I n d on e s ian   Jou r n al   o f   E lec t r ica l   E n gin e e r in a n d   Com p u t e r   S c ience   Vo l .   25 ,   N o .   1 J a n ua r y   2022 ,   pp.   317 ~ 328   I S S N:  2502 - 4752,   DO I 10 . 11591/i j e e c s . v 25 .i 1 . pp 317 - 328             317       Jou r n al  h o m e page ht tp: // ij e e c s . iaes c or e . c om   D ig ital i m age  p r oc e ssi n m e t h od s f or  e st im at i n g l e af  ar e of   c u c u m b e r  p la n t s       Uoc   Qu an Ngo 1 , 2 ,   D u on T r Ngo 1 ,   Hoc  T h ai   N gu ye n 1 ,   T h an h   Dang  B u i 2   1 F a c ul t y   of  E ngi n e e r in g, V i e tn a m Na ti o na U ni ve r s it y   of  A gr i c ul tu r e H a n o i,  V i e tn a m   2 I ns ti tu t e   f o r  C o nt r o E n gi n e e r in g a nd A ut o ma ti o n,  H a noi  U ni ve r s it y   of  S c i e n c e  a nd  T e c hn o l o g y H a n o i,  V i e tn a m       Ar t ic l e   I n f o     AB S T RA CT   A r ti c le  h is tor y :   R e c e i ve A ug   3 2021   R e vi s e Oc t   29 2021   A c c e pt e N o v   27 2021       I n c r e as i n g l y   eme r g i n g   t ech n o l o g i e s   i n   a g ri cu l t u r e   s u ch   as   c o m p u t e v i s i o n ,   art i fi ci al   i n t el l i g en ce  t ech n o l o g y ,   n o t   o n l y   m ak e   i t   p o s s i b l e   t o   i n c r e as p ro d u c t i o n .   T o   m i n i mi z e   t h n eg at i v e   i m p ac t   o n   c l i m at an d   t h e n v i r o n men t   b u t   al s o   t o   c o n s e rv e   r e s o u r ce s .   A   k ey   t as k   o t h e s e   t ec h n o l o g i e s   i s   t o   m o n i t o t h e   g r o w t h   o p l a n t s   o n l i n e   w i t h   h i g h   acc u ra cy   rat e   an d   i n   n o n - d e s t ru c t i v e   m an n e rs .   I t   i s   k n o w n   t h at   l e af  ar e (L A i s   o n e   o t h e   m o s t   i m p o rt an t   g ro w t h   i n d e x e s   i n   p l an t   g r o w t h   mo n i t o ri n g   s y s t e m .   U n f o rt u n at e l y ,   t o   e s t i m at t h e   L A   i n   n at u ral   o u t d o o s ce n e s   (t h p re s e n ce  o f   o ccl u s i o n   o r   o v e rl ap   ar e a)  w i t h   a   h i g h   a cc u ra cy   rat e   i s   n o t   e as y   a n d   i t   s t i l l   r em ai n s   b i g   c h a l l en g e   i n   ec o - p h y s i o l o g i c a l   s t u d i e s .   I n   t h i s   p ap e r,   t w o   a cc u rat e   an d   n o n - d e s t ru c t i v e   ap p ro a c h e s   fo e s t i m at i n g   t h e   L A   w e r e   p ro p o s e d   w i t h   t o p - v i ew   an d   s i d e - v i e w   i m a g e s ,   re s p ec t i v e l y .   T h e   p ro p o s ed   ap p ro ach e s   s u cce s s fu l l y   e x t rac t   t h e   s k e l e t o n   o cu c u m b e p l an t s   i n   red ,   g r een ,   an d   b l u e   ( RG B )   i m ag e s   an d   e s t i m at e   t h e   L A   o c u cu m b e p l an t s   w i t h   h i g h   p re ci s i o n .   T h re s u l t s   w e r e   v a l i d at ed   b y   c o m p ari n g   w i t h   m an u al   me as u r eme n t s .   T h e x p e ri men t al   r e s u l t s   o o u p ro p o s e d   al g o r i t h m s   a c h i e v 9 7 . 6 4 %   ac cu ra cy   i n   l e af   s eg me n t at i o n ,   a n d   t h r e l at i v e   e rro r   i n   L A   e s t i m at i o n   v ar i e s   fro m   3 . 7 6 %   t o   1 3 . 0 0 % ,   w h i c h   c o u l d   mee t   t h e   r e q u i r emen t s   o p l an t   g ro w t h   mo n i t o ri n g   s y s t em s .   K e y w o r d s :   C uc u m be r   I m a ge   pr o c e s s i n   L e a f   a r e a   e s t i m a t i o n   L e a f   s e g m e n t a t i o n     Th i s   i s   a n   o p en   a c ces s   a r t i c l u n d e r   t h CC  B Y - SA   l i cen s e.     C or r e s pon din A u th or :   Uo c   Qua n Ngo   F a c u l t y   o f   E n g i ne e r i ng ,   V i e t n a m   Na t i o n a l   U ni ve r s i t y   o f   A gr i c u l t ur e   Ngo   Xua n   Qua n R o a d,   T r a Quy   T o wn s hi p,   Ha no i ,   V i e t n a m   E m a i l n quo c @ vn ua . e du. vn       1.   I NT RODU C T I ON   M o de r n   a gr i c u l t ur e   w i t hi g h   t e c hn o l o g y   h a s   b e e n   p l a y e a   c r uc i a l   r o l e   i f e e d i ng  t h e   gr o wi ng   po pul a t i o n   [ 1] .   B y   e f f i c i e n t l y   ut i li z i ng  t h e   l im i t e d   r e s o u r c e s ,   us i n m o de r n   t e c hn o l o g i e s   i n   f a r m i ng,   f a r m e r s   i m o de r n   a gr i c u l t ur e   e nh a n c e   b o t h   qua n t i t y   a nd  qua l i t y   o f   a gr i c u l t ur a l   pr o duc t s   [ 2 ] - [ 4] .   P l a n t   gr o w t h   m o ni t o r i n g   b a s e d   o n   m a c hi ne   vi s i o i s   o n e   o f   s uc h   m o d e r t e c hn o l o g i e s   [ 5] .   T hi s   m o ni t o r i n a ppr o a c us i ng   d i g i t a l   c a m e r a s   a n s u i t a bl e   s e n s o r s   f o r   i m a ge   a c q u i s i t i o n .   T h e   gr o wt h   a n a ly s i s   o f   p l a n t   phe n o t y pe s   in   a   n o n - de s t r uc t i v e   m a nn e r   i s   c o n duc t e a ut o m a t i c a ll y   [ 6 ] - [ 8] .   Ho we v e r ,   s o m e   p l a n t   f e a t ur e s ,   s uc h   a s   s t e m   d i a m e t e r ,   l e a f   n u m be r ,   a n l e a f   a r e a   a r e   n o t   m e a s ur e e a s il y   by   s uc h   n o n - c o n t a c t   m e a s ur e m e n t   m e t h o ds   [ 9] .   T he r e f o r e ,   im pr o vi n t he   qua li t y   o f   p l a n t   f e a t ur e s   e s t i m a t i o n   i s   o n e   o f   t h e   pr i m a r y   c o nc e r ns   o f   pr e s e n t - da y   p l a n t   ma n a ge m e n t   [ 10 ] - [ 15 ] .   L e a f   i s   o n e   o f   t h e   m o s t   i m po r t a n t   ph oto s y n t h e t i c   o r ga n s   o f   a   p l a n t   [ 16] .   He n c e ,   l e a f   a r e a   i s   a im po r t a n t   f a c t o r   i n   m e a s ur i n t h e   gr o w t h   a n pr o duc t i vi t y   o f   p l a n t s .   C o n s e que n t l y ,   t h e   pr e c i s e   de t e r mi na t i o n   o f   l e a f   a r e a   i s   b a s i c   i m a ny   p l a n t   phy s i o l o g i c a l   s t ud i e s   [ 17 ] - [ 20] .   I n   f a c t ,   t h e   l e a f   a r e a   i s   t r a di t i o n a ll y   m e a s ur e by   r e gr e s s i o n   e qua t i o n   m e t h o ds   [ 21] ,   g r i c o un t i n m e t h o ds   [ 22] ,   g r a vi m e t r i c   m e t h o [ 23] ,   a n Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2502 - 4752   I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i ,   Vo l .   25 ,   N o .   1 J a n ua r y   20 22 317 - 328   318   s o m e   l e a f   a r e a   m e t e r s   ( p l a nim e t e r )   [ 24 ] [ 25] .   H owe v e r ,   m o s t   o f   t he s e   m e t h o ds   a r e   de s t r uc t i v e   ( t h e y   r e qu i r e   t h e   e x c i s i o o f   l e a v e s ,   w hi c h   m a y   da m a g e   t h e   gr owt h   o f   p l a n t s ) ,   a n pr o vi de   o f f - l i ne   pe r f o r m a n c e   a n a ly s i s .   T h o ugh   t h e s e   t r a di t i o n a l   m e t h o ds   ha v e   hi g h   a c c ur a c y ,   t h e y   r e qu i r e   e x p e n s i ve   e qu i p m e n t s   a nd  t i m e - c o n s u m i ng   e x pe r im e n t s .   F o r t un a t e l y ,   s o m e   n o n de s t r uc t i v e   m e t h o ds   f o r   L A   e s t i m a t i o n   [ 26 ] - [ 29]   h a v e   b e e b e i ng  de v e l o p e r a p i d ly   t o   m i n im i z e   t h e   d i s a d v a n t a ge s   o f   t h e s e   de s t r uc t i v e   m e t h o ds .   I t   i s   pr o v e t h a t   t h e   n o n de s t r uc t i v e   m e t h o ds   a c hi e v e   be tt e r   pe r f o r m a n c e s ,   s uc h   a s   f a s t e r ,   c h e a pe r ,   a n pr o vi de   r e a l - t i m e   e x pe r im e n t a l   a n a ly s i s   t h a n   t h e   de s t r uc t i ve   m e t h o ds .     No wa da y s ,   n o n de s t r uc t i ve   m e a s ur e m e n t   m e t h o ds   b a s e o n   d i g i t a l   im a g e   a na l y s i s   a r e   w i de ly   u s e i n   m a ny   gr o wt h   m o de l s .   T h e   a ut h o r s   i n   [ 27]   h a ve   f o c us e o n   m e a s ur i n c uc u m be r   p a r a m e t e r s   b a s e o m a c hi ne   vi s i o n   t e c hn o l o g y .   I t   i s   a   r e a l   n o n - de s t r uc t i v e   o nli ne   m e a s ur e m e n t   m e t h o t h a t   us e d i g i t a l   c a m e r a s   to   c a p t u r e   t h e   c a n o p i e s   o f   c uc u m be r   p l a n t s .   T h e   im a ge   pa r a m e t e r s   o f   c uc u m be r   p l a n t s   a r e   c o m bi n e w i t h   m a n ua l   m e a s ur e m e n t s   to   c o n s t r uc s o m e   i nve r s i o n   m o de l s   f o r   c uc u m b e r   gr o w t h   pa r a m e t e r s .   T h e   r e s u l t s   s h o t h a t   wi t h   hi g h   c o e f f i c i e n t s   o f   de t e r m i na t i o n   be t we e n   m a n ua l   m e a s ur e m e n t s   a n i nve r s i o n   v a l ue s   o f   c uc u m b e r   pa r a m e t e r s ,   t h e s e   i nve r s i o m o de l s   a r e   a bl e   t o   b e   a   n o n - de s t r uc t i v e   o nli n e   m e t h o f o r   m e a s ur i n g   c uc u m b e r   pa r a m e t e r s .     W a n e al.   [ 26]   de v e l o pe a   n e im a ge   s e g m e n t a t i o n   m e t h o b a s e o n   t h e   C h a n - Ve s e   ( C - V)   m o de l   a n d   t h e   S o b e l   o pe r a to r .   I n   o r de r   to   i m pr o v e   t h e   s e g m e n t a t i o n   pr e c i s i o n   o f   o v e r l a pp i ng  c u c u m be r   l e a v e s ,   t h e   pr o c e dur e   o f   t h e   i m a ge   s e g m e n t a t i o n   m e t h o i s   de s c r i b e a s   f o l l o ws F i r s t ,   t h e   b a c kgr o un i s   m i t i ga t e b a s e o n   a   t h r e s h o l w i t h   r e s p e c t   to   t h e   r e l a t i v e   l e v e l s   o f   gr e e n   i t h e   i m a ge .   Us i n t h e   C - m o de l ,   t h e   c o n t o ur   o f   t h e   t a r ge t   l e a f   i t h e   uppe r   l a y e r   i s   e x t r a c t e d .   T h e n,   t h e   l e a f   e dge s   o f   t h e   t a r ge t   l e a f   a r e   de t e c t e by   a   gr a d i e n t   o pe r a to r   wi t h   e i g h t   d i r e c t i o ns .   F i na ll y ,   t h e   c o m bin a t i o n   o f   t h e   r e s u l t s   o b t a i n e by   t h e   C - m o de l   a n t he   S o b e l   o pe r a to r   i s   u s e t o   e x t r a c t   t h e   o v e r l a pp i n g   t a r ge t   l e a f .   T h e   e x pe r i m e n t a l   r e s u l t s   s h o t h a t   w i t h   a   l o w   l e v e l   o f   t h e   m e a n   e r r o r   r a t e   ( 0 . 0428) ,   t h e   pr o p o s e m e t h o i s   s u c c e s s f u l   i e x t r a c t i n g   t h e   t a r ge t   l e a f   f r o m   c o m p li c a t e b a c kgr o un i m a g e s   o f   c uc u m be r   p l a n t s .     I b r a him   e al.   [ 30] ,   t w o   i m a ge   s e g m e n t a t i o n   m e t ho ds   s uc h   a s   k - m e a n   c l u s t e r i n g   a n r e g i o n   gr o wi n g   h a v e   b e e n   u s e f o r   a u to m a t i c   f l o o de t e c t i o n .   T h e   s i m u l a t i o n   r e s u l t s   r e v e a l   t h a t   t h e   r e g i o n   gr o wi ng  us i n g   gr a y   i m a ge s   a c hi e ve hi g h e r   s e g m e n t a t i o n   a c c ur a c y   t h a n   t h a t   o f   k - m e a n   c l us t e r i n m e t h o d.   I n   [ 31] ,   a   s y s t e m   f o r   de t e c t i o n   a n c l a s s if i c a t i o n   o f   v a r i o us   pe s t   a tt a c ks   a n i n f e c t i o n   o n   p l a n t s   i s   i n t r o duc e d.   F o r   s e g m e n t a t i o o f   pr e p r oc e s s e d   s a m p l e ,   a n   i m a ge   s e gm e n ta t i o n   m e th od   b a s e d   o n   h y b r i d   wa te r s h e d   s e g m e n t a t i o n   wi t h   e x ten de K - M e a n s   c l us te r i n i s   p r op os e d .   T h e   e x pe r i m e n tal   r e s ul t s   s h o w   t h a th e   p r op o s e d   a pp r oa c h   a c hi e v e d   h i gh e r   a c c u r a c y   r a tes   t h a n   s o m e   e xi s t i n a pp r oa c h e s   i n   di s e a s e /pes d e t e c t i o n .   M or e   r e c e n t l y ,   L i e t   a l .   [ 3 2]   pr o p o s e a n   i ns t a n c e   s e g m e n t a t i o n   m e t h o d,   whi c h   us e a n   im pr o v e v e r s i o n   o f   m a s r e g i o n - b a s e c o nvo l ut i o n a l   n e ur a l   n e t wor ( M a s R C NN )   to   de t e c t   c uc um b e r   f r u i t s   i n   p i xe l   l e ve l .   T h e   e x pe r im e n t a l   r e s u l t s   r e v e a l   t h a t   t h e   pr o p o s e i m pr o v e M a s k   R C NN   a c hi e v e s   hi g h   a c c ur a c y   i de t e c t i n c uc u m be r   f r u i t s .   T h e   pr e c i s i o a n d   r e c a l l   r a t e s   c a n   r e a c h   90. 68%   a n 88. 29 % ,   r e s pe c t i v e ly .   All   s t ud i e s   m e n t i o ne a b o v e   s h o t h a L A   o f   c uc u m b e r   p l a n t s   c a n   b e   de t e r m i ne by   s uc n o n d e s t r uc t i v e   m e t h o ds   w i t hi g h   a c c ur a c y .   T hi s   im po r t a n t   L A   i n f o r m a t i o n   h e l ps   gr o we r s   h a vi ng  pr o pe r   t i m e   i r r i g a t i o n ,   c u l t i v a t i o n ,   t h e r e f o r e ,   ge b e tt e r   y i e l ds .   I n   t hi s   pa pe r ,   we   h a v e   f o c u s e o im pr o vi n t he   a c c ur a c y   o f   c uc u m be r   l e a f   a r e a   e s t i m a t i o n ,   w hi c c o u l pr o vi de   a   v a l ua bl e   r e s o ur c e   f o r   m a n a g i ng  t h e   c uc u m b e r   p l a nt.         2.   RE S E AR CH  M E T HO D   A c c o r d i n t o   F i gur e   1,   t h e   f l o w i ng  c h a r t   o f   c uc u m be r   l e a f   a r e a   e s t i m a t i o n   i s   us e t o   i m pr o v e   t h e   r e s e a r c h   a n e x pe r im e n t   c o m pa r i s o n .   T h e   f l o wc ha r i ll us t r a t e s   t h e   v a r i o us   s t e ps   o f   a   pr o c e s s   t h a t   a   c a pt ur e im a ge   i s   u s e f o r   L A   e s t i m a t i o n .   T he r e   a r e   t w o   d if f e r e n t   e s t i m a t i o n   t e c hni que s   f o r   to p - vi e a n s ide - vi e w   im a ge s .   E a c h   s t e o f   t h e   pr o c e s s   i s   de s c r i be i n   m o r e   de t a i l   i n   f o ll o w i ng  s u b s e c t i o ns .     2 . 1.     B ac k g r ou n d   e l im in at ion   T i m pr o v e   t h e   s e g m e n t a t i o n   a c c ur a c y   o f   o v e r l a pp i n t a r ge t   l e a v e s ,   s o m e   a ppr o a c h e s   [ 26 ] [ 33]   h a v e   f o c us e o n   r e m o vi ng  b a c kgr o un ( t h e   n o n - l e a f   a r e a s   s uc h   a s   s o i l ,   s t e m s ,   a n pe t a l s ) .   On   c o ns i d e r i n t h e   d i f f e r e n c e   o f   c o l o ur   b e t we e n   b a c kgr o un a r e a s   a n f o r e gr o un a r e a s   ( l e a f   a r e a s )   [ 33] ,   t h e   a ut h o r s   i n   [ 26]   us e t h e   l e v e l s   o f   t h e   gr e e c h a nn e l   i t h e   R GB   c o l o ur   s pa c e   t o   r e m o v e   a ll   p i xe l s   i n o n - l e a f   a r e a s .   I n   t h a t   s t udy ,   t h e   r e l a t i o n s hi o f   p i xe l   c o l o ur   c h a nn e l s   f o r   a   gr e e n   l e a f   i s   de t e r m i ne i n   ( 1) .     ( > 1 ) ( > 2 )   ( 1)     wh e r e   , ,   a n   a r e   v a l u e   o f   r e d,   bl ue ,   a n gr e e n   c o m po n e n t ,   r e s pe c t i v e ly .   1 , 2 a r e   t h e       a n   c o n tr o l   pa r a m e t e r s ,   r e s pe c t i ve l y .   T h e s e   pa r a m e t e r s   v a r y   i n   d if f e r e n t   s pe c i e s   o f   p l a n t ,   e . g. ,   t h e y   a r e   c h o s e n   1 = 10 ,   a n 2 = 15   f o r   l e a f   s e g m e n t a t i o n   o f   c uc u m b e r   l e a ve s .   I n   t hi s   wa y ,   we   c o ul d   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i     I S S N:   2502 - 4752       Digit al  image   pr oc e s s ing  me thods   f or   e s ti mating  l e af   ar e o c uc umbe r   plant s     ( Uoc   Quang  N go)   319   r e m o v e   a ll   n o n - l e a f   a r e a s   by   j u s t   ke e pi n p i xe l s   w h o s e   r e l a t i o n s hi o f   c o l o ur   c h a nn e l   i s   gr e e n .   Unf o r t un a t e l y ,   if   t h e   d if f e r e n c e   be t we e n   t h e   b a c kgr o un c o l o ur   a n t h e   f o r e gr o un c o l o ur   i s   n o t   a ppa r e n o r   t h e   c ol o ur s   o f   l e a v e s   c h a n ge   i n   t h e   a ut um n ,   t hi s   a ppr o a c h   m i g h t   n o wor p r o pe r l y .             F i gur e   1.   T h e   f l o w i ng  c h a r t   o f   c uc u m b e r   l e a f   a r e a   e s t i m a t i o n       F o r t un a t e l y ,   t h e   M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e   [ 34]   i s   a n   e f f i c i e n t   a l t e r n a t i v e   a ppr o a c h   f o r   b a c kgr o un im a ge   r e m o v a l   t h a t   m i t i g a t e s   t h e s e   a b o v e - m e n t i o n e li mi t a t i o n s .   T he   b a s i c   i de a   o f   t hi s   i m a ge   s e g m e n t a t i o m e t h o i s   t o   c o m put e   t h e   d i s t a n c e   b e t we e n   c o l o ur   i n t e n s i t i e s   o f   p i xe l s   a n t h e i r   n e i g hb o ur i n p i xe l s   w i t hi a e l li ps o i da l   r e g i o n .   On e   p i xe l   b e c o m e s   a   m e m be r   o f   a   gr o up   i f   i t s   M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e   i s   s m a l l e r   t h a n   a   t h r e s h o l d.   I n   t hi s   wa y ,   t h e   M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e   ba s e m e t h o f o r   i m a g e   b a c kgr o un r e m o v a l   i s   e x p e c t e to   im pr o v e   t h e   qua l i t y   a n r e duc e   t h e   f a l s e   a l a r m s   [ 35] .     I n   f a c t,   m a ny   M a h a l a n o bi s   di s t a n c e   b a s e d   i m a ge   b a c kg r oun d   r e m o v a l   a l g or i t hm s   a r e   p r op o s e d   [ 3 6 ] [ 3 7 ] .   I n   [ 35] ,   f o r   we e l e a f   i m a ge   s e g m e n t a t i o n ,   e a c p i xe l   o f   t h e   im a ge   h a s   b e e c l a s s i f i e d   a s   a   w e e a r e a   p i x e l   o r   n o t   b a s e o n   t h e   M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e   f r o m   t h e   p l a n t   c o l o ur   c l a s s   a n a   c o l o ur   t h r e s h o l va l ue .   T he   e x pe r im e n t a l   r e s u l t s   s h o t h a t   84%   o f   t h e   we e l e a v e s   we r e   c o r r e c t l y   s e g m e n t e d.   I t   i s   c l e a r   t h a t   t hi s   s e g m e n t a t i o n   a c c ur a c y   i s   qu i t e   hi g h   a n a c c e pt a ble  f o r   we e s e g m e n t a t i o n   w i t h   m u l t i p l e   l e a v e s   i a n   im a g e .   Ho we v e r ,   n o t   m a ny   o f   t h e s e   s t ud i e s   c o n s i de r   h o to   de t e r m i ne   a n   o pt i m a l   t h r e s h o l o f   e a c h   s u b - r e g i o n   f o r   l e a f   s e g m e n t a t i o n .   I t   m i g h t   i n c r e a s e   t h e   a c c ur a c y   o f   i m a g e   s e g m e n t a t i o n   [ 38] .   T d o   t hi s ,   i n   t hi s   p a pe r ,   we   pr o p o s e   a   M o di f i e M a h a l a n o bi s   D i s t a nc e   b a s e m e t h o ( M M D)   f o r   b a c kgr o un i m a ge   r e m o v a l .   W i t h o ut   l o s s   o f   g e n e r a l i t y ,   l e t   de n o t e   t h e   c o l o r   v a lue  o f   a   p i xe l   i a   c o l o r   i m a ge .   W e   a s s u m e   t h a t   t h e   c o l o r   o f   e a c h   p i xe l   i s   t h e   n o r m a l   d i s t r i b ut i o n .   I n   o r de r   to   b u i l t h e   f o r e gr o un m o de l ,   s o m e   ini t i a l   f r a m e s   t h a t   h a v e   o nly   f o r e gr o un ( t h e   l e a f   im a ge   o f   c o n s i de r e p l a n t s )   a r e   a n a ly z e d.   L e t   de n o t e   t h e   n u m be r   o f   s uc i n i t i a l   f r a m e s .   T h e   m e a n   o f   t h e   c o l o ur   a t   e v e r y   p i x e l   i s   de t e r m i ne i n   t h e   ( 2)   [ 39 ] .     = 1   ( 2)     An t h e   c o v a r i a nc e   i s   c o m put e a s   f o l l o w s :     = 1 ( ) ( )   ( 3)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2502 - 4752   I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i ,   Vo l .   25 ,   N o .   1 J a n ua r y   20 22 317 - 328   320   a f t e r   m a k i ng  t h e   b a c kgr o un m o de l ,   t h e   M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e s   o f   e v e r y   p i xe l   a r e   c a l c u l a t e us i n ( 4) :     = ( ) 1 ( )   ( 4)     C he c i f   > 0 ,   wh e r e   0 i s   pr e de f i ne t h r e s h o l d,   t h a pi x e l   i s   c l a s s i f i e a s   f o r e gr o un d,   ot h e r w i s e ,   i t   b e l o n g s   to  b a c kgr o un d.   T h e   pr o bl e m   he r e   i s   h o to   de t e r m i ne   t h e   o p t i m a l   t h r e s h o l ( 0 )   f o r   l e a f   s e g m e n t a t i o n   o f   di f f e r e n pl a n t ? .   Xi a   e al.   [ 37 ]   0 = 10 , 40 , 7   r e s pe c t i v e ly   f o r   pe ppe r ,   o l pa pr i ka ,   a n y o un pa pr i ka   a f t e r   t e s t i n l e a f   im a ge s   o f   t h e s e   p l a n t s .   U nf o r t un a t e l y ,   t h e s e   l e a f   s e g m e n t a t i o n   a ppr o a c h e s   b a s e o n   a   g l o ba l   t h r e s h o l o f   t h e   e n t i r e   im a ge   m a y   l e a to   l o a c c ur a c y   a n a   hi g h   r a t e   o f   f a l s e - po s i t i v e   a l a r m s .   T h e r e f o r e ,   i n   o r de r   to   i m pr o v e   t h e   a c c ur a c y   a n d   e f f e c t i v e n e s s   i n   l e a f   s e g m e n t a t i o n ,   t h e   t h r e s h o l s h o u l d   c h a n g e   a da pt i v e ly   de pe n d i ng  o pr o pe r t i e s   o f   e a c h   s u b - i m a ge .   T o   do   t hi s ,   t h e   a ut h o r s   i [ 40]   i m p l e m e n t e a   n e s e g m e n t a t i o n   a l go r i t hm   w i t h   t h e   f o l l o w i ng  s t e ps .   F i r s t ,   t h e   s t a n da r de vi a t i o n   o f   t h e   gr e y   l e ve l   o f   t h e   wh o l e   im a ge ,   w hi c h   i s   n a m e g l o b a l   s t a n da r de vi a t i o n ,   i s   c o m put e d.   T h e n   t h e   i m a ge   i s   d i v i de in t o   f o ur   e qua l   r e g i o n s .   E a c h   s u b - r e g i o n   i s   c o n t i n uo us ly   s p li t   i n t o   f o ur   s ub - r e g i o n s   i f   i t s   s t a n d a r de vi a t i o n   o f   t h e   gr e y   l e v e l   ( na m e ly   l o c a l   s t a n da r de vi a t i o n )   i s   hi g h e r   t h a n   t h e   g l o b a l   s t a n d a r de vi a t i o n .   T hi s   pr o c e dur e   i s   r e c ur s i v e ly   c o n t i n ue u n t i l   t h e   l o c a l   s t a n da r d e viat i o n   i s   l e s s   t h a n   o r   e qua l   t o   t h e   g l o b a l   s t a n da r d e vi a t i o o f   i m a ge   gr e y   l e v e l .   T h e   t h r e s h o l o f   e a c h   s u b - r e g i o n   i s   de t e r m i ne ba s e o n   t h e   l o c a l   pr o pe r t i e s   o f   t h e   im a ge   by   u s i ng  I s o Da t a   a l go r i t hm   [ 41] .     I n   t hi s   s t ud y ,   we   c o m bi ne   t h e   M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e   a l go r i t hm   a n o pt i m i z i ng  t h r e s h o l a l go r i t hm   in  [ 40]   to   pr o p o s e   a   m o d i f i e M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e - b a s e d   m e t h o f o r   b a c k gr o un im a ge   r e m o v a l .   T he   de t a i l s   o f   o ur   pr o p o s e M M a l go r i t hm   a r e   de s c r i be i n   a l go r i t hm   1.     Al go r i t hm   1:   M M a l go r i t hm   Input:   -   Raw images.   -   A grey - level histogram hist.   Output:   -   Optimal threshold of each sub - region  0   -   Segmentation images   Initiation:    Let  = { 1 , 2 , . . . , }   denote  the  data  set  of      pixels  of  source  image  file;  Let  = 256   denote  the  number  of   grey  levels   in     image;  is  the  number   of  occurrences   of  the  gr ey   levels;  The local standard deviation  = .   Procedure    -   MMD_algorithm   ( , , 0 ) .   -   Calculate the global standard deviation  :     = ( ) 2 2 1 = 0   (5)     Divide the original image  D into four equal regi ons:     , = 1 , 2 , . . . 4 ; = ; ,         for  (     1   to 4 )   do   while  >   do   -   Divide the current sub - region    into four equal sub - regions   , = 1 , 2 , . . . , 4   -   Calculate the local standard deviation of the current sub - r egion     end while   -   Calculate the optimal threshold of current sub - region  0 = ;   -   Calculate the Mahalanobis distance of investigated pixel  ( )   by using (4) and  compare its Mahalanobis distance with optimal threshold of sub - r egion  0 where  the investigated pixel falls inside.   if  > 0   then the investigated pixel is classified as foreground   else the investigated pixel belongs to background   end if   end for   end procedure     F o r   e v a l u a t i n t h e   qua li t y   o f   o ur   pr o p o s e i m a g e   s e g m e n t a t i o n   a l go r i t hm ,   m a n ua l   s e g m e n t a t i o im a ge s   we r e   us e t c o m pa r e   w i t h   t h e   r e s u l t s   o f   t hi s   s e g m e n t a t i o n   a l go r i t hm .   T he   f o l l o w i ng  pe r f o r m a n c e   i nd i c e s   h a ve   b e e n   us e d:   a)   T h e r e   a r e   f o ur   po s s i bl e   o ut c o m e s   w h e n   c l a s s if y in a   p i xe l t r ue   po s i t i v e ,   f a l s e   po s i t i v e ,   t r ue   n e ga t i v e   a n f a l s e   n e ga t i v e   [ 42] .   T h e y   a r e   de s c r i be m o r e   i n   de t a i l   i n   F i gur e   2.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i     I S S N:   2502 - 4752       Digit al  image   pr oc e s s ing  me thods   f or   e s ti mating  l e af   ar e o c uc umbe r   plant s     ( Uoc   Quang  N go)   321   -   T r ue   p o s i t i v e   ( TP ) P i xe l s   o f   l e a f   a r e a s   a r e   c l a s s if ied  c o r r e c t l y   a s   l e a f   p i xe l s .   -   F a l s e   po s i t i v e   ( FP ) P i xe l s   i n   n o n - l e a f   a r e a s   a r e   m is c l a s s i f i e a s   l e a f   p i xe l s .   -   T r ue   n e ga t i v e   ( TN ) P i x e l s   i n o n - l e a f   a r e a s   a r e   c l a s s i f i e c o r r e c t l y   a s   n o n - l e a f   p i xe l s .   -   F a l s e   n e ga t i v e   ( FN ) P i x e l s   o f   l e a f   a r e a s   a r e   m i s c l a s s i f i e a s   n o n - l e a f   p i xe l s .   b)   T h e   f a l s e   n e g a t i v e   r a t e   ( F NR )   i s   c o m put e a s   g i v e n   i n   ( 6) .     =   +    ( 6)     c)   T h e   f a l s e   po s i t i v e   r a t e   ( F P R )   i s   c o m put e a s   g i v e n   i n   ( 7) .      =   +    ( 7)     d)   T h e   e r r or   r a t e   ( E R )   i s   m a t h e m a t i c a ll y   de f i ne i n   ( 8 ) .      =  +   +  +  +    ( 8)           F i gur e   2.   S c h e m a t i c   il l u s t r a t i n t h e   de f i n i t i o n   o f   f o u r   p o s s i bl e   o u t c o m e s   w h e n   c l a s s i f yi ng  a   p i x e l       2 . 2   M e as u r e m e n t   of   l e a f   ar e a   No n de s t r uc t i v e   l e a f   a r e a   e s t i m a t i o n   w i t h   a   hi g h   a c c ur a c y   r a t e   a n i a   s m a ll   r unni ng  t i m e   i s   c r i t i c a l   i n   m a ny   s p e c i f i c   f i e l ds   o f   p l a n t   gr o w t h   m o de l li ng  ( e . g. ,   pl a n t   phy s i o l o g i c a l   a n e c o l o g i c a l   e x pe r im e n t s   [ 43] ) .   L e a f   a r e a   m a y   b e   u s e f o r   l e a f   a r e a   i nde x   c a l c u l a t i o n   [ 9] ,   [ 44]   whi c h   i s   li ke ly   t o   m o de l   ve ge t a t i o pr o duc t i vi t y   a n p h o to s y n t h e t i c   c a p a c i t y   [ 45] ,   [ 46 ] .   M o r e o v e r ,   L A   i s   a   v e r y   us e f u l   p a r a m e t e r   i n   p l a nt   g r o w t h   a n m o r ph o l o g i c a l   s t ud i e s   o f   t h e   p l a n t s   [ 47] .   I n   t hi s   s t udy ,   a f t e r   r e m o vi ng  t h e   b a c kgr o un d,   t h e   l e a f   a r e a s   a r e   m e a s ur e by   c o un t i n l e a f   p i xe l s   a n d   c o m pa r i ng  t h e m   w i t h   r e c a l i br a t i o n   p i xe l s .   I n   t hi s   wa y ,   o ur   pr o p o s e a ppr o a c h   i s   a bl e   t e s t i m a t e   t h e   l e a f   a r e a s   a uto m a t i c a l ly   w hil e   m i t i ga t i n t h e   n e e f o r   m a n ua l   o pe r a t i o n s   f o r   c a m e r a   d i s t a n c e   c a l c u l a t i o n s .   Ho we v e r ,   t h e r e   a r e   s o m e   o v e r l a a r e a s   o f   t h e   lea ve s ,   w hi c h   m a y   be   c o n s i de r e a s   o ne   l a y e r   o f   l e a v e s .   A dd i t i o n a ll y ,   t h e   d if f e r e n c e   b e t we e n   gr e e n   l e a v e s   a n gr e e n   o bj e c t s   m a y   n o t   b e   d i s t i n gu i s he c o r r e c t l y   i f   w e   o nl y   u s e   t o vi e im a ge s   o f   t h e   p l a n t .   T h e r e f o r e ,   i o ur   pr o p o s e a l go r i t hm ,   we   us e   b o t h   t o vi e a n s i de   vi e i m a ge s   o f   t h e   p l a n t s   to   e s t i m a t e   t h e   l e a f   a r e a .   T h e   f o l l o w i ng  s t e ps   a r e   us e to   e s t i m a t e   t h e   l e a f   a r e a   o f   t h e   c uc u m b e r   p l a n t   i n   t h e   to p - vi e im a ge .   S t e p   1:   C o n ve r t   t h e   o r i g i na l   im a ge   i n t o   a   bi n a r y   im a ge .   S t e p   2:   C o un t   t h e   n u m be r   o f   p i xe l s   i t h e   c a li br a t i o n   a r e a   (  )   ( T h e   s i z e   o f   t h e   c a l i br a t i o n   a r e a   g i ve n   i t hi s   pa pe r   i s   25 2 ).   S t e p   3:   C o un t   t h e   n u m b e r   o f   p i xe l s   i n   t h e   l e a f   im a ge   ( )   o f   t h e   c o n s i de r e p l a n t .   S t e p   4:   T h e   l e a f   a r e a   c a n   b e   o b t a i n e by   ( 9) .     = 25    ( 9)     T h e   s i de - vi e im a ge s   o f   p l a n t s   a r e   us e d   t o   e s t i m a t e   t h e   m a i s t e m   l e n gt h   o f   p l a n t s   a n d   t h e n   t e s t i m a t e   t h e   n u m be r   o f   l e a v e s .   Ac c o r di n t t h e   nu m b e r   o f   l e a v e s ,   we   e s t i m a t e   t h e   l e a f   a r e a   o f   t h e   pl a n t .   T h e   f o l l o w i n s t e ps   a r e   us e to   e s t i m a t e   t h e   l e a f   a r e a   of   c u c u m be r   p l a n t   i n   t h e   s i de - vi e i m a ge :   S t e p   1:   C o n ve r t   t h e   o r i g i na l   im a ge   i n t o   a   bi n a r y   im a ge .   S t e p   2:   S ke l e t o n   e x t r a c t i o n   o f   c uc u m be r   p l a n t   by   us i ng   Z h a n g - S ue n   a l go r i t hm   [ 48] .   T h e   m a i n   s t e m   o f   c uc u m b e r   i s   de s c r i be i n   w hi t e   p i xe l s .     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2502 - 4752   I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i ,   Vo l .   25 ,   N o .   1 J a n ua r y   20 22 317 - 328   322   S t e p   3:   C a l c u l a t e   t h e   l e n gt h   o f   t h e   m a i s t e m   o f   c uc u m be r   p l a n t S c a n   t h e   i m a ge   f r o m   t h e   b o tt o m - l e f t   c o r n e r   to   t h e   to p - r i gh t   c o r n e r   o f   t h e   i m a ge   f r a m e   t c a t c h   a n l o c a t e   a l l   w hi t e   p i x e l s .   T h e   l e n gt h   o f   t h e   m a in   s t e m   o f   t h e   c uc u m b e r   p l a n t   i s   c u m u l a t i v e   s u m   o f   E uc l i de a n   d i s t a n c e s   b e t we e n   t h e s e   w hi t e   p i xe l s .   S t e p   4:   C o un t   t h e   n u m be r   o f   n o de s   a l o n t h e   s t e m   o f   t h e   c uc u m b e r   p l a n t .   A n t h e n   e s t i m a t e   t h e   n u m be r   o f   l e a v e s   o n   t h e   m a i n   s t e m .   S t e p   5:   A c c o r d i n g   to   t h e   r e s u l t s   gi ve n   i n   [ 49]   a n o ur   m a nua l   m e a s ur e m e n t s   g i v e n   i n   T a bl e   1,   t h e   e s t i m a t e l e a f   a r e a   ( )   i s   t h e   c u m u l a t i v e   s u m   o f   l e a f   a r e a   f r o m   th e   o l de s t   l e a f   ( t h e   f i r s t   l e a f )   to   t h e   y o un g e s t   l e a f   o n   t h e   c uc u m be r   s t e m .       T a bl e   1.   M e a s ur e da t a   DAT   L e a f   numbe r   A ve r a ge   of  l e a f  a r e a  ( c m 2 )     1s t   2nd   3r d   4t h   5t h   6t h   7t h   8t h   9t h   1 0t h   11t h   12t h   LA m   L m   ( c m )   10   2   107.25   100.07                                           207.32   12.35   12   2.5   108.44   100.70   46.25                                       255.39   18.21   14   3.62   110.92   101.20   92.48   66.51                                   371.10   23.89   16   4.45   111.97   101.93   94.17   90.05   64.82                               462.94   30.21   18   5.61   113.72   103.21   95.22   89.91   74.38   58.39                           534.83   35.72   20   6.45   115.74   104.91   96.68   92.35   75.36   80.38   48.14                       613.56   41.55   22   7.65   121.26   106.30   98.10   92.96   77.38   97.13   90.99   78.81                   762.92   47.42   24   8.8   127.95   106.73   98.41   93.65   78.03   110.26   93.12   108.91   90.42               907.50   53.71   26   9.75   133.82   122.70   112.94   110.99   88.85   117.83   103.46   118.24   121.47   83.98           1114.27   59.29   28   10.92   137.68   130.18   136.44   118.38   103.12   119.98   108.30   126.41   128.70   116.52   102.66       1 328.38   64.35   30   11.95   141.61   135.96   147.32   131.55   129.33   123.94   123.98   135.20   135.86   127.79   130.02   115.4   1578.01   70.65       2 . 3   E x p e r im e n t s   I m a ge   a c qu i s i t i o n   s y s t e m T he   c uc u m be r   p l a n t s   a r e   l a b e ll e da i ly   w i t h   QR   c o de s   whi c h   c o n t a i s pe c i e s ,   da y   a f t e r   tr a n s p l a n t i n o f   c uc u m be r .   As   de p i c t e i n   F i gur e   3,   o ur   m a c hi ne   vi s i o n   s y s t e m   c o n s i s t s   o f   t w o   c a m e r a s   ( N i ko n   c a m e r a   D3500  DX ) ,   a   pe r s on a l   c o m put e r   ( C o r e   i 7 - 7700  C P U,   OS:   M S   W i nd o ws   10)   a n o ur   i m a ge   pr o c e s s i ng  pr o gr a m   i s   de v e l o pe i n   P y t h o n   s o f t wa r e .   T h e   to p - vi e im a ge   a c qu i s i t i o n   s y t e m   i n   F i gur e   3 ( a )   i s   a   c h e c ke r b o a r t a r ge t   wi t h   k n o wn   d im e n s i o i s   u s e a s   c a li br a t i o n   a r e a .   T he   o t h e r   c a l bi r a t i o a r e a   i s   a l s o   us e t h e   s i de - vi e im a ge   a c qu i s i t i o n   s y t e m   i n   F i gur e   3 ( b ) .   A s   de p i c t e i n   F i gur e s   4 ( a )   a nd  ( b ) ,   a ll   re s qua r e s   a r e   us e a s   r e f e r e n c e a r e a   f o r   l e a f   a r e a   e s t i m a t i o n .     E x pe r i m e n t a l   de s i g n ;   T h e   e x p e r i m e n t s   a r e   c o n du c t e f r o m   M a r c h   t o   A pr i l   30,   2021  i n   a n   E a s t - W e s t ,   p o l y e t hyl e ne - c o v e r e gr e e nh o us e   a t   t h e   V i e t n a m   Na t i o n a l   U ni ve r s i t y   o f   A gr i c u l t ur e   ( l a t . 21. 00 79764’ N,   l o n g.   105. 9335549E ) ,   Vi e t n a m .   T h e   e x pe r i m e n t a l   gr e e nh o us e   h a t wo   pl ot s   a n 200  c uc u m b e r   p l a n t s   ( C uc u m i s   s a t i v us   L .   c v .   De l t a s t a r ) .   T h e   d i s t a n c e   b e t we e t wo   a dj a c e n t   p l a n t s   i s   30  c m .   F o ur   p l a n t s   i o n e   p l o t   a r e   s e l e c t e r a n do m ly   f o r   ve ge t a t i o n   m e a s ur e m e n t s .   I m a ge s   we r e   t a ke o n   s u nny  da y s   i n   d i r e c t   s unli g h t .   T h e   i m a ge   c a pt ur e   t i m e   wa s   o n c e   a t   11h :30  A M   i e v e r y   t wo   da y s .   T h e   e x pe r i m e n t a l   im a ge s   a r e   s h o wn   i n   F i gur e   w i t h   to p - vi e i m a ge   in   F i gu r e   4 ( a )   a n s i d e - vi e im a ge   in   F i gur e   4 ( b ) .           ( a )   ( b)     F i gur e   3.   B l o c d i a gr a m   o f   i m a g e   a c qu i s i t i o n   s y s t e m ( a )   t op - vi e w,   a n ( b )   s i de - vi e w   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i     I S S N:   2502 - 4752       Digit al  image   pr oc e s s ing  me thods   f or   e s ti mating  l e af   ar e o c uc umbe r   plant s     ( Uoc   Quang  N go)   323       ( a )   ( b )     F i gur e   4.   S a m p l e s   o f   c uc u m be r   p l a n t   i m a ge s ( a )   to p - vi e w,   a n ( b )   s i de - vi e w       I n   t hi s   pa pe r ,   we   us e t h e   m a n ua l   m e a s ur e m e nt s   whi c h   s e r ve   a s   r e f e r e nc e s   f o r   e v a l u a t i n t h e   pe r f o r m a n c e   o f   o ur   pr o p o s e a l go r i t hm s .   T h e   m a n ua l   m e a s ur e m e n t s   i nc l ude l e a f   n u m be r ,   t h e   l e n g t h   o f   t he   m a i n   s t e m   ( ) ,   t h e   w i dt h   a n l e n gt h   o f   e a c h   l e a f A c c o r di n to  t h e   r e s u l t s   gi v e n   i n   [ 49] ,   i n   t hi s   pa pe r   t h e   m e a s ur e v a l ue   o f   l e a f   a r e a   ( ) wa s   c a r r i e o ut  a s   gi v e n   i n   ( 10) .     = 29 . 96 + 0 . 849         =   ( 10)     W h e r e   l ws   a n l ls   a r e   m e a s ur e w i dt h   a n l e ngt h   o f   l e a f   a t   po s i t i o n s t h o n   c uc u m b e r   p l a n t ,   r e s pe c t i ve ly .   80   c uc u m be r   p l a n t s   we r e   r a n do m ly   s e l e c t e f o r   m a n u a l   m e a s ur e m e n t .   L e a v e s   a t   d i f f e r e n t   po s i t i o ns   ( f r o m   1 s t   ( t h e   o l de s t   l e a f )   t o   12 t h   l e a f )   a r e   m e a s ur e 50   t i m e s   a n t h e   a v e r a ge   v a l ue s   o f   t h e s e   pa r a m e t e r s   a r e   gi v e n   i n   T a bl e   1 .       3.   RE S UL T S   AN DI S CU S S I ON   3 . 1.     S e gm e n t at ion   r e s u l t s   E i g h t y   c uc u m be r   p l a n t s   we r e   us e f o r   l e a f   s e g men t a t i o n .   I n   F i gur e   5,   t h e   s e g m e n t a t i o n   r e s u l t s   o f   to p - v i e im a ge s   a r e   s h o wn .   I t   c a n   b e   s e e n   t h a t   t h e   o r i g i na l   im a ge   i F i gur e   5 ( a) ,   i s   d i v i de d   i n t o   s om e   s u b - r e g i o n s .   I n   e a c h   s u b - r e g i o n ,   a n   o p t i m a l   t h r e s h o l i s   c h o s e n   f o r   c o m p a r i s o n   w i t h   t h e   m a ha l o bi s   d i s t a nc e   o f   a l p i x e l s   f a ll i ng  i ns i de   t hi s   s u b - r e g i o n .     I n   F i gur e   5,   t h e r e   a r e   s e pa r a t e   l a y e r s   w i t h   d i f f e r e n t   c o l o ur   r a n ge s T h e   f i r s t   l a y e r   i s   t h e   l e a f   a r e a   o f   c uc u m b e r   p l a n t s   i n   F i gur e   5 ( b ) .   I n   t hi s   l a y e r ,   a l l   p i xe l s   we r e   c o n s i de r e a s   pa r t   o f   c uc u m be r   l e a v e s .     T h e   s e c o n l a y e r   de n o t e s   t h e   c a l i br a t i o n   a r e a   in   F i gur e   5 ( c ) ,   whi c h   i s   u s e f o r   l e a f   a r e a   c a l c u l a t i o n   l a t e r .     T h e   a m bi e n t   l a y e r   i n   F i gur e   5 ( d)   r e pr e s e n t s   ot h e r   obj e c t s   i n   t h e   i m a ge .               ( a )   ( b )   ( c )   ( d)     F i gur e   5.   B a c kgr o un r e m o v a l   i t o p - vi e im a ge ( a )   o r i g i na l   im a ge ,   ( b )   l e a f   a r e a ,   ( c )   c a l i b r a t i o n   l a ye r ,   a n ( d)   a m bi e n t   l a y e r       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2502 - 4752   I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i ,   Vo l .   25 ,   N o .   1 J a n ua r y   20 22 317 - 328   324   F o r   e v a l ua t i o n ,   we   c o n duc t   s o m e   e x pe r im e n t s   w i t h   s a m e   c o n d i t i o ns   t o   m e a s ur e   t h e   pe r f o r m a n c e   o f   o ur   p r o p o s e m e t h o a n c o m pa r e   w i t h   t h e   r e s u l t s   o f   o r i g i na l   m a ha l a n o bi s   d i s t a n c e   b a s e m e t h o [ 36]   f o r   l e a f   s e g m e n t a t i o n .   T h e   c o m pa r s i o r e s u l t s   a r e   g i ve n   i T a bl e   2.   I t   i s   c l e a r   t h a t   w i t h   t h e   gr o wt h   o f   c uc u m b e r   p l a n t s ,   t h e   n u m be r   o f   l e a v e s   i nc r e a s e s .   C uc u m b e r   pl a n t s   w i t h   gr e a t e r   l e a f   a r e a   h a v e   a   l a r ge r   n u m be r   o f   o v e r l a pp i ng  l e a v e s .   C o n s e que n t l y ,   t h e   n u m be r   o f   mi s c l a s s if i e p i xe l s   a l s o   i n c r e a s e s .   T h e   r e s u l t s   i n   T a bl e   2   s h o t h a t   a l l   t h r e e   a s pe c t s   ( F NR ,   F P R ,   a n E R )   i nc r e a s e   w i t h   t h e   gr o wt h   o f   c uc u m be r   p l a n t s .   W i t h   l o we r   n o i s e   po i n t s   i n   t h e   to p - vi e i m a ge s ,   a l l   t h r e e   pe r f o r m a n c e   i nd i c e s   h a v e   l o we r   i nc r e a s e   r a t e s   t h a n   t ha t   i n   t h e   s i d e - vi e w   im a ge s   i a ll   gr o wt h   s t a ge s   o f   p l a n t s   ( D A T ) .   F i gur e   6,   s h o ws   t h e   s e g m e n t a t i o r e s u l t s   i s i de - vi e w   im a ge .   Af t e r   r e m o vi ng  t h e   b a c kgr o un o f   t h e   o r i g i na l   i m a ge   i n   F i gur e   6( a ) ,   t h e   l e a f   l a y e r ,   c a l i br a t i o n   l a y e r ,   a n a m b i e n t   l a y e r   a r e   s e g m e n t e a n de p i c t e i n   F i gur e s   6( b ) - ( d)   r e s pe c t i v e ly .   T h e   l e a f   l a y e r   i F igur e   6( b )   s h o ws   t h a t   t h e   n u m be r   o f   F P   a n F N   p i xe l s   a r e   s i g ni f i c a n t l y   hi g h e r   t h a n   t h a t   i n   F i gur e   5( b ) .   T h e   r e s u l t s   o f   o ur   pr o p o s e M M a l go r i t hm   i nd i c a t e s   t h a t   t h e   a v e r a ge s   o f   F NR ,   F P R ,   E R   a r e   0. 0284,   0 . 0201  a n 0. 0236,   r e s pe c t i ve ly .   T h e   a v e r a g e   o f   m i s c l a s s i f i e p i x e l s   in   e v e r y   im a g e   i s   2. 36% .   I t   r e v e a l s   t h a t   o u r   p r o p o s e M M D   a l go r i t hm   pe r f o r m s   we ll   a n c a n   b e   e f f e c t i ve ly   us e i n   m o s t   o f   i m a ge - pr o c e s s i n a pp li c a t i o ns .       T a bl e   2.   T h e   c o m pa r s i o n   r e s u l t s   o f   l e a f   s e g m e n t a t i o n   m e t h o ds   DAT   I ma ge   v i e w   O r ig in a M a ha la no bi s  di s ta nc e - ba s e d m e th o d   O ur  pr o p o s e d M M D  me th o d   F N R   FPR   ER   F N R   FPR   ER   10   T o p - v i e w   0.2221   0.0364   0.1071   0.0114   0.0245   0.0195   S id e - vi e w   0.1402   0.0314   0.0748   0.0119   0.0155   0.0141   12   T o p - v i e w   0.1890   0.0191   0.0994   0.0137   0.0144   0.0141   S id e - vi e w   0.1291   0.0240   0.0698   0.0145   0.0161   0.0155   14   T o p - v i e w   0.1284   0.0296   0.0730   0.0153   0.0150   0.0151   S id e - vi e w   0.1775   0.0198   0.0858   0.0161   0.0161   0.0161   16   T o p - v i e w   0.1628   0.0216   0.0774   0.0169   0.0167   0.0168   S id e - vi e w   0.1481   0.0210   0.0773   0.0177   0.0173   0.0175   18   T o p - v i e w   0.2577   0.0251   0.1303   0.0185   0.0179   0.0181   S id e - vi e w   0.1991   0.0273   0.0958   0.0194   0.0185   0.0188   20   T o p - v i e w   0.1550   0.0308   0.0815   0.0202   0.0190   0.0195   S id e - vi e w   0.1406   0.0240   0.0742   0.0275   0.0197   0.0228   22   T o p - v i e w   0.2986   0.0402   0.1600   0.0259   0.0203   0.0225   S id e - vi e w   0.1779   0.0354   0.0948   0.0266   0.0208   0 .0232   24   T o p - v i e w   0.1049   0.0323   0.0617   0.0274   0.0214   0.0239   S id e - vi e w   0.2446   0.0275   0.1264   0.0290   0.0220   0.0249   26   T o p - v i e w   0.3209   0.0437   0.1793   0.0378   0.0228   0.0289   S id e - vi e w   0.2348   0.0376   0.1293   0.0393   0.0234   0.0299   28   T o p - v i e w   0.2788   0.0310   0.155 2   0.0455   0.0241   0.0329   S id e - vi e w   0.1786   0.0288   0.0986   0.0517   0.0248   0.0360   30   T o p - v i e w   0.2751   0.0413   0.1521   0.0637   0.0256   0.0417   S id e - vi e w   0.2145   0.0319   0.1147   0.0754   0.0264   0.0474   A ve r a ge   0.1990   0.0300   0.1054   0.0284   0.0201   0.0236               ( a )   ( b )   ( c )   ( d)     F i gur e   6 .   B a c kgr o un r e m o v a l   i s i de - vi e i m a g e :   ( a )   o r i g i na l   i m a g e ,   ( b )   l e a f   l a y e r ,   ( c )   c a l i br a t i o n   l a y e r ,   a n a m bi e n t   l a y e r   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i     I S S N:   2502 - 4752       Digit al  image   pr oc e s s ing  me thods   f or   e s ti mating  l e af   ar e o c uc umbe r   plant s     ( Uoc   Quang  N go)   325   A c c o r d i n g   t h e   e x pe r im e n t a l   r e s u l t s   g i ve n   i T a bl e   2,   t h e   pr o po s e M M a l go r i t hm   a c hi e v e s   hi g h e r   a c c ur a c y   r a t e ,   whi c h   i s   8. 18%   gr e a t e r   t h a n   t h a t   o f   o r i g i na l   M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e   ba s e a l go r i t hm .   On e   m a i n   r e a s o n   o f   t hi s   d i f f e r e n c e   i s   h o to  c h o s e   a   s e g m e n t a t i o n   t h r e s h o l f o r   e a c h   w i n do o f   s e g m e n t a t i o n   i m a ge .   I n   ge n e r a l ,   t h e   o r i g i na l   M a h a l a n o bi s   d i s t a n c e   b a s e m e t h o d s   c h o o s e   a   s e g m e n t a t i o n   t h r e s h o l f o r   a ll   s e ge n t a t i o n   i m a ge s ,   whi c h   t e n ds   t o   i nc r e a s e   t h e   s e g m e n t a t i o n   e r r o r   r a t e   i n   h o m o ge n e o us   c o l o ur   r e gi o ns .   W hil e   i o ur   pr o p o s e M M a l go r i t hm ,   e a c h   im a ge   b e i ng  s e g m e n t e i s   s p li t t e i n t o   s m a l l e r   r e g i o n s   a n t h e t h e   s e g m e n t a t i o n   t h r e s h o l i s   de t e r m i ne ba s e o n   i m a ge   l o c a l   pr o pe r t i e s .   A s   c o n s e que n c e ,   o ur   pr o p o s e d   M M a l go r i t hm   wo r ke we l l   e v e n   i n   h o m o ge n e o us   c o l o ur   r e gi o n s .     3 . 2   L e af   ar e e s t im at ion   r e s u l t s   As   de s c r i be a b o v e ,   t h e r e   a r e   t w o   a ppr o a c h e s   f o r   L A   e s t i m a t i o n   o f   c uc u m be r   p l a n t s .   W i t h   t h e   to p - vi e im a ge s   o f   c uc u m be r   p l a n t s ,   t h e   L A   i e a c h   im a ge   i s   c o m put e a s   g i ve n   i ( 9 ) .   Ho we v e r ,   wi t h   s i de - vi e w   im a ge s   we   f i r s t   e s t i m a t e t h e   n u m be r   o f   l e a v e s   in   e a c h   im a ge   a n t h e n   e s t i m a t e t h e   L A   b a s e o n   m a n ua m e a s ur e m e n t s   g i v e n   i T a bl e   1.   I n   o r de r   to   e s t i mat e   t h e   n u m be r   o f   l e a v e s   i s i de - vi e im a ge s ,   we   f i r s t   f i nd   t h e   s ke l e t o n   o f   e a c h   c uc u m be r   p l a n t   a n t h e n   c o un t   t h e   n o de s   a l o n t h e s e   p l a n t s   s t e m s .   E a c h   n o de   h a s   a   l e a f .   T h e   pr o c e dur e   o f   s ke l e t o n   e x t r a c t i o n   i s   de s c r i be d   i n   F i gu r e   7.   T h e   o r i g i na l   im a ge   i F i gur e   7 ( a )   i s   us e f o r   s e g m e n t a t i o n .   F i gur e   7 ( b )   s h o ws   t h e   s e g m e n t a t i o n   r e s u l t   o f   o ur   p r o p o s e M M a l go r i t hm .   T he   b a c kgr o un o f   t h i s   s e g m e n t a t i o n   i m a ge   i s   c h a n ge d   to  wh i te   c o l o u r   a n d   gi v e n   i n   F i gu r e   7 ( c ) .   T h e   bi n a r y   i m a ge   i s   d e pi c t e d   i F i gu r e   7 ( d ) .   B y   us i n g   Z h a n g - S ue n   a l g o r i t hm   [ 4 8] ,   th e   m a i n   s te m s   o f   c uc um b e r   pl a n t s   a r e   gi v e n   i n   F i gur e   7 ( e ) .   As   de s c r i b e d   i F i gur e   8,   t h e r e   i s   n o   s i g nif i c a n t   d i f f e r e nc e   b e t we e n   t h e   e s t i m a t e a n m e a s ur e d   l e n gt h   o f   t h e   m a i c uc u m be r   s t e m .   T h e   r e l a t i ve   e r r or   o f   t h e s e   t wo   pa r a m e t e r s   v a r i e s   f r o m   4. 77%   to   8. 47  % ,   whi c h   i nd i c a t e s   t h a t   o ur   p r o p o s e a l go r i t hm   c a n   a c hi e v e   hi g h   a c c ur a c y   i m e a s ur i n t h e   l e n gt h   o f   th e   m a in  c uc u m b e r   s t e m .   T h e   hi g h e s t   v a l ue   o f   r e l a t i v e   e r r o r   i s   o nly   8. 47%   wh e n   D A T   i s   16  da y s .   T a bl e   pr o vi de s   a   s u mm a r y   o f   L e s t i m a t i o n   r e s u l t s .   I t   i n d i c a t e s   t h a t   t h e   r e l a t i v e   e r r o r   o f   o ur   pr o p o s e a ppr o a c h   i n c r e a s e s   f r o m   3. 76%   t o   13. 00% .   Ha vi ng  l a r ge r   o v e r l a ppe l e a f   r e g i o n s   i t o p - vi e w   im a ge s ,   t h e   r e l a t i v e   e r r o r s   o f   l e a f   a r e a   e s t i m a t i o w i t h   t h e   s a m e   c uc u m be r   p l a n t   a r e   n o r m a l ly   h i g h e r   t h a t h a i n   s i de - vi e i m a ge s .                 ( a )   ( b )   ( c )   ( d)   ( e )     F i gur e   7.   S c h e m a t i c   il l u s t r a t i n t h e   pr o c e s s   o f   s ke leto n   e x t r a c t i o n ( a )   o r i g i n a l   im a ge ,   ( b )   s e g m e n t a t i on   im a ge ,   ( c )   whi t e   b a c kgr o un s e g m e n t a t i o n   i m a g e ,   ( d)   bi n a r y   im a ge ,   a n ( e )   s ke l e t i o n   o f   c uc u m be r   p l a n t           F i gur e   8.   E s t i m a t e l e n gt h s   o f   m a i n   s t e m   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                                I S S N :   2502 - 4752   I n do n e s i a n   J   E l e c   E n &   C o m S c i ,   Vo l .   25 ,   N o .   1 J a n ua r y   20 22 317 - 328   326   T a bl e   3.   T h e   c o m pa r i s i o n   b e t we e n   to p - vi e a n s ide - vi e i m a ge s   pr o s e s s i ng  f o r   L A   e s t i m a t i o n   DAT   I ma ge   v i e w   LA e   LA m   RE   (%)   10   T o p - v i e w   198.6   207.3   4 .20   S id e - vi e w   199.5   3.76   12   T o p - v i e w   242.5   255.3   5.01   S id e - vi e w   244.3   4.31   14   T o p - v i e w   352.6   371.1   4.99   S id e - vi e w   356.2   4.02   16   T o p - v i e w   443.0   462.9   4.30   S id e - vi e w   440.6   4.82   18   T o p - v i e w   502.6   534.8   6.02   S id e - vi e w   498.6   6.77   20   T o p - v i e w   577.6   613.5   5.85   S id e - vi e w   565.3   7.86   22   T o p - v i e w   712.5   762.9   6.61   S id e - vi e w   709.6   6.99   24   T o p - v i e w   850.3   907.5   6.30   S id e - vi e w   845.3   6.85   26   T o p - v i e w   1028.3   1114.2   7.71   S id e - vi e w   1045.9   6.13   28   T o p - v i e w   1210.7   1328.3   8.85   S id e - vi e w   1207. 5   9.09   30   T o p - v i e w   1372.9   1578.0   13.00   S id e - vi e w   1382.7   12.38   A ve r a ge     6.63       4.   CONC L USI ON   T hi s   pa pe r   pr e s e n t s   t w n e e f f i c i e n t   a ppr o a c h e s   f o r   c uc um b e r   l e a f   a r e a   e s t i m a t i o n .   I n   t h e   f i r s t   a ppr o a c h ,   t h e   L A   o f   c uc u m be r   p l a n t s   i n   to p - vi e im a ge s   wa s   s im p ly   e s t i m a t e b a s e o n   t h e   c a l i br a t i o n   a r e a .   I n   t hi s   wa y ,   o ur   pr o p o s e a ppr o a c h   a c hi e v e s   a   hi g h   a c c ur a c y   r a t e   whil e   m i t i ga t i n t he   m a n ua c a m e r a   c a l i br a t i o n .   I n   t h e   s e c o n a ppr o a c h ,   t h r e e   pr o c e s s e s   i nc l ud i n ba c kgr o un e l im i na t i n g,   s ke l e t o n   e xt r a c t i o n ,   a n d   l e a f   n u m be r   e s t i m a t i o n   a r e   s e que n t i a ll y   a pp l ied  f o r   c uc u m be r   L A   e s t i m a t i o n .   Our   e x pe r i m e n t a l   r e s u l t s   de m o ns t r a t e   t h e   e f f e c t i v e ne s s   o f   o ur   pr o p o s e a pp r o a c h e s .   L i mi t a t i o n   o f   t h e   pa pe r   i s   t h e   f a c t   t h a t h e   qua l i t y   o f   c a pt ur e i m a ge s   b e   i nf l ue n c e by   a m b i e n t   l i g h t   n o i s e .   T he   a pp e a r a n c e   o f   s o m e   o v e r l a ppe l e a f   a r e a s   is   a l s o   t h e   m a i r e a s o o f   hi g h   r e l a t i v e   e r r o r .   T hi s   w o r k ,   h o we v e r   do e s   n o t   c o n s i de r   t h e   r e a l   t i m e   e s t i m a t i o n   o f   l e a f   a r e a .   T h e r e f o r e ,   o u r   f ut ur e   pl a n   i s   to   e n h a n c e   t h e s e   i s s ue s   w i t h   s o m e   r e a li s t i c   L A   e s t i m a t i o n   a l go r i t hm s .       AC K NOWL E DGE M E NT S   T hi s   wo r h a s   be e n   pa r t i a l ly   f u n de by   t he   pr o j e c t T 2019 - 05 - 04 T Đ  ( Vi e t n a m   N a t i o n a l   U ni ve r s i t y   o f   A gr i c u l t ur e ) .   T h e   a ut h o r s   wo ul li ke   to   t h a n t h e   P r o f .   T .   S u t i k n o   f o r   hi s   he l o n   o r ga ni z i ng  m a n us c r i pt s ,   a n t w o   a n o nym o us   r e vi e we r s   f o r   t h e i r   he l p f u a n d   v a l ua bl e   c o m m e n t s   t h a t   h a ve   gr e a t l y   im pr o v e t h e   pr e s e n t a t i o n   o f   t hi s   wo r k .       RE F E R E NC E S   [ 1]   M N I S a r ke r M S .   I s la m, M A . A li M .   S I s la m, M A .   S a l a m,  a nd  S H M a hmud P r o m o ti ng  di gi ta a gr ic ul tu r e   th r o ugh   bi da ta  f o r  s us ta in a bl e   f a r m m a na ge m e nt ,”   I nt e r nat io nal  J our nal  of  I nnov at io n and A ppl ie d St udi e s , v o l.  25, n o . 4 ,   2019.   [ 2]   M R R a ml i,   P T D a e l y D . - S K im a nd  J M L e e I o t - ba s e a da pt iv e   n e tw o r m e c ha ni s f o r   r e li a bl e   s ma r f a r s y s t e m,”   C om put e r s  and E le c t r oni c s  i n A gr ic ul tu r e , v o l.  170, p. 105287,  2020 do i 10.1016/j . c o mpa g.2020.105287.   [ 3]   M A c o s ta - C o ll ,   A O s pi n o S .   C a r b o ne ll - N a v a r r o J E s c oba r - D uque R .   P e ña   G a ll a r d o a nd  R .   Z a m o r a - M us a ,   S ubs tr a te   tr e a tm e nt   f or   th e   in c r e m e nt   of   e l e c tr i c   p o w e r   p o te n ti a f r o pl a nt s   mi c r o bi a f u e c e ll s ,”   I nt e r nat io nal   J our nal   of   E le c t r ic al   and  C om put e r  E ngi ne e r in g   ( I J E C E ) , vo l.  11, n o . 3, 2021,   d o i 10.1 1591/i je c e . v 11i 3.pp1933 - 1941.   [ 4]   S J it a na a nd  P.   C hi ml e k,  Q ua li t y   gr a di ng  of   s oy be a s e e d s   us in im a ge   a na ly s is ,”   I nt e r nat io nal   J our nal   of   E le c t r ic al   and   C om put e r  E ngi ne e r in g   ( I J E C E ) vo l.   9 , n o 5 , pp. 3495 - 3503, 2 019,   do i 10.11591/i je c e . v 9i 5.pp3495 - 3503.   [ 5]   L .  N . S mi th ,  W . Z ha ng, M . F .  H a ns e n,  I . J H a l e s , a nd M L . S mi th , “ I nn ov a ti v e  3d a nd 2d ma c hi n e   v is i o n m e th o ds   f o r  a na l y s is  of   pl a nt s  a nd c r o ps  i n t h e   f i e ld ,”   C om put e r s  i n i ndus tr y , v o l.  97, p p. 122 131, 2018 ,   do i 10.1016/j . c o mpi nd.2018.02.002.   [ 6]   C L i,   R A dhi ka r i,   Y Y a o A G .   M il le r K K a lb a ugh,  D L i,   a nd  K N e ma li M e a s ur in pl a nt   g r o w th   c ha r a c t e r is ti c s   u s in g   s ma r tp ho n e   ba s e im a ge   a na l y s is   te c hni qu e   in   c o nt r o ll e e n vi r o n me nt   a gr i c ul tu r e , ”  C om put e r s   and  E le c t r oni c s   in   A gr ic ul tu r e vo l.  168, 2020 ,   d o i 10.1016/ j. c o mpa g.2019.105123.   [ 7]   H A ndr ia nt o S S uha r di a nd  A F a iz a l P e r f o r ma nc e   e v a lu a ti o of   l o w - c o s I oT   ba s e c hl o r o ph y l me t e r ,”   B ul le ti of   E le c tr ic al   E ngi ne e r in g and I nf or m at ic s   ( B E E I ) vol 9 , n o 3, pp.   956 - 963 ,  2020 do i 10.11591/ e e i. v 9i 3.2014   [ 8]   P M R " A   N e ur a N e tw o r k   A ppr o a c t I d e nt i f y   H y p e r s pe c tr a I ma g e   C o nt e nt ,"   I nt e r nat io nal   J our nal   of   E le c tr ic al   &   C om p ut e r   E ngi ne e r in g vo l.   8 , n o 4 , pp. 2088 - 8708,   d o i 10.11591 /i je c e . v8i 4.pp2115 - 2125.   [ 9]   G Y a e al . R e v i e w   of   in di r e c o pt i c a m e a s ur e m e nt s   of   le a f   a r e a   i nd e x R e c e nt   a d v a nc e s c ha ll e nge s a nd  pe r s pe c ti ve s ,”   A gr ic ul tu r al  and f o r e s m e t e or ol ogy , v o l.  265, pp. 2019 d o i 10 .1016/j .a gr f o r m e t. 2018.11.033.   [ 10]   L K . R e dd e n, “ P la nt   f e a tu r e  de t e c ti o n us in c a pt ur e im a ge s ,”   uS P a te nt 2019 ,   doi :   10.1016/j .a gr f or m e t. 2018.11.033.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.