Elaboración de base de datos de fotografías de granos de café seco con diferentes defectos físicos, caracterizados

con métodos estándar de PDI y clasificación.

PROPONENTES

JUAN CAMILO BORRERO BECERRA

CAMILO ANTHOLYN DIAZ MOLANO

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA ELECTRÓNICA

COLOMBIA, BOGOTÁ2015

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Elaboración de base de datos de fotografías de granos de café seco con diferentes defectos físicos, caracterizado

con métodos estándar de PDI y clasificación.

PROPONENTES

JUAN CAMILO BORRERO BECERRA COD. 20091005018

CAMILO ANTHOLYN DIAZ MOLANO COD. 20091005030

ANTEPROYECTO

DIRECTOR

ING. GERARDO ALCIDES MUÑOZ QUIÑONES

UNIVERSIDAD DISTRITAL FRANCISCO JOSE DE CALDAS FACULTAD DE INGENIERIA

PROYECTO CURRICULAR DE INGENIERIA ELECTRÓNICA COLOMBIA, BOGOTÁ

2015

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Tabla de contenido

1. Introducción......................................................................................................................................................4

2. Planteamiento del problema..............................................................................................................................4

3. Objetivo General...............................................................................................................................................5

4. Objetivos Específicos........................................................................................................................................5

5. Justificación......................................................................................................................................................6

6. Estado del Arte..................................................................................................................................................7

7. Marco Teórico...................................................................................................................................................8

8.1. Café en Colombia..............................................................................................................................................8

8.1.1. Generalidades..............................................................................................................................................8

8.1.2. Proceso de producción del café seco........................................................................................................10

8.1.3. Economía y comercialización del café.....................................................................................................11

8.1.4. La calidad del café....................................................................................................................................12

8.2 Clasificación de productos............................................................................................................................13

8.3. Etapas principales de un sistema de procesamiento digital de imágenes....................................................13

8.3.1. Adquisición y adecuación de las imágenes...............................................................................................13

8.3.2. Caracterización.........................................................................................................................................14

8.4. Principales Defectos del Grano....................................................................................................................15

Granos negros:................................................................................................................................................15

Granos sobre fermentados:.............................................................................................................................15

Granos partidos:..............................................................................................................................................15

Granos verdes:................................................................................................................................................15

8.4.1. Imágenes Estándar De Granos Defectuosos.............................................................................................16

8. Alcance y limitaciones....................................................................................................................................17

8.1. Alcance..................................................................................................................................................18

8.2. Limitaciones..........................................................................................................................................18

9. Metodología....................................................................................................................................................18

10. Recursos.....................................................................................................................................................19

10.1. Recursos Humanos................................................................................................................................19

10.2. Recursos Físicos....................................................................................................................................20

10.3. Recursos Financieros.............................................................................................................................20

11. Cronograma de Actividades......................................................................................................................20

12. Bibliografía................................................................................................................................................22

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1. Introducción

Hoy en día Colombia es uno de los mayores productores de café del mundo, debido a la alta calidad y exquisito sabor de este grano que se cultiva en gran parte del país, pocos conocen el proceso que es llevado a cabo por los caficultores, las empresas comercializadoras y las trilladoras de este producto para que sea de gran calidad. El café colombiano es de los mejores del mundo no solo por los beneficios ambientales que nos regala nuestro país, si no también, porque este sufre un proceso de clasificación para que solo sean exportados y/o trillados los granos que se encuentren en excelentes condiciones físicas, ya que sus defectos se ven reflejados tanto en el sabor como en el aroma de esta valorada bebida colombiana. Este proceso de clasificación en la actualidad se hace manualmente, es decir, tanto trilladoras como comercializadoras seleccionan a ojo los granos de café buenos de los granos malos, siendo este proceso arduo y repetitivo teniendo en cuenta que Colombia produjo en el último año 11,7 millones de sacos de 60kg [1], además de ser una clasificación muy básica ya que solo se separan los granos buenos de los malos y no se hace un estudio de sus defectos para mejorar los cultivos y la maquinaria cafetera.

La implementación de un sistema basado en el procesamiento digital de imágenes (PDI) es una alternativa conveniente ya que permitirá la extracción de características de forma color y textura del grano, que son los parámetros principales con los cuales un experto hace la clasificación manual, siendo de gran ayuda para un trabajo de cooperación junto con el operario, con el fin de aumentar la eficiencia y disminuir el error en la clasificación.

Este proyecto pretende generar una base de datos de fotografías con los principales defectos de los granos de café seco, en un ambiente controlado, que permita elaborar un sistema PDI para posteriormente identificar el defecto o los defectos de cada grano, para que con ayuda del operario pueda agilizarse este proceso.

2. Planteamiento del problema

La clasificación de granos de café seco es una tarea esencial para la elaboración de cafés Premium como los que caracterizan a nuestro país, además de esto también depende el precio al que se vende, ya que solo son exportados y trillados los granos en excelentes condiciones físicas para la fabricación de estos cafés.

Actualmente este proceso de clasificación se realiza manualmente, por un operario calificado, siendo el “cuello de botella” de todo el proceso del café, ya que en Colombia las cosechas se dan en una o dos épocas del año, según la región, con duración de pocas semanas, por lo que los 11.7 millones de sacos de café producidos al año se venden en estas semanas, generando gran congestión, en las comercializadoras y en las trilladoras, donde las filas para vender la cosecha le puede costar un día entero de trabajo a un caficultor. Por lo tanto este el proyecto pretende generar, las bases necesarias para que en un futuro se pueda desarrollar un sistema capaz de

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colaborar con este proceso, para agilizarlo y minimizar el error generando una base de datos de fotografías de los problemas físicos de granos de café, clasificados por un experto y caracterizados mediante una serie de algoritmos de procesamiento digital de imágenes, que permitan extraer las características necesarias para hacer una clasificación de las fotografías de los granos, en los 4 defectos más comunes presentes en Colombia. Esto nos brinda una base teórica y una base de datos de imágenes características de los principales defectos físicos de los granos en nuestro país; siendo esto de gran utilidad para posteriores estudios en el área de agricultura cafetera de gran relevancia en Colombia.

Se han hecho varios trabajos en el área, pero todos haciendo uso de solo una de las características que nos pueden dar las imágenes de los granos, es decir, por la forma, por el color o por la textura, en donde se utilizaron métodos estándar y de clasificación estadística además no se estudia a profundidad los conceptos en el análisis de las características física de los granos, por lo que no se evalúa cuales variables son las más representativas, lo que incrementa las posibilidades de error y solo se aplican herramientas ya establecidas.

3. Objetivo General

Elaborar una de base de datos de fotografías de granos de café seco, con granos tanto defectuosos como grano en excelentes condiciones físicas, típicos de nuestro país, para caracterizarlos con métodos estándar de procesamiento digital de imágenes y posteriormente realizar una clasificación.

4. Objetivos Específicos

∙ Diseñar un contenedor capaz de proveer un ambiente controlado tanto en iluminación como de un fondo homogéneo para la toma de fotografías de granos de café en buenas condiciones físicas y también con los 4 principales defectos reconocidos por la federación nacional de cafeteros de Colombia (tipo1, tipo2 tipo3 tipo4).

∙ Clasificar las fotografías de los granos de café seco en cada defecto físico por parte de un experto en el tema.

∙ Realizar un pre procesamiento de las imágenes que permita segmentarlas para eliminar la información irrelevante del fondo en la caracterización de las mismas.

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Hacer un estudio del estado del arte de las mejores características de las imágenes que∙ permitan la realización de un clasificador.

Implementar algoritmos que nos permitan extraer las características previamente∙ seleccionadas.

Hacer un estudio para elegir el mejor modelo de clasificación en base a las características∙ extraídas de las imágenes.

Evaluar el sistema utilizando el modelo de validación cruzada.∙

5. Justificación

En el mercado actual no existe un dispositivo electrónico capaz de hacer la clasificación de los granos de café seco, esta clasificación normalmente es echa por una o varias personas capacitadas en la diferenciación de los granos, además sólo se hace una clasificación simple, es decir, solo se separan los granos buenos de los granos malos, y tampoco se realiza un estudio de los defectos de la cosecha que se está clasificando, asimismo es un proceso lento y repetitivo para el personal. Por lo anterior se pensó que se podría elaborar una base de datos, con las fotografías de los principales defectos físicos de los granos de café en Colombia, la cual no existe públicamente y es de gran importancia para un país como Colombia, el cual basa su economía en la agricultura cafetera, además desarrollar un sistema completo que permitiera realizar la clasificación de los granos, a partir de sus características extraídas mediante por procesamiento digital de imágenes. Este proyecto pretende hacer uso de las tres principales característica que se pueden identificar en las imágenes, como lo son, la forma, el color y la textura, ya que esto nos permitirá hacer una clasificación más profunda de los granos con la que se espera identificar el tipo de defecto que estos posean. En la implementación de los algoritmos se debe tener en cuenta la optimización de los mismos ya que en un futro trabajo es posible la implementación de estos sobre un DSP o un micro-controlador de gran potencia que sea capaz de ejecutarlos en tiempo real y hacer la clasificación muy rápidamente.

6. Estado del Arte

Los sistemas de procesamiento digital de imágenes se han convertido en una solución sencilla y eficaz para los problemas cotidianos de control presentes en la agricultura. Los excelentes resultados obtenidos han incrementado el interés por el desarrollo de proyectos aplicados a diferentes procesos agrícolas, especialmente en las etapas de cosecha de cultivos y en el control de calidad. Ejemplos de estas aplicaciones son: la recolección de tomates [25], manzanas [26], naranjas [27], tomates-cereza [28]; así como la clasificación de papas [17], olivas [18], brócoli [19], nueces de pistacho [16] y

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manzanas [15]. Sin embargo, todavía se presentan problemas especialmente en la adquisición de imágenes donde los ambientes no son controlados, y en los dispositivos actuadores.

Hasta ahora en el la industria cafetera no se ha implementado ningún sistema de procesamiento digital de imágenes para la clasificación de los granos en ninguno de sus defectos, pero si se ha investigado y elaborado algunos trabajos sobre esto, el más significativo [29] es un proyecto que se centra en la evaluación de las características físicas de los granos de café a través de un modelo de clasificación automática de defectos. El modelo utiliza un paso de segmentación que discrimina el fondo de la imagen del grano de café con un algoritmo de seguimiento contornos, y con ayuda de, un CGLCM para extraer las características de textura del grano y una máquina de vectores de soporte para la tarea de clasificación, se logra clasificar con una precisión de 86%. También se ha trabajado con procesos más sencillos pero menos discriminativos únicamente con la utilización del color, en este trabajo[30] se utiliza la técnica de umbralización multinivel, en busca de dar solución a la baja y mediana producción de las fincas cafeteras, debido a que estas fincas no cuentan con un medio más adecuado en costo y producción para la selección del café en la presentación excelso de una manera automática y se ven en la necesidad de seleccionar este producto de manera manual.

Otro de los mecanismos utilizados en trabajos anteriores, es la comparación de imágenes o imagen matching, siendo este método mucho menos discriminativo que los demás, ya que solo es capaz de decir si un grano es aceptado o rechazado[31], esto proceso consiste en la selección de granos de café mediante una imagen patrón, ya que debido a las características del café se puede llegar a determinar si un grano es aceptado o rechazado solo con el color, también existen otras características importantes, sin embargo para efectos prácticos en este trabajo se hizo referencia en especial a esta característica. Por consiguiente se trabajó con una de las técnicas más conocidas y utilizadas desde hace mucho tiempo, el histograma, por otro lado cabe resaltar que para la realización de las pruebas se tomaran imágenes realizadas por el autor.

Por último, se ha trabajado la clasificación del grano de café por etapas de maduración, este proceso es más sencillo ya que técnicamente solo se debe tener en cuenta las características de color [32] y con la ayuda del método de clasificación bayesiana, se pueden identificar los granos de café en tres grados de maduración, donde se seleccionaron como características, los valores RGB y HIV. En el problema de procesamiento de imágenes, se separan en K clases con una probabilidad mínima de error de clasificación, todos los parámetros en cada clase son conocidos. El conjunto de parámetros en cada imagen se toman como los patrones de entrada para establecer una regla de Bayes empírica que separa las K clases y conduce a un procedimiento de aproximación estocástica para la estimación de los conjuntos desconocidos.

7. Marco Teórico

El proyecto se encuentra fundamentado y construido por varios campos principales a los que se debe realizar una contextualización teórica, enmarcada en el procesamiento digital de imágenes y la agricultura. Estas áreas se exponen a continuación.

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8.1. Café en Colombia

8.1.1. Generalidades

El cafeto o planta productora de café es un arbusto que se da en región tropical de la tierra. Pertenece a la familia de las rubiáceas, genero Coffea, y la especie es la denominada Arábica L [2]. El café arábica L tiene numerosas variedades, de ellas las que se cultivan en Colombia con mayor intensidad son la variedad típica, Borbón, caturra, Maragigipe y la variedad Colombia. La variedad Colombia se obtuvo en el Centro Nacional de investigaciones del café (Cenicafé), con base en el café caturra y el híbrido del timor, esta variedad es resistente a la roya [15].

El fruto del cafeto es una baya drupácea, conformado por: una cubierta exterior llamada pulpa, una sustancia gelatinosa azucarada que recibe el nombre de mucílago, una cubierta dura que se denomina pergamino o cáscara, una cubierta más delgada y fina llamada película y finalmente, una almendra que es la parte del fruto que una vez tostada y molida se utiliza para la producción del café en bebida. La pulpa está formada por el exocarpio (epidermis), que es la capa externa del fruto y cuyo color varía desde verde o amarillo hasta rojo o rojo intenso y algunas veces hasta violeta o negro. El color depende de la variedad de café y del grado de madurez del fruto [15].

Figura 1. Planta de café, en cosecha.

Crecimiento y desarrollo del fruto de café

La fase reproductiva del café inicia con la aparición de las primeras flores. Se considera como la primera floración, el momento en que por lo menos el 50 % de las plantas han florecido. Esta fase

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continúa con el desarrollo del fruto y culmina con la maduración y cosecha [3]. Desde la floración hasta la maduración transcurren aproximadamente entre 220 y 240 días. El fruto pasa por varias etapas de crecimiento, y su desarrollo en el tiempo describe una curva sigmoidal doble. La maduración de los frutos no es uniforme debido a las diversas floraciones, y depende de las condiciones climáticas particulares. El desarrollo del fruto se puede describir en tres etapas [4].

Figura 2. Curva sigmoidal doble del crecimiento del fruto de café.

• Primera etapa: Desde la floración hasta la semana 8 (60 días). Se caracteriza por un crecimiento lento, los frutos presentan un color verde y su forma se parece a la cabeza de un fósforo, presentan consistencia gelatinosa y no hay formación de la semilla.

• Segunda etapa: Desde la semana 9 hasta la 26 (desde los 75 días hasta los 195 días). Esta etapa se caracteriza por un crecimiento acelerado de los frutos tanto en dimensiones como en peso fresco. El color sigue siendo verde.

• Tercera etapa: Desde la semana 27 hasta la 32 (desde los 135 días hasta los 240 días). Durante esta fase el fruto cambia de color verde a rojo amarillo y adquiere madurez fisiológica hasta quedar listo para la cosecha.

8.1.2. Proceso de producción del café seco

A continuación se describirá cada una de las etapas de producción del café seco.

Cultivo

Esta etapa comprende todas las actividades relacionadas con la siembra, fructificación y recolección del fruto de café. Dadas las características de fructificación de los cafetos colombianos, donde en una misma rama es posible encontrar granos maduros, pintones, verdes y hasta flores, se ha adoptado un sistema de recolección que consiste revisar varias veces el árbol para coger solamente los frutos plenamente maduros. Este sistema de recolección selectiva tiene ventajas tales como la uniformidad y buena calidad del producto, sin embargo, incrementa la necesidad de mano de obra, por lo que la recolección representa entre el 30% y el 40% de los costos totales de producción [5]. La recolección

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del café en Colombia se hace manualmente ya que la topología de la zona no facilita la mecanización. En áreas planas de Australia, Brasil y Hawaii, se han implementado recolectores mecanizados. Por ejemplo, vibradores de follaje y batidores mecánicos [6]. El primer sistema aplica vibraciones hacia abajo y adelante sobre las ramas laterales y los frutos, por medio de dedos mecánicos, de tal forma que se desprendan los frutos maduros. Y los batidores mecánicos consisten en la aplicación de temblor en el tallo para provocar el desprendimiento del fruto maduro. Utilizando estos métodos la calidad de la cosecha disminuye debido al alto porcentaje de frutos inmaduros que se desprenden [7].

Figura 3. Ramas de café en épocas de cosecha [35].

Beneficio

El beneficio del café es un conjunto de operaciones realizadas para transformar el café en cereza, es decir, el grano recién cosechado aun con la cascara, en café seco. Existen dos formas de realizar este proceso, por vía húmeda o por vía seca. En Colombia se hace beneficio del café por vía húmeda, y comprende cuatro etapas que son: la descerezada, la fermentación, el lavado y el secado. Descerezar o despulpar es quitarle a los granos la cereza o pulpa de color rojo que los cubre. La fermentación, consiste en dejar vinagrar los granos descerezados durante varias horas. El lavado del café, es el único proceso en el que se requiere indispensablemente el agua, que se usa para remover los residuos de mucílago que quedan en contacto con el café pergamino después de la fermentación. Y el secado, que puede hacerse al sol o por sistemas mecánicos.

La trilla

La trilla consiste en quitarle al café pergamino seco el pergamino, es decir la cobertura gruesa, de color amarillo oro que protege la almendra (café verde). El resultado de la trilla es café verde que es la forma como se exporta el café colombiano.

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8.1.3. Economía y comercialización del café

Brasil, Colombia y Viet Nam cubren el 50% del mercado mundial cafetero de un total de 52 países productores y exportadores de café [8]. El volumen de producción anual de café en el mundo fluctúa entre 100 y 110 millones de sacos de 60 kilos (aproximadamente 6 millones de toneladas de café). Colombia produce entre 12 y 15 millones de sacos [2], este aporte lo ubica como el segundo productor mundial del grano después de Brasil y el primer país productor de cafés suaves [10]. La variedad producida por Colombia tiene identidad propia y se denomina "suaves colombianos". Cuatro tipos de cafés se comercializan internacionalmente. Estos son: los suaves colombianos, otros suaves, robustas y Brasileros, y otros arábicos.

Colombia exporta principalmente a Estados Unidos, Europa y Japón. El consumo en Estados Unidos y Europa Occidental ha mostrado cierto grado se saturación, mientras que el mercado en Japón y los países de Europa Oriental se comporta de una manera más dinámica. En los últimos años, la comercialización internacional del café ha significado para la economía nacional cerca del 30% del ingreso total de divisas por concepto de las exportaciones provenientes del sector agrícola (divisas por valores hasta de 1500 millones de dólares) [2]. Las actividades relacionadas con la producción de café generan empleos directos e indirectos al 35% de la población económicamente activa del país (más de tres millones de personas) [9].

El área sembrada, que asciende a 1’137.000 hectáreas, representa el 29% del área cultivada nacional. La caficultura colombiana, a partir de 1970 registra tasas anuales de incremento de la producción del orden de 5 al 6 %, a pesar de mantener un área de cultivo constante. Este comportamiento es el resultado de la tecnificación de la caficultura; el 57% de las fincas se encuentran tecnificadas [10]. La actual situación mundial cafetera soporta una peligrosa sobreproducción que se refleja en la inestabilidad de los precios y una ardua competencia entre los países productores. Sin embargo, los precios de venta del café colombiano siempre han estado en niveles superiores a los de los otros países exportadores debido a su apreciada calidad.

8.1.4. La calidad del café

La calidad del café se evalúa con base en sus características físicas y sensoriales como la apariencia, el color y el olor del café en pergamino, almendra y tostado; así como por medio de sus características organolépticas tales como el aroma, la acidez, el amargor, el cuerpo y el sabor de la bebida. La calidad está determinada genéticamente pero es influenciada por diferentes factores tales como las condiciones de cultivo, el clima, el suelo, los cuidados fitosanitarios, las prácticas agronómicas (principalmente la cosecha y el beneficio), y también la preparación de la bebida [11]. El café colombiano tiene una calidad reconocida mundialmente y ha sido apreciada por los países consumidores como una de las mejores dentro de los cafés arábicos. La alta calidad del café colombiano se debe a las variedades que se cultivan, al manejo de las plantaciones, a la oferta

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ambiental y principalmente a la recolección que a diferencia de muchos países se hace de forma manual y selectiva.

Los frutos sobremaduros y verdes causan el defecto de fermento, ya sea con sabores agrios, a frutas, a cebolla, rancios o nauseabundos. La presencia de más del 2.5% de granos verdes producen deterioro de la calidad. Estos frutos representan un problema ya que no se despulpan, se fermentan y se convierten en granos negros. Se ha concluido en varias investigaciones que la mejor calidad se consigue procesando sólo frutos maduros [11]. También se demostró que se obtienen diferentes aromas y sabores según el estado de madurez del café que se procese [13]. Por ejemplo, el café maduro produce sabores dulces, suaves a caramelo y mayor acidez.

Los consumidores tienen diferentes preferencias respecto a las características del café. Por ejemplo, a los franceses e italianos les gustan las bebidas con alto amargor y cuerpo, mientras que los alemanes disfrutan café con altas calificaciones de acidez y aroma, y moderado cuerpo [13]. Durante 1989 se notó el crecimiento en el consumo de los cafés especializados o de alta calidad. Las tiendas de café ”coffee shops” dedicadas a vender cafés de una refinada selección y calidad se han multiplicado en casi todos los países industrializados de Europa, en los Estados Unidos, en Japón y en Korea. Por estas preparaciones se cobra casi un 50% más del valor de un café común. Colombia tiene excelentes posibilidades de conquistar estos mercados produciendo calidades especiales para el gusto de los consumidores refinados que están dispuestos a pagar hasta el doble del precio de un café normal. Además se aprecia en estos países una preferencia por los cafés que garanticen la menor exposición a contaminantes de origen químico como fertilizantes o pesticidas [14].

8.2 Clasificación de productos

La clasificación manual es una tarea poco eficiente y de gran cuidado además sus costos pueden ser altos, ya que se requiere un gran número de trabajadores para separar los productos que cumplen determinadas características. En la clasificación electro-óptica el número de categorías para la clasificación es reducido. Por ejemplo, un dispositivo electro-óptico utilizado para clasificar nueces de pistacho sólo puede clasificar en dos categorías: aceptado ó rechazado; en muchos procesos se necesita que el producto se pueda separar en más de dos clases [16].

La clasificación que emplea técnicas de procesamiento digital de imágenes se hace con base en el análisis de una imagen digital del producto. De cada imagen se pueden extraer propiedades del producto tales como: la forma, el tamaño, el color, etc.. La clasificación de productos por medio de procesamiento digital de imágenes comprende los siguientes pasos principales: adquisición de las imágenes, segmentación de los objetos presentes en la imagen, extracción de las características de los objetos, interpretación de éstas y la asignación a una categoría.

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Sistemas de clasificación usando procesamiento digital de imágenes han sido implementados con éxito en los procesos productivos de papas [17], olivas [18], brócoli [19], nueces de pistacho [20] y manzanas [21].

8.3. Etapas principales de un sistema de procesamiento digital de imágenes

8.3.1. Adquisición y adecuación de las imágenes

La adquisición de una imagen digital es el primer paso cuando se utiliza un sistema de procesamiento digital de imágenes. Esto se hace por medio de un sensor y si es el caso, un sistema digitalizador.

El sensor puede ser una cámara fotográfica o de video. Si la señal producida por la cámara es análoga entonces se utiliza un convertidor análogo digital para digitalizarla y guardarla en el computador. El sistema de adquisición comprende además de la cámara un equipo de iluminación y un fondo. Para obtener una buena imagen, es necesario poseer una iluminación adecuada la cual depende de la tarea que se desea realizar. Una iluminación inapropiada conlleva a la alteración de las características del objeto en la imagen. Al controlar el fondo se procurando realzar el objeto de interés aislándolo de los otros objetos presentes en el entorno.

Después de obtener la imagen digital, se inicia el preprocesamiento de la imagen. El objetivo del preprocesamiento es mejorar la imagen, principalmente filtrando el ruido y aumentando el contraste. A continuación sigue la etapa de segmentación, la cual consiste en la separación de los objetos presentes en la imagen. La salida del proceso de segmentación son los datos de ubicación de los píxeles ya sea del contorno de un objeto o de toda una región.

8.3.2. Caracterización

Las imágenes no segmentadas contienen mucha información redundante. Estos datos elevan la carga computacional y no son útiles para el proceso de análisis. Por esta razón se extrae la información pertinente, a estos rasgos extraídos se les llaman características y un vector de tales características se conoce como modelo o patrón [22]. Las características son usadas como entradas a los algoritmos para la clasificación de los objetos dentro de diferentes categorías.

Según Pavlidis las características de un objeto en una imagen pueden ser externas o internas [23]. Las características externas de la imagen describen la información del contorno de los objetos. Las características extraídas de las propiedades de los píxeles dentro del contorno son llamadas características internas de la imagen.

Por medio de las características externas se obtiene información de la forma y el tamaño del objeto. Con base en el contorno se pueden hallar características morfológicas que definen las dimensiones físicas del objeto así como su apariencia [24]. Algunas de las características morfológicas más

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utilizadas son: el área proyectada, el perímetro, la longitud de los ejes, el volumen, el diámetro y la redondez. Los descriptores de Fourier dan información espectral del objeto, al tomar su contorno cerrado como una función periódica con periodo 2π. Una función periódica con un dominio de [0, 2π], en condiciones generales se puede representar por una expansión en series de Fourier. Los descriptores de Fourier son la frecuencia y amplitud de los armónicos. Otra forma para describir el contorno de un objeto es por medio del código de cadena. Esta codificación consiste en asignar a un contorno específico una cadena de símbolos que determinan unívocamente el correspondiente contorno. Existen otros métodos para obtener los rasgos discriminantes del contorno tales como: los momentos de una función bidimensional acotada y cerrada en el espacio, la transformada onditas, la transformada de Fourier del código de cadena, etc..

Por medio de las características internas se obtiene información del color y la textura del objeto. Para caracterizar el color de un objeto se analizan las componentes de los diferentes modelos de color en cada píxel del objeto. Un modelo de color es la definición de un sistema tridimensional de coordenadas donde cada color queda representado por único punto. Los modelos más utilizados en en análisis de imágenes son el RGB (Red Green Blue) y el HSI (Hue Saturation Intensity). En el modelo RGB, cada color se divide en sus componentes espectrales primarios rojo, verde y azul. Mientras que en modelo HSI, la componente que cuantifica la intensidad está desacoplada de la información cromática, es decir, del tono (describe un color puro) y la saturación (cantidad de luz blanca que modifica el color).

Las características que definen el color son diferentes variables estadísticas, tales como la media y la varianza, de cada uno de los componentes de los modelos de color. Para caracterizar la textura, que es la distribución espacial del color en el objeto, se usan variables estadísticas y estructurales tales como: funciones de autocorrelación, modelos autoregresivos, transformadas ópticas, elementos estructurales, probabilidad de coocurrencia espacial de los niveles de color, suma y diferencia de los histogramas, entre otros [15].

8.4. Principales Defectos del Grano

Los granos defectuosos pueden tener su origen tanto en la plantación, como en el proceso de beneficiado húmedo. Es muy importante conocer estos granos, debido a que en la comercialización del café, comprador y vendedor deben acordar mediante un contrato, la cantidad de granos defectuosos presentes en la muestra de acuerdo con la preparación establecida.Cuando se habla de preparación se refiere al modo o forma de seleccionar y clasificar un café, tomando en cuenta el aspecto físico del grano, forma, tamaño, coloración y la cantidad de imperfecciones presentes en la muestra, y por supuesto las características organolépticas de la bebida tales como la fragancia, el aroma, el cuerpo, la acidez y el sabor. Es importante mencionar

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que, dependiendo del grano defectuoso y la cantidad de éstos en la muestra, así será su influencia en provocar una taza o bebida defectuosa [34].

Los granos comúnmente considerados como defectos son:

Granos negros: Provienen ya sea de frutos no desarrollados por el ataque de enfermedades fungosas, o por deficiencias nutricionales, pueden separarse en la clasificación.

Granos sobre fermentados: De coloración pálida y apariencia cerosa, con la hendidura marcadamente libre de tegumentos y el germen reventado si el daño es total. Generalmente provienen de granos rezagados en el equipo y pilas de fermentación.

Granos partidos: Muestran una abertura longitudinal por efecto de la trilla. Los granos con más del 12% de humedad tienden a aplastarse, abriéndose por los extremos.

Granos verdes: Granos decolorados, caracterizados por poseer la típica forma de media luna, con la cara plana hundida y de tamaño ligeramente inferior al normal, generalmente con la película plateada firmemente adherida.

Granos blanqueados o descoloridos: Presentan una decoloración uniforme o bien, parches blancos irregularmente distribuidos. Ocurre en un café mal almacenado o en partidas con más del 12% de humedad.

Granos encerados: Coloración y apariencia cerosa, resultado de una deficiencia de hierro.

Granos manchados: Muestran manchas o parches de diferentes coloraciones sin alterar la textura de la porción manchada.

Granos con película rojiza: Tamaño, peso y forma normal. Se originan por cosechar el fruto muy maduro, o por retardar el despulpado. La característica es que la película plateada presente en un grano normal, se torna de un color rojizo.

Granos brocados: Presentan una o más perforaciones en distintos sentidos provocados por la broca del café.

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8.4.1. Imágenes Estándar De Granos Defectuosos

El siguiente poster muestra las imágenes de los principales defectos que presenta el café, el trabajo humano se reduce a encontrar cada uno de estos defectos y clasificarlos utilizando únicamente sus sentidos.

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Figura 4. Poster de efectos físicos del café [34].

8. Alcance y limitaciones

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8.1. Alcance

El trabajo consiste en la elaboración de una base de datos de imágenes de granos de café clasificados en granos buenos y en cada uno de los 4 defectos más comunes, estas imágenes serán tomadas con fondo e iluminación controlados por grano de café; a cada imagen se le medirán, ciertos parámetros relacionados con su color, su forma y su textura con el fin de que la base de datos de imágenes sea una herramienta que facilite el diseño de sistemas de clasificación de los granos de café.

Haciendo uso de algunos de los parámetros aportados por la base de datos de imágenes se construirá un clasificador que permita diferenciar cada uno de los 4 defectos más comunes de los granos de café y los granos en buen estado.

8.2. Limitaciones

Las limitaciones para este proyecto son la obtención de los granos de café de los 14 defectos reconocidos por la federación nacional de cafeteros de Colombia, ya que algunos de ellos son rara vez vistos debido a que son causados por errores en el tratamiento del grano con técnicas antiguas; otra limitación en el proyecto está en el gran parecido que presentan algunos granos de café con defectos distintos, los cuales son difíciles de diferenciar incluso para los expertos por lo que no es posible comprometerse a desarrollar un sistema que sea capaz de clasificarlos.

Dado que la gran mayoría de los defectos de los granos de café presentan muchas similitudes (según los expertos), no es posible garantizar la exactitud del clasificador.

9. Metodología

En lo que concierne al desarrollo de este proyecto de grado, en una fase previa se hace el planteamiento del objetivo general y los específicos que servirán como fundamento para el planteamiento del problema y guía en la investigación de antecedentes y bibliografía. En este proyecto lo primero a tener en cuenta son los antecedentes y tecnologías usadas en el procesamiento digital de imágenes.

En la primera etapa se recolectara una gran cantidad de granos de café sin cascara, para que con ayuda de un experto que los clasifique se puedan obtener al menos 20 granos por cada defecto que vamos a clasificar.

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La segunda etapa consistirá en el acondicionamiento de un espacio que permita que las fotos a tomar posean el mismo fondo y las mismas condiciones de iluminación. Para este fin se hará uso de una cámara e iluminación profesional.

Como tercera etapa se tiene el proceso de la toma de las fotografías a cada grano previamente clasificado por el experto, las fotos serán tomadas a igual distancia del grano y centradas en un fondo blanco.

La cuarta etapa consistirá en hacer un estudio y elección de los posibles parámetros que en el procesamiento digital de imágenes sean útiles para clasificar los granos de café, dado que los antecedentes sobre este proyecto son escasos es posible que sea necesario proponer algunos.

Como quinta etapa se implementará un algoritmo en un software que permita segmentar los granos de café para que de esta forma se reduzca el tamaño de las fotos con el fin de agilizar el proceso de la medición de los parámetros de cada foto.

La sexta etapa consistirá en la implementación de los algoritmos necesarios para realizar la medición de los parámetros establecidos anteriormente.

Para la séptima etapa se construirá la base de datos de las imágenes de granos de café en la cual cada imagen tendrá como información adicional el valor de cada parámetro y dichas imágenes estarán clasificadas según el defecto que posea el grano.

La octava etapa consistirá en la implementación de algoritmos que permitan clasificar algunos de los defectos (los más comunes) de los granos de café haciendo uso de la base de datos de imágenes construida.

Para la última etapa se realizara la validación del clasificador utilizando el modelo de validación cruzada, donde se usara el 80% de las fotografías para entrenamiento y el 20% restantes para validación.

10. Recursos

El desarrollo de este trabajo de grado implica fundamentalmente la dedicación de dos estudiantes de ingeniería electrónica, quienes son los proponentes de este proyecto de grado.

10.1. Recursos Humanos

● Estudiante - Camilo Antholin Diaz Molano● Estudiante - Juan Camilo Borrero Becerra

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● Director. Gerardo Alcides Muñoz Quiñones

10.2. Recursos Físicos

● Computador Portátil● Artículos y posters de café.● Libros de visión artificial y procesamiento digital de imágenes.● Cámara Digital de alta resolución.

10.3. Recursos Financieros

|Recursos Físicos (asumidos por los autores)

Elemento Total Horas Valor de cada hora (estimativo) Total

2 Computadores 1000 ------------------------------- $2’000.000

Internet 500 400 $ 200.000

Libros 50Gratuito (Biblioteca pública,

Universidad)0

Software de

simulación y desarrollo 100 Libre 0

Total Recursos

Físicos$ 2’200.000

11. Cronograma de Actividades

ACTIVIDADES MESES

Mes 1 Mes 2 Mes 3 Mes 4 Mes 5 Mes 6

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4

Revisión bibliográfica y recopilación de

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información.Recolección de granos de café y transporte Clasificación de los granos del café por el experto

Obtención de los elementos necesarios para realizar la toma de las fotografías Montaje de equipos de fotografía y toma de estas.Estudio y elección de los parámetros a medir en las imágenes.

Implementar algoritmo para la segmentación de las imágenes.Implementar algoritmo que permita la medición de los parámetros de las imágenes.Medición de los parámetros de cada imagen Organización de las imágenes de la base de datos.Implementación de algoritmos para la clasificaciónUtilizar el modelo de validación cruzada para evaluar el clasificadorElaboración y Presentación delDocumento final.

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12. Bibliografía

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