral data.
Wie ersichtlich ist, sind die mit den erfindungsgemäßen Techniken ermittelten Nährstoffkonzentrationen in allen dargestellten Fällen besser als die mit herkömmlichen Techniken erzielten Ergebnisse.As can be seen, the nutrient concentrations determined using the techniques of the invention are better than the results obtained using conventional techniques in all cases presented.
Bei den in
Nachfolgend werden Details des Trainings der Analyselogik, der Ausgestaltung der Analyselogik und ihrer Verwendung für die in
Sammlung von Trainingsdatencollection of training data
Erstellen eines Datensatzes: Untersuchungen wurden mit 587 Gruppen in Erdbeerpflanzen durchgeführt, wobei je Gruppe mehrere Einzelmessungen von Blättern mehrerer Pflanzen in unmittelbarer Nachbarschaft spektral aufgenommen wurden, sodass insgesamt 17686 Einzelmessungen im Datensatz enthalten sind. Die Blätter wurden entfernt und laborchemisch untersucht, um Nährstoffkonzentrationen laborchemisch zu ermitteln. Diese Laborwerte dienen als Zielwerte beim Training.Creating a dataset: Investigations were carried out with 587 groups in strawberry plants, whereby for each group several individual measurements were recorded spectrally from leaves of several plants in the immediate vicinity, so that a total of 17686 individual measurements in the data set. The leaves were removed and analyzed in the laboratory to determine nutrient concentrations. These laboratory values serve as target values for training.
Filterung des Datensatzes: Trainingsdaten schlechter Qualität wurden ausgeschlossen. Die Filterung bezog sich dabei sowohl auf die Qualität der Spektren als auch auf die Qualität der Zielwerte (also Nährstoffkonzentrationen).Filtering of the dataset: Training data of poor quality were excluded. The filtering related to both the quality of the spectra and the quality of the target values (i.e. nutrient concentrations).
Unterteilung in Trainings-, Validierungs- und Testdaten: Es erfolgte eine Unterteilung in Trainingsdaten (70%), Validierungsdaten (15%) und Testdaten (15%). Der Anteil an Validierungsdaten ist zwar optional, für das Auffinden guter Hyperparameter von KI-Modell und Trainingsverfahren aber hilfreich.Division into training, validation and test data: The data was divided into training data (70%), validation data (15%) and test data (15%). The proportion of validation data is optional, but it is helpful for finding good hyperparameters of the AI model and training procedure.
Cross-Folds: Das Unterteilen in Train-, Validierungs-, und Testdatensatz erfolgte mehrfach (6-fach) in sogenannte Folds. Dadurch können statistisch belastbarere Aussagen gewonnen werden.Cross-folds: The division into training, validation and test data sets was carried out multiple times (6 times) into so-called folds. This allows statistically more reliable statements to be obtained.
Maschinenlernmodellmachine learning model
Es wurden zwei unterschiedliche Maschinenlernmodelle trainiert und überprüft. Bei einer ersten bevorzugten Ausgestaltung werden die Spektraldaten in mehrere Spektralbereiche unterteilt (d.h., in Token überführt), linear prozessiert („embedded“), die prozessierten Token positionskodiert, und diese dann in einem Transformer-Encoder verarbeitet, der eine Abfolge von Attention-Blöcken mit einem (Self-)Attention-Mechanismus aufweist. Bei einer zweiten Ausgestaltung erfolgt die Verarbeitung durch die Abfolge von Attention-Blöcken nachgeschaltet zu einer Verarbeitung durch eine Deep-Learning (DL)-Architektur.Two different machine learning models were trained and tested. In a first preferred embodiment, the spectral data is divided into several spectral ranges (i.e., converted into tokens), processed linearly ("embedded"), the processed tokens are position-encoded, and then processed in a transformer encoder that has a sequence of attention blocks with a (self-)attention mechanism. In a second embodiment, the processing by the sequence of attention blocks takes place downstream of processing by a deep learning (DL) architecture.
Spezifisch weist der Transformer-Encoder eine Abfolge von Attention-Blöcken auf, die wie folgt implementiert werden können:
- - Schichtnormierung („layernorm“)
- - Multi-head self-attention (mit „scaled dot-product attention“ und mit linearen Projektionen für das Prozessieren der Eingaben, um Q, K, V zu erhalten)
- - Feed Forward Netz bestehend aus Schichtnormierung, linearem NN („linear neural network“, in der Technik auch als „Linear Model“ bezeichnet), GELU („Gaussian Error linear unit“) als nicht-lineare Aktivierungsfunktion, linearem NN
- - layer standardization ("layernorm")
- - Multi-head self-attention (with scaled dot-product attention and with linear projections for processing the inputs to obtain Q, K, V)
- - Feed forward network consisting of layer normalization, linear NN (“linear neural network”, also known in technology as “linear model”), GELU (“Gaussian Error linear unit”) as non-linear activation function, linear NN
Der oben genannte Attention-Bock wird mehrfach nacheinander ausgeführt.The above-mentioned attention block is executed several times in succession.
Die Abbildung auf den Zielwert (Block 49 in
- - Mittelung der transformierten Token,
- - Schichtnormierung,
- - lineares NN.
- - Averaging of the transformed tokens,
- - layer standardization,
- - linear NN.
Bei der zweiten Variante des Maschinenlernmodells, bei der die Verarbeitung durch die Abfolge von Attention-Blöcken einer DL-Architektur nachgeschaltet ist, wurde die DL-Architektur wie folgt realisiert:
- - Convolution
- - Dropout (im Training)
- - Rectified Linear Unit (ReLU) als nicht-lineare Aktivierungsfunktion
- - Convolution
- - Dropout (im Training)
- - Rectified Linear Unit (ReLU) als nicht-lineare Aktivierungsfunktion
wobei diese Abfolge mehrfach durchlaufen wurde.In the second variant of the machine learning model, in which the processing is carried out by the sequence of attention blocks of a DL architecture, the DL architecture was implemented as follows:
- - Convolution
- - Dropout (in training)
- - Rectified Linear Unit (ReLU) as non-linear activation function
- - Convolution
- - Dropout (in training)
- - Rectified Linear Unit (ReLU) as non-linear activation function
This sequence was repeated several times.
Beide Varianten weisen Hyperparameter auf, die Modell-Hyperparameter sowie Trainings-Hyperparameter aufweisen. Diese wurden zunächst mittels Hyperparameter-Optimierung separat für jeden Fold auf dem jeweiligen Validierungssatz optimiert. Danach wurde aus diesen Fold-spezifischen Hyperparametern ein gemeinsamer Hyperparameter-Satz für alle Folds gebildet, wobei jeder Wert darin in etwa dem Median der Fold-spezifischen Parameter entspricht. Es ist zu beachten, dass sich diese Parametersätze zwischen den Vorhersagen unterschiedlicher Nährstoffe unterscheiden.Both variants have hyperparameters that include model hyperparameters and training hyperparameters. These were first optimized separately for each fold on the respective validation set using hyperparameter optimization. Afterwards, a common hyperparameter set for all folds was formed from these fold-specific hyperparameters, with each value in it roughly corresponding to the median of the fold-specific parameters. It should be noted that these parameter sets differ between the predictions of different nutrients.
(A) Verwendung der Spektraldaten zum Erzeugen des Eingangs des Transformer-Encoders(A) Using the spectral data to generate the input of the transformer encoder
Eine derartige Ausgestaltung ist in
Dabei wurden die Spektraldaten in mehrere Vektoren gleicher Länge unterteilt. Diese werden hier auch als Teile der Spektraldaten oder Teilspektren bezeichnet. In der Technik ist auch der Begriff „Patches“ oder „Token“ geläufig. Optional wurden die Spektraldaten vor dem Aufteilen auf eine vorgegebene Länge transformiert, beispielsweise durch Abschneiden der letzten und/oder ersten Einträge oder durch Anfügen zusätzlicher Einträge am Anfang oder am Ende, beispielsweise durch periodische Fortsetzung.The spectral data was divided into several vectors of equal length. These are also referred to here as parts of the spectral data or partial spectra. In technology, the term "patches" or "tokens" is also common. Optionally, the spectral data was transformed to a predetermined length before being divided, for example by cutting off the last and/or first entries or by adding additional entries at the beginning or end, for example by periodic continuation.
Diese Teile der Spektraldaten (also die mehreren Vektoren gleicher Länge) dienen direkt als Eingabe für einen Transformer-Encoder. Dort werden sie zunächst prozessiert (engl. „embedded“). Um die Information über die Position eines Teils des Spektrums relativ zum Gesamtspektrum nicht zu verlieren, kommt eine Positionskodierung zur Anwendung. Die so prozessierten und positionskodierten Token werden entsprechend der Definition des Attention-Mechanismus transformiert, wobei die erhaltene Kodierung (die in der Technik auch als „transformed tokens“ oder „transformed inputs“ bezeichnet werden) eines jeden einzelnen Teilspektrums gleichzeitig relevante Informationen über alle anderen Teilspektren kodieren kann. Somit wird der lokale und globale Kontext der Spektraldaten bei der Auswertung berücksichtigt.These parts of the spectral data (i.e. the multiple vectors of the same length) serve directly as input for a transformer encoder. There they are first processed (“embedded”). In order not to lose the information about the position of a part of the spectrum relative to the overall spectrum, position coding is used. The tokens processed and position-coded in this way are transformed according to the definition of the attention mechanism, whereby the resulting coding (which in technology is also referred to as “transformed tokens” or “transformed inputs”) of each individual partial spectrum can simultaneously encode relevant information about all other partial spectra. The local and global context of the spectral data is thus taken into account in the evaluation.
Die finale Abbildung auf einen Zielwert (in diesem Fall auf einen Nährstoffgehalt), wie sie in
Als konkrete Ausgestaltung, die für die in
- - Da das Spektrum aus 636 Einzelwerten besteht, wird dieses zunächst in drei Vektoren der Länge 212 geteilt, welche jeweils als ein Teilspektrum der Eingabe dienen. Jedes Token ist, wie bereits erläutert, prozessiert („embedded“) und positionskodiert.
- - Die Tiefe des Transformers wird auf 5 gesetzt, sodass die Teilspektren jeweils 5-fach durch je einen Attention-Block, der einen Multi-Head Attention-Mechanismus aufweist, transformiert werden (wobei die Attention-Blöcke zusätzliche Operationen aufweisen, wie oben erläutert). Die interne Dimensionalität betrug 1024.
- - Bei der Analyse mit einem Attention-Block, der einen Multi-Head Attention-Mechanismus aufweist, wird jedes Spektrum gleichzeitig mehrfach parallel betrachtet, wobei die Ausgaben konkateniert werden und in jedem Block als Eingabe eines MLP mit versteckter Dimension 512 dienen.
- - Die erhaltenen Kodierungen der parallel verarbeiteten Teilspektren werden am Schluss gemittelt, normiert und der dadurch entstehende Vektor dient als Eingabe eines linearen Regressors, welcher die Ausgabe auf einen konkreten Nährstoffkonzentrationswert abbildet.
- - Since the spectrum consists of 636 individual values, it is first divided into three vectors of length 212, each of which serves as a sub-spectrum of the input. As already explained, each token is processed ("embedded") and position-coded.
- - The depth of the transformer is set to 5, so that the subspectra are each transformed 5-fold by an attention block that has a multi-head attention mechanism (where the attention blocks have additional operations, as explained above). The internal dimensionality was 1024.
- - When analyzing with an attention block that has a multi-head attention mechanism, each spectrum is considered multiple times in parallel, with the outputs being concatenated and serving as input to an MLP with hidden dimension 512 in each block.
- - The obtained codings of the parallel processed partial spectra are finally averaged, normalized and the resulting vector serves as input of a linear regressor, which maps the output to a specific nutrient concentration value.
(B) Verwendung eines Transformers zum Verarbeiten von durch ein weiteres KI-Modell aus den Spektraldaten erzeugten Daten(B) Using a transformer to process data generated from the spectral data by another AI model
Hierbei wird wenigstens ein Attention-Block auf Ausgangsdaten eines weiteren Kl-Modells angewandt, das beispielsweise ein DL-Modell aufweisen kann. Der wenigstens eine Attention-Block kann Teil eines Transformer-Decoders sein.Here, at least one attention block is applied to output data of another Kl model, which may, for example, have a DL model. The at least one attention block can be part of a transformer decoder.
Die Spektraldaten werden zunächst mit einem Filter oder mehreren Filtern gefaltet, um so wesentliche, vor allem lokal beobachtbare Merkmale zu detektieren. Der Merkmalsraum kann durch die Anwendung einer Filterbank um eine Dimension erweitert werden, um für ein 1D-Spektrum eine Mehrzahl von Faltungsergebnissen zu erhalten.The spectral data are first convolved with one or more filters in order to detect essential, primarily locally observable features. The feature space can be extended by one dimension by applying a filter bank in order to obtain a plurality of convolution results for a 1D spectrum.
Die Ergebnisse der Faltungen können dann als Eingabe für einen Attention-Mechanismus dienen, welcher diese final auf einen Zielwert abbildet.The results of the convolutions can then serve as input for an attention mechanism, which finally maps them to a target value.
Als konkrete Ausgestaltung kann dies beispielsweise wie folgt implementiert werden:
- - Zuerst wird ein faltungsbasierter Encoder (hier: CNN=„convolutional neural network“) durchlaufen. Dieser besteht aus mehreren Ebenen, die wiederum durch eine Abfolge von Faltungs-, Dropout- und Nichtlinearitätsschichten (z.B. ReLU = „rectified linear unit“) gebildet wird. Optional kann die Dimensionalität mit Poolingschichten verkleinert werden.
- - Nach dem Encoder wird ein Transformer-basierter Decoder durchlaufen. Dieser weist wenigstens einen Attention-Mechanismus auf. Im konkreten Fall war der Decoder aus genau einer Decoder-Schicht aufgebaut, die wie folgt zusammengesetzt ist:
- ◯ Multi-Head Self-attention
- ◯ Normierung
- ◯ Multi-Head- Cross-Attention mit gelerntem Query
- ◯ Normierung
- ◯ Feed Forward Netz bestehend aus linearem NN, ReLU, DropOut im Training, linearem NN, DropOut im Training
- ◯ Normierung
- - Der dadurch entstehende Vektor dient als Eingabe eines linearen Regressors, welcher die Ausgabe auf einen konkreten Nährstoffkonzentrationswert abbildet.
- - First, a convolution-based encoder (here: CNN = "convolutional neural network") is run through. This consists of several levels, which in turn are formed by a sequence of convolution, dropout and non-linearity layers (e.g. ReLU = "rectified linear unit"). Optionally, the dimensionality can be reduced using pooling layers.
- - After the encoder, a transformer-based decoder is run through. This has at least one attention mechanism. In this specific case, the decoder was made up of exactly one decoder layer, which is composed as follows:
- ◯ Multi-Head Self-attention
- ◯ Standardization
- ◯ Multi-Head Cross-Attention with learned query
- ◯ Standardization
- ◯ Feed forward network consisting of linear NN, ReLU, DropOut in training, linear NN, DropOut in training
- ◯ Standardization
- - The resulting vector serves as input of a linear regressor, which maps the output to a specific nutrient concentration value.
Die Verwendung eines derartigen Decoders kann insbesondere zur gleichzeitigen quantitativen Nährstoffkonzentrationsbestimmung mehrerer Nährstoffe sinnvoll sein.The use of such a decoder can be particularly useful for the simultaneous quantitative determination of the nutrient concentration of several nutrients.
Trainieren des MaschinenlernmodellsTraining the machine learning model
Das Maschinenlernmodell wurde durch Optimierung einer Zielfunktion trainiert, die eine Abweichung (beispielsweise die mittlere quadratische Abweichung (also einen L2-Verlust)) zwischen den Labor-Zielwerten und dem jeweiligen Ausgangswert des Maschinenlernmodells über ein Trainingsset minimiert. Der Fortschritt des Trainings wurde auf einem Validierungsset überwacht.The machine learning model was trained by optimizing an objective function that minimizes a deviation (e.g., the mean square deviation (i.e., an L2 loss)) between the laboratory target values and the respective baseline value of the machine learning model over a training set. The progress of the training was monitored on a validation set.
Das Training erfolgte auf einem Trainingsset aus den wie oben beschrieben ermittelten Gruppen von Trainingsspektren.The training was carried out on a training set from the groups of training spectra determined as described above.
Anwendungsphase des trainierten Maschinenlernmodellsapplication phase of the trained machine learning model
Neu aufgenommene Spektren von Blättern von Erdbeerpflanzen wurden mit dem trainierten Maschinenlernmodell ausgewertet. Die Blätter, an denen die neu aufgenommenen Spektren erfasst wurden, wurden labortechnisch untersucht, um die R2- und MAE-Werte von
Die Ergebnisse der Transformer-basierten Architektur sind denen der PLS für alle untersuchten Nährstoffe überlegen. Transformer-basierte Architekturen stellen eine attraktive Alternative zu existierenden chemometrischen Modellen für die Analyse von Spektraldaten dar.The results of the transformer-based architecture are superior to those of PLS for all nutrients investigated. Transformer-based architectures represent an attractive alternative to existing chemometric models for the analysis of spectral data.
Die Blätter 102 (oder andere Pflanzenbereiche), von denen die Trainingsspektren erfasst wurden, können analysiert werden. Insbesondere kann eine chemische, physikalische, oder physikalisch-chemische Analyse 103 erfolgen.The leaves 102 (or other plant areas) from which the training spectra were recorded can be analyzed. In particular, a chemical, physical, or physico-
Die Trainingsspektren 104 und die Analyseergebnisse für die entsprechenden Blätter 102 (oder andere Pflanzenbereiche) werden von einem Computer- oder Serversystem 105 zum Trainieren der Analyselogik verwendet. Das Trainieren kann ein Training wenigstens eines Attention Blocks, der wenigstens einen Attention-Mechanismus aufweist, oder eines Kl-Modells mit einem Stapel von Attention-Blöcken aufweisen. Für unterschiedliche Zustandsanalysen (beispielsweise unterschiedliche Nährstoffe) können unterschiedliche Analyselogiken trainiert werden. Vorteilhaft kann für die gleichzeitige Analyse von mehreren Nährstoffen der letzte Attention-Block als Cross-Attention-Block ausgeführt und je Nährstoff ein Query trainiert werden, und diese gemeinsam verarbeitet werden.The
Parameter und optional auch Hyperparameter der trainierten Analyselogik können zur Verwendung durch die Auswerteschaltung 34 gespeichert werden, beispielsweise im Speichersystem 33 des Auswertesystems 30. Von der Vorrichtung 20 erfasste Spektraldaten können unter Verwendung dieser Analyselogik analysiert werden. Ein Ergebnis kann über eine Datenschnittstelle ausgegeben werden und/oder über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle bereitgestellt werden, beispielsweise über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle der Vorrichtung 20.Parameters and optionally also hyperparameters of the trained analysis logic can be stored for use by the evaluation circuit 34, for example in the storage system 33 of the
Bei 111 werden Trainingsspektren von Blättern erfasst. Die Trainingsspektren können in zentralen Blattbereichen, an Blattspitzen oder an anderen Bereichen von Blättern aufgenommen werden, die sowohl in der Trainingsphase als auch in der Anwendungsphase zuverlässig identifiziert werden können.At 111, training spectra are acquired from leaves. The training spectra can be acquired in central leaf areas, at leaf tips, or at other areas of leaves that can be reliably identified in both the training phase and the application phase.
Bei 112 werden die Blätter analysiert. Dies kann die Nährstoffkonzentrationsbestimmung unter Verwendung chemischer, physikalischer oder physikalisch-chemischer Techniken aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann eine expertenbasierte Analyse erfolgen.At 112, the leaves are analyzed. This may include determining nutrient concentrations using chemical, physical or physicochemical techniques. Alternatively or additionally, an expert-based analysis may be performed.
Bei 113 können die Trainingsspektren basierend auf den bei 112 ermittelten Nährstoffkonzentrationen gruppiert werden. Die unterschiedlichen Gruppen können mit den jeweiligen Ziel-Laborwerten aus Schritt 112 annotiert werden.At 113, the training spectra can be grouped based on the nutrient concentrations determined at 112. The different groups can be annotated with the respective target laboratory values from
Bei 121 können die Trainingsdaten optional augmentiert werden. Die Augmentierung von Trainingsdaten kann abhängig von Zufallsparametern erfolgen.At 121, the training data can optionally be augmented. Augmenting training ning data can be dependent on random parameters.
Bei 122 erfolgt das Training. Das Training kann - wie erwähnt - mit dem Fachmann bekannten Techniken, wie gradientenbasierte Optimierungsverfahren, beispielsweise Gradientenabstieg, ausgeführt werden. Das Training kann eine Zielfunktion (beispielsweise einen L2-Verlust) über ein Trainingsset optimieren (typischerweise minimieren). Beim Training 122 können optional Ausreißer herausgefiltert werden. Das optionale Herausfiltern von Ausreißern kann auch vor dem Training erfolgen.Training takes place at 122. As mentioned, training can be carried out using techniques known to those skilled in the art, such as gradient-based optimization methods, for example gradient descent. Training can optimize (typically minimize) an objective function (for example an L2 loss) over a training set. During
Unter Bezugnahme auf
Die Vorrichtungen weisen jeweils eine spektralanalytische Erfassungseinrichtung auf, die unterschiedlich ausgestaltet sein kann. Die spektralanalytische Erfassungseinrichtung ist eingerichtet, Spektraldaten an einem Eukaryoten (insbesondere einer Pflanze), einem Teil eines Eukaryoten oder einem Lebensmittelerzeugnis zu erfassen.The devices each have a spectral analytical detection device, which can be designed in different ways. The spectral analytical detection device is designed to record spectral data on a eukaryote (in particular a plant), a part of a eukaryote or a food product.
Die Vorrichtung 20 kann ein Speichersystem 24 zum Zwischenspeichern der Spektraldaten aufweisen. Die Vorrichtung 20 kann eine Datenschnittstelle 22 aufweisen, um erfasste Spektraldaten oder daraus durch Vorverarbeitung abgeleitete Daten an das Auswertesystem 30 oder die Auswerteeinrichtung 30 zu übertragen. Die Vorrichtung 20 kann eine Mensch-Maschine-Schnittstelle 23 aufweisen. Über die Mensch-Maschine-Schnittstelle 23 kann ein Ergebnis der Auswertung der Spektraldaten ausgegeben werden. Dieses Ergebnis kann entweder in der Vorrichtung 20 lokal ermittelt oder von dieser von der Auswerteeinrichtung oder dem Auswertesystem 30 empfangen werden.The
Die Vorrichtung 20 weist wenigstens eine Verarbeitungsschaltung 25 auf. Die wenigstens eine Verarbeitungsschaltung 25 kann eine optionale Vorverarbeitung 26 von erfassten Spektraldaten vornehmen. Die optionale Vorverarbeitung kann beispielsweise eine Kompression und/oder ein Entfernen von Spektren niedriger Qualität aufweisen. Die wenigstens eine Verarbeitungsschaltung 25 kann eine Schnittstellensteuerung 27 ausführen, um die von der spektralanalytischen Erfassungseinrichtung erfassten Spektraldaten in dem Speichersystem 24 zu speichern und/oder um die Datenschnittstelle 22 zur Übertragung der Spektraldaten anzusteuern und/oder um die Mensch-Maschine-Schnittstelle 23 zum Ausgeben eines Auswertungsergebnisses anzusteuern.The
Die Vorrichtung 20 von
Die Vorrichtung 20 von
Die Vorrichtung 20 von
Wie in
Wie in
Bei jeder der offenbarten Ausgestaltungen kann die Spektrum-Auswertung 36 oder wenigstens ein Teil der Spektrum-Auswertung 36 lokal in der Vorrichtung 20 ausgeführt werden. In diesem Fall ist es nicht zwangsläufig erforderlich (aber noch möglich), die Spektraldaten für eine Auswertung in einem von der Vorrichtung 20 separaten Rechnersystem über eine Datenschnittstelle auszugeben. Dies ist beispielhaft in
Die Verarbeitungsschaltung kann eine oder mehrere Schaltungen aufweisen, um die erläuterten Funktionen auszuführen. Die eine oder mehrere integrierte(n) Schaltung(en) können beispielsweise jede beliebige oder jede beliebige Kombination der folgenden Schaltungen oder Schaltungskomponenten aufweisen: eine anwendungsspezifische Spezialschaltung (ASIC = „application specific integrated circuit“), ein Feld-programmierbares Gate-Array (FPGA), einen Prozessor, eine CPU, eine GPU, eine TPU, einen Controller, ein oder mehrere Quantengatter, eine Schaltung zur Quanteninformationsverarbeitung, weitere integrierte Schaltungen.The processing circuit may comprise one or more circuits to perform the functions explained. The one or more integrated circuits may comprise, for example, any one or any combination of the following circuits or circuit components: an application specific integrated circuit (ASIC), a field programmable gate array (FPGA), a processor, a CPU, a GPU, a TPU, a controller, one or more quantum gates, a quantum information processing circuit, other integrated circuits.
Bei 131 wird ein Nahfeldbild empfangen. Dabei kann wenigstens ein Nahfeldbild von einem unmittelbar an der Vorrichtung 20 anliegenden Pflanzenabschnitt empfangen werden.At 131, a near-field image is received. At least one near-field image of a plant section directly adjacent to the
Bei 132 wird das wenigstens eine Nahfeldbild ausgewertet, um mögliche Fehlerquellen wie Fremdstoffe oder mechanische Beschädigungen zu erkennen. Die Auswertung kann die Ermittlung einer Geeignetheitsbewertung aufweisen, die angibt, ob pflanzenimmanente oder messtechnische Fehlerquellen vorhanden sind. Die Geeignetheitsbewertung kann binär (geeignet / ungeeignet), auf einer ordinalen Geeignetheitsskala oder auf einer kontinuierlichen Geeignetheitsskala die Geeignetheit des wenigstens einen Bildes anhand der Anwesenheit oder Abwesenheit möglicher Fehlerquellen quantifizieren. Die Auswertung kann die Ermittlung einer pixelweisen oder bereichsweisen Segmentierung des wenigstens einen Bildes aufweisen, um zu identifizieren, welche Bereiche des wenigstens einen Bildes frei von Fehlerquellen und somit für eine weitergehende Analyse auf Basis von Spektraldaten geeignet sind.At 132, the at least one near-field image is evaluated to identify possible sources of error such as foreign matter or mechanical damage. The evaluation may include determining a suitability assessment that indicates whether plant-immanent or measurement-related sources of error are present. The suitability assessment may quantify the suitability of the at least one image based on the presence or absence of possible sources of error in a binary manner (suitable/unsuitable), on an ordinal suitability scale or on a continuous suitability scale. The evaluation may include determining a pixel-by-pixel or area-by-area segmentation of the at least one image to identify which areas of the at least one image are free of sources of error and are therefore suitable for further analysis based on spectral data.
Bei 133 wird ein Ergebnis der Geeignetheitsbewertung für eine weitergehende Analyse auf Basis von Spektraldaten verwendet. Dies kann durch selektive Durchführung der Spektraldatenerfassung abhängig von der Geeignetheitsbewertung und/oder durch Erzeugung von die Geeignetheit repräsentierenden Metadaten erfolgen.At 133, a result of the suitability assessment is used for further analysis based on spectral data. This can be done by selectively performing spectral data acquisition depending on the suitability assessment and/or by generating metadata representing the suitability.
Die Geeignetheitsbewertung 152 kann ermittelt werden auf Basis der Abwesenheit verschiedener möglicher Fehlerquellen. Der Pflanzenabschnitt kann als geeignet bewertet werden, wenn alle überprüften Fehlerquellen abwesend sind. Komplexere Techniken können verwendet werden. Beispielsweise kann der Pflanzenabschnitt als geeignet bewertet werden, wenn ein Flächenanteil des von der Anlagefläche der Vorrichtung 20 umgebenen Pflanzenabschnitts, der frei von allen überprüften Fehlerquellen ist, größer als ein gegebener Schwellenwert ist.The
Die Geeignetheitsbewertung 152 kann die Spektrum-basierte Analyse 151 beeinflussen. Dies kann in verschiedener Weise erfolgen, wie bereits detailliert ausgeführt wurde. Beispielsweise kann anhand der Geeignetheitsbewertung 152 sichergestellt werden, dass eine Spektrum-basierte Analyse nur an als geeignet bewerteten Pflanzenabschnitten erfolgt. Alternativ oder zusätzlich kann die Geeignetheitsbewertung 152 verwendet werden, um das Ergebnis der Spektrum-basierten Analyse zu markieren (beispielsweise als verlässlich / eingeschränkt verlässlich) oder zu bewerten (beispielsweise zu gewichten).The
Zur Ermittlung der Geeignetheitsbewertung können beispielsweise eine, mehrere oder alle der folgenden Überprüfungen anhand des wenigstens einen Nahfeldbildes vorgenommen werden:
- - Fremdstofferkennung 153: Erkennung von Flüssigkeit und/oder festen Fremdstoffen (wie Staub oder Pollen) im Pflanzenabschnitt, der im wenigstens einen Bild abgebildet ist;
- - Nekrosenerkennung 154: Erkennung nekrotischer Stellen im Pflanzenabschnitt, der im wenigstens einen Bild abgebildet ist;
- - Chlorosenerkennung und/oder Anthocyanosenerkennung: Erkennung von Stellen mit Chlorosen oder Abnormitäten im Hinblick auf Anthocyane im Pflanzenabschnitt, der im wenigstens einen Bild abgebildet ist;
- -
Erkennung verdorbener Stellen 155 im Pflanzenabschnitt, der im wenigstens einen Bild abgebildet ist; - - Schädlingserkennung 156: Erkennung von Schädlingen oder Insekten im Pflanzenabschnitt, der im wenigstens einen Bild abgebildet ist;
- - Positionsverifizierung 157: Erkennung einer inkorrekten Positionierung der Vorrichtung an der Pflanze. Hierzu kann beispielsweise anhand einer automatischen Erkennung des Pflanzenabschnitts ermittelt werden, ob die Vorrichtung an einem Pflanzenabschnitt des richtigen Typs (z.B. einem Blatt in einem gewünschten Blattstadium) positioniert ist;
- - Riss/Bruch-Erkennung 158: Erkennung einer mechanischen Beschädigung im Pflanzenabschnitt, der im wenigstens einen Bild abgebildet ist.
- - Pilzerkennung 159: Erkennung einer von Pilzen (beispielsweise Mehltau) befallenen Stelle im Pflanzenabschnitt, der im wenigstens einen Bild abgebildet ist.
- - Foreign matter detection 153: Detection of liquid and/or solid foreign matter (such as dust or pollen) in the plant section depicted in at least one image;
- - Necrosis detection 154: Detection of necrotic areas in the plant section depicted in at least one image;
- - Chlorosis detection and/or anthocyanosis detection: detection of areas of chlorosis or abnormalities with respect to anthocyanins in the plant section depicted in at least one image;
- - detecting
spoiled areas 155 in the plant section depicted in at least one image; - - Pest detection 156: detecting pests or insects in the plant section depicted in at least one image;
- - Position verification 157: Detection of incorrect positioning of the device on the plant. This can be done, for example, by automatically detecting the plant section to determine whether the device is positioned on a plant section of the correct type (eg a leaf at a desired leaf stage);
- - Crack/break detection 158: Detection of mechanical damage in the plant section shown in at least one image.
- - Fungal detection 159: Detection of a location infected by fungi (e.g. mildew) in the plant section shown in at least one image.
Die bildbasierte Überprüfung auf Geeignetheit zur weitergehenden Analyse, die Realisierung der hierfür durchgeführten Auswertungen und/oder die Verwendung des Ergebnisses (also der Geeignetheit) kann durch die Techniken erfolgen, die in der am 25. Mai 2023 eingereichten deutschen Patentanmeldungen
Alternativ oder zusätzlich kann eine automatische Steuerung oder Benutzerführung im Hinblick auf die Erfassung der Spektraldaten auch unter Verwendung aller Techniken erfolgen, die in der am 25. Mai 2023 eingereichten deutschen Patentanmeldungen
Im Betrieb kann die Kamera 160 ein Bild einer Pflanze oder eines Pflanzenteils erfassen. Das Auswertesystem 30 kann das Bild auswerten, ob die Pflanze und/oder welche Teile davon für eine Erfassung der Spektraldaten geeignet sind. Die Bestimmung der Geeignetheit kann unter Verwendung der in der am 25. Mai 2023 eingereichten deutschen Patentanmeldungen
Bei einer weiteren Ausgestaltung weist das System 10 die Vorrichtung 20 und das Auswertesystem 30 auf, die über ein Kommunikationsnetz oder eine andere Kommunikationsverbindung in Kommunikationsverbindung stehen können, wie unter Bezugnahme auf
Bei 171 wird bildbasiert eine Messempfehlung erzeugt, die angibt, wo Spektraldaten erfasst werden sollen. Dies kann wie in der deutschen Patentanmeldungen
Bei 172 erfolgt eine wellenlängenaufgelöste Erfassung wenigstens einer optischen Messgröße unter Verwendung der Vorrichtung 20.At 172, a wavelength-resolved detection of at least one optical measurement variable takes place using the
Bei 173 werden die bei 172 erfassten Spektraldaten analysiert. Hierzu wird wenigstens ein Attention-Mechanismus angewandt. Die Analyse der Spektraldaten kann wie hier bereits detailliert beschrieben erfolgen.At 173, the spectral data acquired at 172 are analyzed. At least one attention mechanism is used for this purpose. The analysis of the spectral data can be carried out as already described in detail here.
Nachfolgend werden verschiedene weitere Merkmale beschrieben, die optional eingesetzt werden können, um die bereits beschriebenen technischen Wirkungen zu unterstützen.Below, various additional features are described that can optionally be used to support the technical effects already described.
Augmentierung zum Vergrößern des Trainingsdatensatzes: Zur Vergrößerung der Trainingsdaten und zum Abdecken möglicher Variationen können die Trainingsspektren für das Training augmentiert werden.Augmentation to enlarge the training data set: To enlarge the training data and cover possible variations, the training spectra can be augmented for training.
Die Augmentierung kann dabei eine, mehrere oder alle der folgenden Modifikationen berücksichtigen oder verwenden:
- - Nachbilden von Variationen, die bei der Fertigung der spektralanalytischen Erfassungseinrichtung erwartbar sind. Hierzu gehört beispielsweise eine Verschiebung von Pixeln des Bildsensors zwischen unterschiedlichen Bildsensoren gleicher Auslegung, wobei die Verschiebung im Bereich von Nanometern oder Sub-Nanometern liegen kann. Die Pixelverschiebung führt zu Verschiebungen des erfassten Spektrums.
- - Nachbilden von erwartbaren Variationen der Lichtquelle (beispielsweise einer Degradierung über die Zeit oder einer temperaturabhängigen Variation von Intensität und spektraler Signatur)
- - Multiplikative und/oder additive Variationen von Amplituden
- - Verschiebung des Spektrums in Richtung kürzerer oder längerer Wellenlängen
- - Hinzufügen von Rauschen auf das Spektrum
- - Nachbilden von Variationen des Abstands zwischen Probe und Sensor
- - Nachbilden von Variationen des Abstands zwischen Probe und Lichtquelle
- - Punktuelles Glätten des Spektrums
- - Reproducing variations that are to be expected during the manufacture of the spectral analysis detection device. This includes, for example, a shift in pixels of the image sensor between different image sensors of the same design, whereby the shift can be in the range of nanometers or sub-nanometers. The pixel shift leads to shifts in the detected spectrum.
- - Reproducing expected variations of the light source (e.g. degradation over time or temperature-dependent variation of intensity and spectral signature)
- - Multiplicative and/or additive variations of amplitudes
- - Shift of the spectrum towards shorter or longer wavelengths
- - Adding noise to the spectrum
- - Simulating variations in the distance between sample and sensor
- - Simulating variations in the distance between sample and light source
- - Selective smoothing of the spectrum
Optimierung der Hyperparameter während des Trainings: Eine Optimierung von Hyperparametern des KI-Modells (beispielsweise einer Tiefe eines Encoders oder Decoders) und/oder des Trainingsverfahrens (beispielsweise einer Lernrate) ist vorteilhaft.Optimization of hyperparameters during training: Optimization of hyperparameters of the AI model (e.g., a depth of an encoder or decoder) and/or the training procedure (e.g., a learning rate) is beneficial.
Verwendung spezifischer Hardware in der Trainingsphase: Das Training ist rechenintensiv. Daher ist die Verwendung von geeigneter Hardware wie GPUs, TPUs, etc. vorteilhaft.Use of specific hardware in the training phase: Training is computationally intensive. Therefore, the use of suitable hardware such as GPUs, TPUs, etc. is advantageous.
Verwendung spezifischer Hardware in der Analysephase: Die Anwendung der trainierten Analyselogik kann mit spezieller Hardware signifikant beschleunigt werden. Beispielhaft hierfür sind GPUs oder spezielle integrierte Schaltungen, die für das Ausführen von neuronalen Netzen oder anderen ML-Modellen optimiert sind. Entsprechend ist es vorteilhaft, wenn die Auswerteschaltung 34 wenigstens eine derartige, für die Ausführung des KI-Modells oder der KI-Modelle besonders geeignete Hardwarekomponente aufweist.Use of specific hardware in the analysis phase: The application of the trained analysis logic can be significantly accelerated with special hardware. Examples of this are GPUs or special integrated circuits that are optimized for executing neural networks or other ML models. Accordingly, it is advantageous if the evaluation circuit 34 has at least one such hardware component that is particularly suitable for executing the AI model or models.
Verwendung der Verfahren, Auswertesysteme, Auswerteeinrichtungen und/oder Systeme für verschiedene Arten von Zustandsanalysen: Im Kontext von Ausführungsbeispielen wurde auf die Bestimmung von Nährstoffkonzentrationen durch Auswertung der Spektraldaten Bezug genommen, wobei die Spektraldaten an Pflanzenblättern erfasst werden. Die offenbarten Techniken sind für diese Anwendung besonders geeignet, da der Zusammenhang zwischen Spektraldaten und Nährstoffkonzentrationen insbesondere bei Mikronährstoffen komplex sein kann. Daher sind nicht-lineare Techniken, insbesondere unter Verwendung wenigstens eines Attention-Mechanismus, besonders geeignet.Use of the methods, evaluation systems, evaluation devices and/or systems for various types of condition analyses: In the context of embodiments, reference was made to the determination of nutrient concentrations by evaluating the spectral data, wherein the spectral data is recorded on plant leaves. The techniques disclosed are particularly suitable for this application, since the relationship between spectral data and nutrient concentrations can be complex, particularly in the case of micronutrients. Therefore, non-linear techniques, in particular using at least one attention mechanism, are particularly suitable.
Die offenbarten Techniken haben jedoch zahlreiche weitere Anwendungsmöglichkeiten, beispielsweise die Untersuchung von Nährstoffgehalt in Wasser oder andere Anwendungen der Analysetechnik. Auch in derartigen Anwendungen ist die Verwendung von KI-Modellen umfassend Transformer-basierten Architekturen möglich und sinnvoll, um komplexe Zusammenhänge zu erkennen.However, the disclosed techniques have numerous other possible applications, such as the investigation of nutrient content in water or other applications of analytical technology. Even in such applications, the use of AI models comprising transformer-based architectures is possible and useful in order to recognize complex relationships.
Weitere Anwendungen beinhalten weitere Zustandsanalysen an Pflanzen, Pflanzenteilen oder pflanzenartigen Organismen, die nachfolgend noch beschrieben werden.Further applications include further condition analyses of plants, plant parts or plant-like organisms, which are described below.
Abwandlung der Architektur der Analyselogik: Es wurden mehrere spezifische Beispiele für Architekturen mit wenigstens einem Attention-Mechanismus erläutert. Weitere Abwandlungen sind möglich, beispielsweise durch Variation der verschiedenen Modell-Hyper-Parameter (Anzahl der Attention-Blöcke, innere Dimension, Aktivierungsfunktion, etc.). Des Weiteren sind auch verschiedene Varianten der Implementierung der Attention-Mechanismen und/oder deren Approximation möglich, auf die der Fachmann beispielsweise aus der hier zitierten Fachliteratur weitere Information erhält.Modification of the architecture of the analysis logic: Several specific examples of architectures with at least one attention mechanism have been explained. Further modifications are possible, for example by varying the various model hyper-parameters (number of attention blocks, inner dimension, activation function, etc.). Furthermore, various variants of the implementation of the attention mechanisms and/or their approximation are also possible, for which the expert can obtain further information, for example from the specialist literature cited here.
Ausgabe (beispielsweise Visualisierung) von Unsicherheiten: Neben der Spektrum-basierten Zustandsanalyse, beispielsweise zur Ermittlung der Nährstoffkonzentration, kann auch eine (Un)Sicherheit der Analyse bestimmt und verwendet werden. Die Unsicherheiten können auf verschiedene Weisen bestimmt und als qualitative oder quantitative Unsicherheitsmaße ausgegeben werden. Beispielsweise können die Unsicherheiten basierend auf Ausgangswerten von Klassifikatoren, basierend auf beim Trainieren ermittelten Unsicherheiten, basierend auf einer Streuung von Ergebnissen der Spektraldaten mit mehreren trainierten Maschinenlernmodellen, basierend auf einer Streuung der an unterschiedlichen Blättern oder unterschiedlichen Pflanzen Spektrum-basiert ermittelten Nährstoffkonzentrationen oder auf andere Weise ermittelt werden. Die Unsicherheiten können über eine Mensch-Maschine-Schnittstelle ausgegeben und/oder zur automatischen Ansteuerung der spektralanalytischen Erfassungseinrichtung verwendet werden.Output (e.g. visualization) of uncertainties: In addition to the spectrum-based state analysis, for example to determine the nutrient concentration, an (in)certainty of the analysis can also be determined and used. The uncertainties can be determined in various ways and output as qualitative or quantitative uncertainty measures. For example, the uncertainties can be determined based on initial values of classifiers, based on uncertainties determined during training, based on a scatter of results of the spectral data with several trained machine learning models, based on a scatter of the nutrient concentrations determined spectrum-based on different leaves or different plants, or in another way. The uncertainties can be output via a human-machine interface and/or used to automatically control the spectral analytical acquisition device.
Die Ergebnisse der Spektrum-basierten Zustandsanalyse können basierend auf der damit verbundenen Konfidenz oder Unsicherheit gefiltert oder gewichtet werden. Beispielsweise können nur diejenigen Ergebnisse weiterverwendet werden (beispielsweise zur Visualisierung), deren Konfidenz über einer Schwelle liegt. Es können auch nur die k sichersten Ergebnisse ausgegeben werden. Die Schwelle oder die Zahl k können benutzerdefiniert festlegbar sein.The results of the spectrum-based state analysis can be filtered or weighted based on the associated confidence or uncertainty. For example, only those results whose confidence is above a threshold can be used further (for example for visualization). Only the k most certain results can also be output. The threshold or the number k can be user-defined.
Ausgestaltung und Halterung der Vorrichtung 20: Die Vorrichtung 20 kann als portable, insbesondere als manuell haltbare Vorrichtung 20 ausgestaltet sein.Design and mounting of the device 20: The
Eine Relativbewegung zwischen der Vorrichtung 20 und zu untersuchendem Material (Eukaryoten oder Lebensmittelerzeugnissen) kann auch dadurch erreicht werden, dass das zu untersuchende Material durch einen Förderer oder eine andere Einrichtung relativ zur Vorrichtung 20 bewegt wird. Die Vorrichtung 20 und insbesondere die spektralanalytische Erfassungseinrichtung kann dabei ortsfest montiert sein.A relative movement between the
Bei noch einer weiteren Ausgestaltung kann die Vorrichtung 20 als stationäres System ausgestaltet sein. Die Vorrichtung 20 kann mit einer ortsfesten Halterung in Nähe eines Förderers montiert sein, auf dem Pflanzen oder andere Eukaryoten oder Lebensmittelerzeugnisse an der Vorrichtung 20 vorbeitransportiert werden.In yet another embodiment, the
Anwendungsgebiete: Die offenbarten Vorrichtungen, Auswerteeinrichtungen und Auswertesystem, Systeme und Verfahren können für unterschiedliche Anwendungen eingesetzt werden. Insbesondere können die Vorrichtungen, Auswerteeinrichtungen und Auswertesystem, Systeme und Verfahren an Nutz- oder Kulturpflanzen zum Einsatz kommen. Die Pflanzen, an denen die Techniken eingesetzt werden können, können insbesondere auch Pflanzen der Forsttechnik (beispielsweise Bäume), Hybride und/oder genetisch veränderte Pflanzen aufweisen.Areas of application: The disclosed devices, evaluation devices and evaluation systems, systems and methods can be used for different applications. In particular, the devices, evaluation devices and evaluation systems, systems and methods can be used on crops or cultivated plants. The plants on which the techniques can be used can in particular also include forestry plants (for example trees), hybrids and/or genetically modified plants.
Beispiele für derartige Pflanzen können sein:
- • Nutzpflanzen
- • Futterpflanzen
- • Faserpflanzen
- • Ölpflanzen
- • Zierpflanzen
- • Industriekulturpflanzen, wie beispielsweise
- ◯ Ölsaaten
- ◯ Tabak
- ◯ Hanf
- ◯ Hopfen
- ◯ aromatische, kulinarische und medizinische Pflanzen
- ◯ Saatgut für krautige Ölpflanzen
- ◯ Samen für Leinsamen (und folglich Faserflachs)
- ◯ Energiepflanzen
- ◯ Pflanzen, die für die Erzeugung von Ausgangsstoffen zur Energieerzeugung erneuerbarer Energie verwendet werden
- • Crops
- • fodder plants
- • Fiber plants
- • Oil plants
- • Ornamental plants
- • Industrial crops, such as
- ◯ Oilseeds
- ◯ tobacco
- ◯ Hemp
- ◯ Hops
- ◯ aromatic, culinary and medicinal plants
- ◯ Seeds for herbaceous oil plants
- ◯ Seeds for linseed (and consequently fiber flax)
- ◯ Energy crops
- ◯ Plants used to produce raw materials for the production of renewable energy
Die Analyse der Spektraldaten kann insbesondere die qualitative und/oder quantitative Ermittlung von Nährstoffkonzentrationen aufweisen, ist jedoch nicht darauf beschränkt. Beispielsweise kann die Zustandsanalyse Analysen im Hinblick auf eine, mehrere oder alle der folgenden Pflanzenzustände aufweisen:
- - Nährstoffversorgungsprobleme, beispielsweise
- o Nährstoffmangel
- o Toxizität
- - biotischer Stress, beispielsweise aufgrund von
- o Nematoden
- o Insekten
- o Spinnentieren
- o Pilzen
- o Bakterien
- o Viren
- - abiotischer Stress, beispielsweise aufgrund von
- o Dürre
- o Übermäßiger Wasserzufuhr und/oder Staunässe
- o Salzgehalt
- o temperaturbedingtem Stress (Kälte, Frost, Hitze)
- o UV-Licht
- o Metalltoxizität
- o mechanischer Belastung (z. B. Druck, Quetschen, Pressen).
- - Nutrient supply problems, for example
- o nutrient deficiency
- o Toxicity
- - biotic stress, for example due to
- o Nematodes
- o insects
- o arachnids
- o mushrooms
- o Bacteria
- o viruses
- - abiotic stress, for example due to
- o drought
- o Excessive water supply and/or waterlogging
- o salinity
- o temperature-related stress (cold, frost, heat)
- o UV light
- o Metal toxicity
- o mechanical stress (e.g. pressure, squeezing, pressing).
Das Ergebnis der Auswertung der Spektraldaten kann verwendet werden, um Bedingungen für die Pflanzen zu verbessern. Dies kann durch eine automatische oder teilautomatische Anpassung von künstlich zugeführten Stoffen (wie zugelassenen Düngemitteln oder zugelassenen Insektiziden) und künstlich zugeführtem Wasser erfolgen. Zahlreiche andere Anwendungen sind möglich, beispielsweise zur Überwachung der Gesundheit von Pflanzen im Hinblick auf umwelttechnische, auch regulatorische, Fragestellungen.The result of the evaluation of the spectral data can be used to improve conditions for the plants. This can be done by automatically or semi-automatically adjusting artificially added substances (such as approved fertilizers or approved insecticides) and artificially added water. Numerous other applications are possible, for example for monitoring the health of plants with regard to environmental and regulatory issues.
Weitere Anwendungsgebiete: Auch wenn Ausführungsbeispiele im Kontext einer Zustandsanalyse von Pflanzen beschrieben wurden, können die Vorrichtungen, Auswerteeinrichtungen und Auswertesysteme und Verfahren auch anderweitig eingesetzt werden, beispielsweise zur Spektrum-basierten Analyse eines Agrarprodukts.Further areas of application: Even if embodiments have been described in the context of a condition analysis of plants, the devices, evaluation devices and evaluation systems and methods can also be used elsewhere, for example for spectrum-based analysis of an agricultural product.
Bei 201 erfolgt eine Erfassung und Auswertung von Spektraldaten an einer Pflanze oder einem anderen Eukaryoten. Die Auswertung weist die Verwendung wenigstens eines Attention-Mechanismus auf.In 201, spectral data from a plant or another eukaryote are collected and evaluated. The evaluation involves the use of at least one attention mechanism.
Bei 202 wird ein Ergebnis der Auswertung verwendet, um Maßnahmen zu bestimmen, um Bedingungen für die Pflanzen zu verbessern. Die Maßnahmen können anschließend zur Verbesserung der Bedingungen umgesetzt werden.At 202, a result of the evaluation is used to determine measures to improve conditions for the plants. The measures can then be implemented to improve the conditions.
Die offenbarten Verfahren, Vorrichtungen, Auswerteeinrichtungen, Auswertesysteme und Systeme stellen verschiedene technische Wirkungen bereit. Insbesondere bieten sie Verbesserungen im Hinblick auf die Erkennung komplexer nicht-linearer Zusammenhänge anhand von Spektraldaten, beispielsweise zur Zustandsanalyse von Pflanzen. Die Verfahren, Vorrichtungen und Systeme können verwendet werden, um eine Auswertung von Spektraldaten an Nutz- oder Kulturpflanzen zu verbessern.The disclosed methods, devices, evaluation devices, evaluation systems and systems provide various technical effects. In particular, they offer improvements with regard to the recognition of complex non-linear relationships based on spectral data, for example for analyzing the condition of plants. The methods, devices and systems can be used to improve an evaluation of spectral data on crops or cultivated plants.
Im Vergleich zu Techniken, bei denen Pflanzenteile zunächst abgetrennt, dann an ein Labor gesandt und dort labortechnisch untersucht werden müssen, bieten die hier offenbarten Techniken den Vorteil, dass die Auswertung rasch erfolgen kann, beispielsweise während der Nutzer mit der Vorrichtung 20 noch vor Ort an der Pflanze ist.Compared to techniques in which plant parts must first be separated, then sent to a laboratory and examined there, the techniques disclosed here offer the advantage that the evaluation can be carried out quickly, for example while the user with the
Ausführungsbeispiele der Erfindung können insbesondere im Zusammenhang mit Pflanzenanbau in der Agrarwirtschaft eingesetzt werden, der ein zentraler Wirtschafts- bzw. Industriezweig der Menschheit ist. Globale Trends wie etwa die steigende Bevölkerung bei gleichzeitig sinkender Verfügbarkeit landwirtschaftlicher Nutzflächen führen zu einem stetig wachsenden Bedarf an Anbauerträgen pro Fläche. Gleichzeitig führt die nicht-nachhaltige Ausbeutung von Böden zu einem erhöhten Bedarf an zielgenauer Düngung, um bisherige Erträge zu erhalten oder sogar noch zu steigern. Darüber hinaus sorgt ein wachsendes Bewusstsein für nachhaltiges Wirtschaften sowie ein steigender Regulierungsdruck für neue Anforderungen an passgenaue Düngegaben, um insbesondere eine Überdüngung zu vermeiden.Embodiments of the invention can be used in particular in connection with plant cultivation in agriculture, which is a central economic or industrial sector of humanity. Global trends such as the increasing population and simultaneously decreasing Availability of agricultural land leads to a constantly growing need for crop yields per area. At the same time, the unsustainable exploitation of soils leads to an increased need for targeted fertilization in order to maintain or even increase previous yields. In addition, a growing awareness of sustainable management and increasing regulatory pressure are creating new requirements for precisely tailored fertilization, in particular to avoid over-fertilization.
Von besonderer Relevanz für das Wachstum jeder Kulturpflanze ist die geeignete Versorgung mit Stickstoff (N), da dies das wichtigste Element des Chlorophylls ist und somit essenziell für einen optimalen Metabolismus ist. Neben N sind auch andere Makronährstoffe relevant, beispielsweise Phosphor (P) und Kalium (K), welche zusammen mit N häufig als sogenannter NPK-Dünger den Böden zugeführt werden können, sowie Kalzium (Ca), Magnesium (Mg) und Schwefel (S). Mg ist das ZentralElement im Chlorophyll-Ring.Of particular importance for the growth of every crop is the appropriate supply of nitrogen (N), as this is the most important element of chlorophyll and is therefore essential for optimal metabolism. In addition to N, other macronutrients are also relevant, such as phosphorus (P) and potassium (K), which can often be added to the soil together with N as so-called NPK fertilizers, as well as calcium (Ca), magnesium (Mg) and sulfur (S). Mg is the central element in the chlorophyll ring.
Zusätzlich können, möglicherweise abhängig vom Pflanzentyp, auch weitere Nährstoffe für ein optimales Wachstum und einen optimalen Ertrag relevant sein, welche jedoch oft in deutlich kleineren Mengen benötigt werden und daher auch als Mikronährstoffe bezeichnet werden. Hierzu gehörten beispielsweise Bor (B), Molybdän (Mo), Kupfer (Cu), Mangan (Mn), Zink (Zn), Eisen (Fe) und Chlor (CI).In addition, possibly depending on the plant type, other nutrients may also be relevant for optimal growth and yield, but these are often required in much smaller quantities and are therefore also referred to as micronutrients. These include, for example, boron (B), molybdenum (Mo), copper (Cu), manganese (Mn), zinc (Zn), iron (Fe) and chlorine (Cl).
Ausführungsbeispiele der Erfindung können dazu beitragen, dass während der gesamten Wachstumsphase einer Pflanze optimale Konditionen im Hinblick auf die Nährstoffversorgung hergestellt werden. Nur so kann auf Nährstoffmangel oder Nährstoffüberversorgung geeignet durch angepasste Düngergaben reagiert werden (durch ein bestimmtes Fertigationsprogramm im Substrat oder Bodenwachstum bzw. als zusätzlicher Boden- und/oder Blattdüngung). Ausführungsbeispiele der Erfindung erlauben die regelmäßige Überwachung von Pflanzen. Im Vergleich zur labortechnischen Blattanalyse kann die Zustandsanalyse rasch erfolgen. Dies ist insbesondere für schnellwachsende Pflanzen und Pflanzarten mit schnellen Fruchtreifen (beispielsweise Erdbeeren und Salat) wünschenswert. Ausführungsbeispiele der Erfindung adressieren somit auch die Zielsetzung, dass zwischen Messung und Vorliegen des Auswertungsergebnisses nicht mehrere Tage liegen sollten, da andernfalls das Messergebnis schon wieder ungültig ist und keine sinnvolle Justierung der Nährstoffgabe zulässt. Die rasche Auswertung ist außerdem auch wünschenswert, wenn sich die Umgebungsfaktoren schnell ändern (Beispiel: Temperatur, Niederschlag etc.), da sonst der Zustand zwischen der Messung und dem Analysezeitpunkt sich stark ändern würde. Die rasche Auswertung ist außerdem im Hydrokulturanbau vorteilhaft, wo eine schnelle Anpassung von ausgebrachten Düngemittel ermöglicht wird.Embodiments of the invention can help to ensure that optimal conditions are created with regard to the supply of nutrients throughout the entire growth phase of a plant. This is the only way to react appropriately to nutrient deficiencies or nutrient oversupply by applying appropriate fertilizers (through a specific fertigation program in the substrate or soil growth or as additional soil and/or leaf fertilization). Embodiments of the invention allow plants to be monitored regularly. Compared to laboratory leaf analysis, the condition analysis can be carried out quickly. This is particularly desirable for fast-growing plants and plant species with rapid fruit ripening (for example strawberries and lettuce). Embodiments of the invention therefore also address the objective that there should not be several days between the measurement and the availability of the evaluation result, as otherwise the measurement result is invalid again and does not allow for any meaningful adjustment of the nutrient supply. Rapid evaluation is also desirable when the environmental factors change quickly (for example: temperature, precipitation, etc.), as otherwise the condition would change significantly between the measurement and the time of analysis. The rapid evaluation is also advantageous in hydroponic cultivation, where rapid adjustment of applied fertilizers is possible.
Ausführungsbeispiele der Erfindung ermöglichen eine Datenerfassung der Spektraldaten am vorgesehenen Anwendungsort, ohne dass physische Proben übermittelt werden müssen. Ausführungsbeispiele der Erfindung können somit dazu dienen, eine zerstörungsfreie, automatisierte und gleichzeitig rasch (nahezu in Echtzeit) arbeitende Lösung zur Erkennung von Mangel und/oder Überversorgung mehrerer Nährstoffe in Pflanzen bereitzustellen.Embodiments of the invention enable data collection of the spectral data at the intended application site without the need to transmit physical samples. Embodiments of the invention can thus serve to provide a non-destructive, automated and at the same time rapid (almost real-time) solution for detecting deficiencies and/or oversupply of several nutrients in plants.
Während Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Figuren beschrieben wurden, können Abwandlungen bei weiteren Ausführungsbeispielen realisiert werden. Beispielsweise können die bereits erläuterten Abwandlungen kumulativ oder alternativ eingesetzt werden. Die Auswerteeinrichtung 30 muss nicht zwangsläufig separat von der Vorrichtung 20 vorgesehen sein, sondern kann auch strukturell mit dieser verbunden oder in die Vorrichtung 20 integriert sein.While embodiments have been described with reference to the figures, modifications can be implemented in further embodiments. For example, the modifications already explained can be used cumulatively or alternatively. The
Während Ausführungsbeispiele beschrieben wurden, die bei Nutz- oder Kulturpflanzen eingesetzt werden können, können die offenbarten Techniken auch in anderen Anwendungsgebieten eingesetzt werden.While embodiments have been described that can be used with crops, the disclosed techniques can also be used in other applications.
Die vorliegende Offenbarung umfasst auch Ausführungsformen mit jeglicher Kombination von Merkmalen, die zu verschiedenen Ausführungsformen genannt oder gezeigt sind. Sie umfasst ebenfalls einzelne Merkmale in den Figuren, auch wenn sie dort im Zusammenhang mit anderen Merkmalen gezeigt sind und/oder vorstehend oder nachfolgend nicht genannt sind. Auch können die in den Figuren und der Beschreibung beschriebenen Alternativen von Ausführungsformen und einzelne Alternativen deren Merkmale vom Erfindungsgegenstand beziehungsweise von den offenbarten Gegenständen ausgeschlossen sein.The present disclosure also includes embodiments with any combination of features that are mentioned or shown for different embodiments. It also includes individual features in the figures, even if they are shown there in connection with other features and/or are not mentioned above or below. The alternatives of embodiments described in the figures and the description and individual alternatives of their features can also be excluded from the subject matter of the invention or from the disclosed subject matters.
Die Ausdrücke „umfassen“ sowie „aufweisen“ und Ableitungen davon zeigen eine nichtabschließende Beziehung an und schließen das Vorhandensein anderer Elemente oder Schritte nicht aus. Der unbestimmte Artikel „ein“ bzw. „eine“ und Ableitungen davon schließt nicht aus, dass eine Mehrzahl der entsprechenden Elemente vorhanden ist. Die Funktionen mehrerer in den Ansprüchen aufgeführter Merkmale können durch eine Einheit beziehungsweise einen Schritt erfüllt sein.The terms "comprising" and "having" and derivatives thereof indicate a non-exhaustive relationship and do not exclude the presence of other elements or steps. The indefinite article "a" or "an" and derivatives thereof do not exclude the presence of a plurality of the corresponding elements. The functions of several features listed in the claims can be fulfilled by one unit or one step.
Ein maschinenlesbarer Befehlscode, der zur Ausführung von Verfahren nach Ausführungsbeispielen von einer programmierbaren Schaltung ausgeführt werden kann, kann auf einem geeigneten Medium gespeichert sein und/oder vertrieben werden, wie beispielsweise auf einem optischen Speichermedium oder einem Festmedium, das zusammen mit oder als Teil von anderer Hardware bereitgestellt wird. Der Befehlscode kann auch in anderer Form vertrieben werden, wie beispielsweise in Form einer modulierten Datensignalfolge.A machine-readable instruction code that can be executed by a programmable circuit to carry out methods according to embodiments can be stored on a suitable medium, such as an optical storage medium or a solid-state medium provided with or as part of other hardware. The instruction code may also be distributed in other forms, such as a modulated data signal sequence.
Ausführungsbeispiele der Erfindung stellen verbesserte Techniken zur Auswertung von Spektraldaten bereit und sind insbesondere zur Zustandsanalyse von Pflanzen anwendbar.Embodiments of the invention provide improved techniques for evaluating spectral data and are particularly applicable to the condition analysis of plants.
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Also Published As
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