شماره مدرك
19402
شماره راهنما
2195 دكتري
پديد آورنده
قادري، مهدي
عنوان
نطفهسنجي و ارزيابي زودهنگام رشد جنين تخممرغ با استفاده از تصويربرداري ابرطيفي مرئي - فروسرخ نزديك
مقطع تحصيلي
دكتري
گرايش تحصيلي
طراحي و ساخت
محل تحصيل
اصفهان : دانشگاه صنعتي اصفهان
سال دفاع
1402
صفحه شمار
98ص.: مصور
توصيفگر ها
جوجهكشي , مرغ نژاد هايلان , پيشپردازش , تحليل پردازش , شبكههاي عصبي مصنوعي , فرآيند انكوباسيون
تاريخ ورود اطلاعات
1403/02/11
كتابنامه
كتابنامه
رشته تحصيلي
مكانيك بيوسيستم
دانشكده
مهندسي كشاورزي
تاريخ ويرايش اطلاعات
1403/02/12
كد ايرانداك
23008186
چكيده فارسي
يكي از مهمترين مشكلات مرغداري، وجود تخممرغهاي بدون نطفه و با جنين مرده در دستگاه انكوباسيون است. وجود اين تخممرغها علاوه بر اشغال فضاي دستگاه و كاهش راندمان جوجهكشي، باعث آلودهشدن ساير تخممرغها نيز ميشود. بنابراين، توسعه يك سامانه غيرمخرب براي تشخيص تخممرغهاي نطفهدار ترجيحاً قبل از شروع فرآيند انكوباسيون و حتي در روزهاي اول آن ميتواند گام مؤثري در افزايش راندمان جوجهكشي و جلوگيري از هدررفت ميليونها تخممرغ بدون نطفهاي داشته باشد كه حتي در صورت تشخيص زودهنگام، ميتوانند به مصرف خوراكي برسند. تاكنون، روشهاي مختلفي براي تشخيص تخممرغهاي بدون نطفه و داراي جنين مرده توسعه يافته است. در اين مطالعه، امكان استفاده از روش تصويربرداري ابرطيفي براي تشخيص زودهنگام تخممرغهاي بارور در قبل (روز صفر) و بعد از شروع انكوباسيون بررسي شد. بدين منظور، يك محفظه تصويربرداري به همراه منابع نور مؤثر طراحي و ساخته شد كه در آن به كمك يك دوربين ابرطيفي در محدوده طيفي 400-1000 نانومتر، تصاوير ابرطيفي تخممرغها قبل و حين فرآيند انكوباسيون تهيه شد. براي تهيه تخممرغهاي نطفهدار و بدون نطفه يكسان از نظر سن مرغ، تغذيه و مديريت نگهداري، تعداد 60 قطعه مرغ و 4 قطعه خروس نژاد هايلاين خريداري و در مزرعه دانشگاه صنعتي اصفهان نگهداري شد. مرغها به دو زيرگله شامل 30 مرغ بدون خروس و 30 مرغ به همراه 4 خروس براي تهيه تخممرغهاي به ترتيب بدون نطفه و داراي شانس نطفهداري تقسيم شدند. نمونهها روزانه جمعآوري و تصاوير ابرطيفي آنها پس از اندازهگيري مشخصههاي فيزيكي، جمعآوري شد. سپس در حداقل زمان ممكن، نمونهها وارد دستگاه انكوباسيون شده و تصاوير ابرطيفي آنها در روزهاي اول، دوم، سوم و چهارم تهيه شد. از دو روش تحليل دادههاي تصاوير ابرطيفي شامل تحليلهاي طيفي و مكاني پيكسل-مبنا براي نطفهسنجي در قبل و بعد از فرآيند انكوباسيون و همچنين تشخيص روند رشد جنين استفاده شد. در تحليلهاي طيفي، ابتدا پسزمينه حذف و دادههاي طيفي متعلق به كل ناحيه تخممرغ استخراج شد. از اين دادهها ميانگينگيري و از طيف ميانگين پيشپردازش شده با روشهاي مختلف به عنوان ورودي به مدلهاي مختلف طبقهبند شامل روشهاي مدلسازي نرم و مستقل شباهتهاي بين كلاسي (SIMCA)، تحليلهاي جداسازي خطي (LDA) و درجه دو (QDA) و شبكههاي عصبي مصنوعي (ANN) استفاده شد. در تحليلهاي مكاني، از اطلاعات طيفي تعداد 400 نقطه تصادفي در تصاوير ابرطيفي هر نمونه، به عنوان ورودي به مدلهاي ANN و يادگيري عميق بكارگرفته شد. پس از اطمينان از عملكرد مدلهاي طبقهبند، اين مدلها بر روي تصاوير ابرطيفي دسته آزمون اعمال و تصاوير سودوكالر مربوط به آزمايشات نطفهسنجي و رشد جنين استخراج شدند. نتايج تحليلهاي طيفي روز صفر نشان داد در استفاده از روش SIMCA، بهترين صحت طبقهبندي (67/86 درصد) با پيشپردازشهاي مشتق اول و دوم بدست آمد. با بررسي نمودار قدرت تفكيك، طولموجهايي كه بيشترين تأثير بر تفكيك دو كلاس را داشتند، استخراج شدند. سپس، تفاوتهاي طيفي بين دو جفت طولموج انتخاب شده براي شبيهسازي عمليات مشتق اول بكار گرفته و از آنها به عنوان ورودي به مدل ANN استفاده شد. اين مدل توانست با صحت 33/93 درصد، تخممرغهاي نطفهدار و بدون نطفه روز صفر را جدا كند. در تشخيص روند رشد جنين با استفاده از تحليلهاي طيفي نيز، مدل ANN با پيشپردازش مشتق اول توانست با صحتهاي 10/96، 10/96، 81/94 و40/97 درصد، رشد جنين به ترتيب در روزهاي اول، دوم، سوم و چهارم را تشخيص دهد. در تحليلهاي مكاني پيكسل-مبنا، بهترين نتيجه در آزمايش نطفهسنجي روز صفر با پيشپردازش مشتق اول و روش مدلسازي ANN بدست آمد (صحت 83/95 درصد در مرحله آزمون). در مقايسه با بهترين مدل بدست آمده در تحليلهاي طيفي، تحليل مكاني پيكسل-مبنا توانست 5/2 درصد صحت را افزايش دهد. در تحليلهاي مكاني پيكسل-مبنا براي تشخيص روند رشد جنين، مدل ANN توانست با صحتهاي 08/96، 20/90، 20/90 و 08/96 درصد، رشد جنين در روزهاي اول، دوم، سوم و چهارم را تشخيص دهد. در مقايسه با تحليلهاي طيفي، نتايج تحليلهاي مكاني تشخيص جنين كمي ضعيفتر عمل كرد.
چكيده انگليسي
The presence of infertile eggs and eggs with dead embryos in the incubator is one of the main problems in the hatchery. The existence of these eggs, in addition to occupying the space of the incubator, reduces hatching efficiency and causes contamination of the incubator and other eggs. Therefore, developing a non-destructive system to detect fertilized eggs, preferably before the start of the incubation process or day 0, can be an effective step in increasing the efficiency of the chicken industry and preventing the wastage of millions of infertile eggs, which can be consumed by humans if detected early. Until now, various methods have been developed to detect unfertilized eggs and dead embryos. In this thesis, the feasibility of using the hyperspectral imaging method for early detection of fertile eggs before (day 0) and after the start of incubation was investigated. For this purpose, an imaging chamber with effective light sources was designed and developed. Using a hyperspectral camera in the spectral range of 400–1000 nm, hyperspectral images of eggs were acquired before and during the incubation process. To prepare fertilized and unfertilized eggs with similar conditions in terms of hen’s age, standard diet, and maintenance management, 60 Leghorn laying breeder hens (Hy-Line W-36) and 4 roosters were purchased and kept in the farm of Isfahan University of Technology. The hens were randomly distributed into two sub-flocks: 30 hens without roosters and 30 hens with 4 roosters to prepare unfertilized and fertilizing eggs, respectively. Daily, samples were collected, and their hyperspectral images were acquired after measuring the physical characteristics. Subsequently, the samples were promptly entered into the incubation device, and their hyperspectral images were captured on the first, second, third, and fourth days. Two methods of hyperspectral image data analysis, including spectral and pixel-based spatial analysis, were used for egg fertility measurement before and after the incubation process, as well as for the diagnosis of embryo development. In the spectral analysis, the background was first removed, and the spectral data belonging to the entire egg area (ROI) were extracted. The average spectrum of ROI was then calculated and preprocessed using various methods. This preprocessed data served as input for different classification methods, including soft independent modeling of class analogy (SIMCA), linear discriminant analysis (LDA), quadratic discriminant analysis (QDA), and artificial neural networks (ANN). In spatial analysis, the spectral information of 400 random points in hyperspectral images of each sample was used as input for ANN and deep learning methods. After confirming the performance of the classification models, these models were applied to the hyperspectral images of the test sample sets, and color images related to fertility and embryo development were extracted. The results of spectral analysis on day 0 showed that using the SIMCA method, the best classification accuracy (86.67%) was obtained with first and second derivative pre-processing. By examining the discrimination power plot, the wavelengths that had the greatest effect on the separation of the two classes were extracted. The spectral differences between the two pairs of selected wavelengths were used to simulate the first derivative pretreatment and were used as input to the ANN model. This model was able to separate fertilized and unfertilized eggs on day 0 with 93.33% accuracy. In diagnosing the process of embryo development using spectral analysis, the ANN model with first derivative preprocessing was able to detect embryo development on the first, second, third, and fourth days with accuracies of 96.10%, 96.10%, 94.81%, and 97.40%, respectively. In pixel-based spatial analysis, the best result in fertility detection on day 0 was obtained with first derivative preprocessing and the ANN method (95.83% accuracy in the test step).
استاد راهنما
احمد ميره اي , امين اله معصومي
استاد مشاور
محمد صدقي
استاد داور
مرتضي صادقي , سعيد انصاري مهياري , كاوه ملازاده