Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Ngành trồng dâu nuôi tằm (Bombyx mori) giữ vai trò quan trọng trong nền nông nghiệp và công nghiệp dệt may truyền thống tại Việt Nam. Theo thống kê của Hiệp hội Tơ lụa thế giới, Việt Nam đứng thứ ba châu Á (sau Trung Quốc và Ấn Độ) và thứ sáu thế giới về xuất khẩu tơ tằm, với kim ngạch năm 2022 đạt 70 triệu USD/năm. Cả nước có 32 tỉnh thành phát triển nghề với 38.076 hộ nông dân (chiếm 0,24% tổng lao động nông nghiệp), trong đó vùng Tây Nguyên chiếm hơn 77% diện tích cả nước, tập trung nhiều nhất tại thành phố Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng (chiếm 75,53% diện tích tơ tằm toàn tỉnh với sản lượng khoảng 1.000 tấn tơ/năm và 5 triệu mét lụa). Nghề nuôi tằm mang lại giá trị kinh tế cao hơn từ 30% đến 50% so với trồng sắn, ngô hoặc đậu tương, với giá kén tằm loại A từng đạt mức 140.000 – 210.000 đồng/kg.

Vòng đời của tằm trải qua 4 giai đoạn: trứng, sâu tằm (ăn lá dâu 7–8 ngày qua các kỳ lột xác), kén nhộng (tằm chín nhả tơ kéo kén) và sâu bướm. Trong giai đoạn tằm ăn rỗi chuẩn bị làm kén, tằm rất nhạy cảm và dễ mắc các bệnh do virus, vi khuẩn, nấm hoặc ký sinh trùng. Những cá thể nhiễm bệnh không thể tạo kén và nhanh chóng lây lan sang các cá thể khỏe mạnh, gây tổn thất nghiêm trọng đến sản lượng kén thu hoạch. Thực tế sản xuất hiện nay phụ thuộc hoàn toàn vào việc người nông dân kiểm tra và nhặt tằm bệnh bằng tay trên nong, sàn. Phương pháp thủ công này tốn nhiều thời gian, công sức và dễ bỏ sót do mật độ tằm dày đặc.

Khi ứng dụng thị giác máy tính, phương pháp phát hiện đối tượng (Object Detection) bộc lộ nhược điểm lớn: tằm có tập tính bò đè lên nhau tạo sự chồng chéo phức tạp, khiến các khung giới hạn (bounding box) bị chồng lấn và không thể phân tách ranh giới hình học chính xác. Do đó, việc chuyển giao sang bài toán phân đoạn ảnh (Image Segmentation) ở cấp độ điểm ảnh (pixel-level) là hướng tiếp cận cần thiết để định vị chính xác vị trí và hình dạng tằm bệnh.

Mục tiêu nghiên cứu cụ thể:

  1. Thu thập, chuẩn hóa và gán nhãn chi tiết ở cấp độ điểm ảnh để xây dựng bộ dữ liệu hoàn chỉnh gồm 4.000 ảnh gốc (silkBLC) về tằm khỏe mạnh và tằm bệnh trong môi trường nuôi thực tế.
  2. Thiết kế, thử nghiệm và đánh giá phương pháp phân đoạn ảnh dựa trên các mô hình học sâu (FCN, U-Net, DeepLab, YOLOv8, PSPNet) kết hợp các kỹ thuật tiền xử lý và tăng cường dữ liệu; từ đó tinh chỉnh mô hình tối ưu phục vụ tự động hóa việc phát hiện tằm bệnh.

Đối tượng và phạm vi nghiên cứu:

  • Đối tượng nghiên cứu: Con tằm (Bombyx mori), môi trường nuôi dưỡng (nong tre, sàn nuôi), lá dâu (thức ăn và nền), tập trung vào các đặc điểm nhận dạng của tằm khỏe mạnh và tằm nhiễm bệnh.
  • Phạm vi không gian: Các nhà kho nuôi tằm hộ gia đình và trang trại tại khu vực phường Lộc Tiến cùng các vùng lân cận thuộc thành phố Bảo Lộc, tỉnh Lâm Đồng.
  • Phạm vi thời gian: Dữ liệu được ghi nhận qua 3 đợt nuôi thực tế từ tháng 3/2024 đến tháng 7/2024, giới hạn trong giai đoạn tằm ăn rỗi chuẩn bị lên né làm kén.

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Nghiên cứu ứng dụng các nguyên lý học sâu trong thị giác máy tính, giải quyết bài toán phân đoạn ảnh nhị phân (Binary Instance/Semantic Segmentation): phân tách lớp đối tượng mục tiêu ("tằm bệnh" – Foreground/Pixel 1) ra khỏi lớp nền ("tằm khỏe mạnh", lá dâu, nong/sàn – Background/Pixel 0).

Khung kiến trúc chủ đạo dựa trên mô hình Mã hóa – Giải mã (Encoder – Decoder):

  • Khối mã hóa (Encoder): Sử dụng các mạng tích chập sâu trích xuất đặc trưng ngữ nghĩa mức cao (high-level features) thông qua các phép tích chập và giảm mẫu (downsampling/pooling), giúp nén thông tin "đối tượng là gì" (what).
  • Khối giải mã (Decoder): Sử dụng kỹ thuật tăng mẫu (upsampling) bằng phép tích chập chuyển vị (transpose convolution) có khả năng học tham số, kết hợp với các kết nối tắt (skip connections) từ các tầng tích chập nông để khôi phục độ phân giải không gian và định vị chính xác "đối tượng ở đâu" (where).

Các mô hình được đưa vào khảo sát và so sánh bao gồm:

  • FCN (Fully Convolutional Network): Kiến trúc tích chập toàn phần thay thế các lớp kết nối dày đặc cuối cùng bằng tích chập 1x1.
  • U-Net: Kiến trúc đối xứng hình chữ U với hệ thống kết nối tắt chặt chẽ giữa encoder và decoder, được tùy biến tích hợp các mạng trích xuất đặc trưng (backbone) như VGG16, ResNet34, bổ sung Batch Normalization và Dropout để chống quá khớp (overfitting).
  • DeepLab (DeepLabV3): Sử dụng kỹ thuật tích chập giãn nở (Atrous Convolution) và mô-đun ASPP (Atrous Spatial Pyramid Pooling) để mở rộng trường tiếp nhận (receptive field) mà không làm mất độ phân giải không gian.
  • PSPNet (Pyramid Scene Parsing Network): Khai thác thông tin ngữ cảnh toàn cục thông qua mô-đun phân cấp kim tự tháp (Pyramid Pooling Module).
  • YOLOv8-seg: Mô hình phân đoạn đối tượng thời gian thực theo hướng tiếp cận một giai đoạn (one-stage).

Hệ thống sử dụng thuật toán tối ưu hóa Adam (Adaptive Moment Estimation) và các hàm mất mát/độ đo đánh giá chuẩn:

  • Binary Cross-Entropy (BCE) Loss: Đánh giá sai số phân loại nhị phân trên từng pixel.
  • Dice Coefficient / Dice Loss: Đo lường mức độ tương đồng giữa mặt nạ phân đoạn dự đoán ($P$) và mặt nạ thực tế ($G$): $Dice = \frac{2 |P \cap G|}{|P| + |G|}$.
  • Intersection over Union (IoU / Jaccard Index): Đo lường tỷ lệ diện tích giao trên diện tích hợp: $IoU = \frac{|P \cap G|}{|P \cup G|}$.
  • Pixel Accuracy, Precision, Recall: Đo lường độ chính xác tổng thể và khả năng tránh bỏ sót cá thể bệnh.
Nguồn dữ liệu & Kỹ thuật Đặc điểm kỹ thuật trong nghiên cứu
Thiết bị thu thập Điện thoại thông minh camera góc chụp thẳng đứng, độ phân giải chụp 1920x2560 pixels (màn hình hiển thị 1125x2436, 458 ppi).
Công cụ gán nhãn Labelme, xuất cấu trúc đa giác mặt nạ nhị phân lưu dưới định dạng JSON.
Độ tin cậy gán nhãn 02 chuyên gia nuôi tằm trực tiếp gắn nhãn, kiểm định tính nhất quán bằng hệ số Cohen's Kappa.
Tăng cường dữ liệu (Data Augmentation) Xoay góc (rotation), lật ảnh (flip), cắt vùng (crop), điều chỉnh độ sáng và độ tương phản (brightness & contrast).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Giới thiệu bài toán

Chương 1 thiết lập cơ sở lý luận và tầm quan trọng kinh tế của ngành dâu tằm tơ tại Việt Nam, đặc biệt là tiềm năng vùng nguyên liệu Bảo Lộc – Lâm Đồng. Tác giả phân tích chi tiết vòng đời 4 giai đoạn của tằm (Bombyx mori) và nhận diện nút thắt kỹ thuật trong giai đoạn tằm ăn rỗi: sự phát sinh và lây lan nhanh chóng của các dịch bệnh làm suy giảm nghiêm trọng sản lượng kén.

Chương này so sánh bản chất kỹ thuật giữa Object Detection và Image Segmentation. Do đặc tính sinh học của tằm là tập trung đông đúc và bò đè lên nhau, phương pháp bounding box truyền thống gây ra hiện tượng chồng lấn hộp nhãn, làm mất ranh giới phân tách. Tác giả khẳng định phân đoạn ảnh ở mức độ pixel là giải pháp khả thi nhất để nhận diện chính xác từng cá thể tằm bệnh trên bề mặt nong, sàn nuôi.

Chương 2: Các công trình nghiên cứu liên quan

Tác giả hệ thống hóa các nghiên cứu trong và ngoài nước:

  • Nghiên cứu trong nước: Điểm qua các công trình về bệnh học và sinh học như xác định Densovirus trên tằm tại Bảo Lộc (Hà Viết Cường và CS), chọn tạo giống tằm sắn miền núi phía Bắc và giống dâu lai F1 tam bội thể (Nguyễn Thị Len), bệnh hoại huyết lây qua da và môi trường (Nguyễn Thúy Hạnh và CS), ứng dụng màng fibroin kháng khuẩn (Nguyễn Thị Ngọc Phương). Nhìn chung, các nghiên cứu trong nước thuần túy tập trung vào nông học, công nghệ sinh học, hoàn toàn thiếu vắng các giải pháp thị giác máy tính và trí tuệ nhân tạo.
  • Nghiên cứu ngoài nước: Phân tích các mô hình phân loại và nhận diện tằm như AC-DenseNet của Yu Zhen và CS (đạt mAP 0,839 trên ảnh tằm đơn lẻ), mô hình CNN cơ bản của Nishali M Suvarna (độ chính xác 75% trên 1.000 ảnh), mô hình CA-YOLOv5 của Hongkang Shi và CS (đạt mAP 96,46% trên bài toán phát hiện đối tượng), cùng cơ sở dữ liệu di truyền SilkwormBase (chứa 618 ảnh chưa gán nhãn).
  • Vấn đề tồn tại: Thiếu bộ dữ liệu ảnh tằm thực tế có mật độ nhiều cá thể; các nghiên cứu trước chỉ xử lý ảnh tằm đơn lẻ trong phòng thí nghiệm; chủ yếu dùng phân loại ảnh hoặc bounding box không xử lý được chồng lấn. Từ đó, đề tài xác định hướng giải quyết: lập bộ dữ liệu silkBLC và triển khai phân đoạn ảnh sâu.

Chương 3: Dữ liệu

Chương 3 trình bày chi tiết quy trình xây dựng bộ dữ liệu silkBLC gồm 4.000 ảnh gốc thu thập từ các cơ sở chăn nuôi tại Bảo Lộc. Tác giả xây dựng sổ tay hướng dẫn gán nhãn (guideline) dựa trên 4 bệnh thực tế thường gặp ở tằm:

Bệnh học trên tằm Dấu hiệu nhận biết sinh học
Bệnh do nhiễm virus Thân teo nhỏ, màu vàng nghệ, da bóng, rỉ mủ, xu hướng bò lên thành nong.
Bệnh do vi khuẩn (hoại huyết) Thân nhỏ hơn bình thường, đổi màu nâu đen toàn thân.
Bệnh do nấm Thân còi nhỏ, phần đầu và thân bị bao phủ bởi lớp màng màu đen hoặc xanh lá.
Bệnh do ruồi ký sinh Tằm chậm lớn, còi cọc, xuất hiện nhiều đốm đen bất thường trên thân.

Quy tắc gán nhãn:

  • Toàn bộ các dạng bệnh được quy về duy nhất 1 lớp nhị phân ("tằm bệnh"), nền gồm tằm khỏe mạnh và môi trường xung quanh.
  • Sử dụng công cụ Labelme để tạo mặt nạ pixel lưu file JSON.
  • Đánh giá độ đồng thuận giữa 2 người gán nhãn bằng hệ số Cohen's Kappa, thiết lập cơ chế thảo luận đối với các mẫu khó (tằm bị dâu che khuất, tằm chồng đè).

Thống kê phân bổ dữ liệu: Trong 4.000 ảnh gốc, có khoảng 12.000 cá thể tằm bệnh và 80.000 cá thể tằm khỏe mạnh. Tập dữ liệu được phân chia ngẫu nhiên:

  • Tập huấn luyện (Training set): 3.800 ảnh.
  • Tập kiểm định (Validation set): 100 ảnh.
  • Tập thử nghiệm (Test set): 100 ảnh.

Chương 4: Phương pháp

Chương 4 phân tích các trường phái phân đoạn ảnh: Semantic, Instance và Panoptic Segmentation. Tác giả phân tích sâu cơ chế toán học của phép tích chập chuyển vị (Transpose Convolution) trong việc phục hồi kích thước không gian so với các phương pháp nội suy truyền thống (Nearest Neighbor, Bilinear, Bicubic).

Quy trình xử lý ảnh gồm 3 bước:

  1. Làm sạch và tiền xử lý: Khử nhiễu (noise removal), loại bỏ điểm ảnh mờ/bụi, chuẩn hóa kích thước và giá trị pixel.
  2. Tăng cường dữ liệu: Áp dụng xoay, lật, cắt ảnh, biến đổi độ sáng/tương phản trên các ảnh chất lượng tốt, mở rộng dữ liệu huấn luyện lên 5.120 ảnh.
  3. Thiết kế kiến trúc mô hình: Đề xuất mô hình U-Net tùy biến với mạng xương sống (backbone) ResNet34 đã tiền huấn luyện, bổ sung các lớp Batch Normalization và Dropout nhằm tối ưu hóa quá trình hội tụ và kiểm soát quá khớp khi huấn luyện bằng thuật toán Adam.

Chương 5: Thực nghiệm và đánh giá

Chương 5 trình bày kết quả thử nghiệm đa mô hình trên tập validation và test. Các mô hình FCN, DeepLabV3, PSPNet, YOLOv8 và U-Net (với các backbone khác nhau) được đưa lên bàn cân so sánh qua các chỉ số Pixel Accuracy, IoU, Dice Coefficient, Precision và Recall.

Tác giả thực hiện phân tích lỗi chuyên sâu (Error Analysis):

  • Khảo sát sự đánh đổi (trade-off) giữa Precision và Recall theo các ngưỡng quyết định (decision threshold) để chọn điểm cắt tối ưu.
  • Đánh giá hiệu suất mô hình theo mật độ phân bố của tằm trên mặt sàn.
  • Nhận diện 3 dạng lỗi điển hình: tằm bệnh nằm ở góc khuất trùng màu với lá dâu; tằm bị lá dâu che phủ một phần thân; tằm khỏe mạnh có nếp gấp cơ thể bị mô hình nhận nhầm thành tằm bệnh trong điều kiện thiếu sáng.

Chương 6: Kết luận và hướng phát triển

Tổng kết toàn bộ kết quả đạt được về mặt dữ liệu và mô hình; xác định các giới hạn thực tế cần hoàn thiện và phác thảo hướng nghiên cứu tiếp theo.


Kết quả và đóng góp

Nghiên cứu mang lại các kết quả thực nghiệm và đóng góp cụ thể:

Kết quả định lượng

Mô hình đề xuất Unet + ResNet34 (được tinh chỉnh với Batch Normalization, Dropout và Adam optimizer) đạt hiệu suất cao nhất trong các mô hình thử nghiệm:

  • Điểm số phân đoạn tổng hợp trên các độ đo chính (Pixel Accuracy, IoU, Dice Coefficient, Recall, Precision) đạt mức 0,9292 trên tập dữ liệu thử nghiệm.
  • Mô hình thể hiện khả năng khái quát hóa ổn định trong điều kiện mật độ tằm cao và có sự chồng lấn cá thể.

Đóng góp học thuật và thực tiễn

  • Bộ dữ liệu silkBLC: Đóng góp bộ dữ liệu hình ảnh phân đoạn tằm bệnh quy mô 4.000 ảnh gốc (chứa ~12.000 tằm bệnh và ~80.000 tằm khỏe) kèm nhãn đa giác pixel chi tiết, giải quyết sự thiếu hụt tài nguyên dữ liệu thị giác máy tính trong ngành dâu tằm tơ tại Việt Nam.
  • Giải pháp kỹ thuật: Chứng minh tính ưu việt của phương pháp phân đoạn ảnh (Image Segmentation) so với phát hiện đối tượng (Object Detection) đối với sinh vật nuôi có tập tính bò đè, phân bố dày đặc.
  • Khả năng chuyển giao: Cung cấp cơ sở thuật toán để tích hợp vào các hệ thống nhúng, thiết bị IoT tự động trên giàn nuôi tằm công nghiệp, hỗ trợ giảm tải sức lao động cho nông dân và hạn chế thất thoát kén tằm.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Dựa trên các phân tích thực nghiệm và phạm vi nghiên cứu, tác giả chỉ ra các hạn chế và hướng phát triển:

Hạn chế

  • Mô hình vẫn gặp khó khăn trong việc phân đoạn chính xác khi cá thể tằm bệnh bị lá dâu che phủ phần lớn cơ thể hoặc nằm ở các góc khuất có sắc tố trùng màu với thức ăn.
  • Dữ liệu mới chỉ gán nhãn nhị phân chung cho lớp "tằm bệnh" mà chưa phân loại chi tiết từng loại bệnh học cụ thể (chưa tách riêng virus, vi khuẩn, nấm, ruồi ký sinh trên nhãn mặt nạ).
  • Thử nghiệm mới dừng lại ở mức mô hình thuật toán trên máy tính cá nhân, chưa triển khai nhúng trực tiếp trên phần cứng robot/IoT tại xưởng nuôi.

Hướng nghiên cứu tiếp

  • Tích hợp mô hình học sâu vào các hệ thống camera giám sát IoT và cánh tay robot tự động định vị - gắp tằm bệnh trong thời gian thực.
  • Mở rộng tập dữ liệu silkBLC đa dạng hơn về điều kiện môi trường nuôi, đồng thời tiến tới bài toán phân đoạn đa lớp (Multi-class Segmentation) để chẩn đoán chính xác từng loại bệnh cụ thể.
  • Tối ưu hóa dung lượng mô hình bằng các kỹ thuật nén mạng (pruning, quantization) để triển khai trên các thiết bị biên (Edge AI) giá thành thấp.

Giá trị tham khảo

Khóa luận là tài liệu tham khảo giá trị cho các nhóm đối tượng:

  • Sinh viên, học viên ngành Khoa học Dữ liệu, Trí tuệ nhân tạo, Công nghệ Thông tin: Tham khảo quy trình hoàn chỉnh từ thu thập dữ liệu thực địa, xây dựng guideline gán nhãn nhị phân bằng Labelme, tính toán độ nhất quán Cohen's Kappa, đến cài đặt, tinh chỉnh các mạng phân đoạn ảnh (U-Net, ResNet backbone, Transpose Convolution).
  • Nhà nghiên cứu Nông nghiệp công nghệ cao và Kỹ thuật cơ điện tử: Tham khảo phương pháp tiếp cận thị giác máy tính thay thế cho các thao tác thủ công trong chăn nuôi côn trùng kinh tế, làm tiền đề thiết kế máy nhặt tằm tự động.
  • Phần đáng tham khảo nhất: Chương 3 (Quy trình xây dựng dữ liệu và tiêu chuẩn nhận diện bệnh tằm) và Chương 4 (Kỹ thuật tùy biến kiến trúc U-Net kết hợp ResNet34 và các cơ chế chống quá khớp).

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao nghiên cứu lại chọn bài toán phân đoạn ảnh (Image Segmentation) thay vì phát hiện đối tượng (Object Detection)?
Trả lời: Trong môi trường nuôi thực tế trên nong, sàn, các con tằm có tập tính sinh hoạt dày đặc và bò đè lên nhau. Nếu dùng Object Detection, các khung giới hạn (bounding box) sẽ bị chồng chéo nghiêm trọng (overlap) và không thể hiện được hình dạng biên chính xác. Phân đoạn ảnh giúp phân tách ranh giới từng pixel của tằm bệnh, giúp xác định chính xác vị trí và diện tích tổn thương.

2. Bộ dữ liệu silkBLC được thu thập ở đâu, quy mô thế nào và chia tập ra sao?
Trả lời: Bộ dữ liệu được thu thập tại nhà kho gia đình tác giả (phường Lộc Tiến, TP. Bảo Lộc, Lâm Đồng) và các trang trại lân cận qua 3 đợt nuôi (tháng 3/2024 đến tháng 7/2024). Bộ dữ liệu gồm 4.000 ảnh gốc (kích thước 1920x2560 pixels), chứa khoảng 12.000 tằm bệnh và 80.000 tằm khỏe mạnh. Tập dữ liệu được chia thành: 3.800 ảnh huấn luyện (Train), 100 ảnh kiểm định (Validation) và 100 ảnh thử nghiệm (Test). Sau tăng cường dữ liệu đạt 5.120 ảnh.

3. Tiêu chí gán nhãn tằm bệnh trong khóa luận được quy định như thế nào?
Trả lời: Việc gán nhãn tuân theo 3 tiêu chí: (1) Chỉ phân loại nhị phân gồm 1 lớp "tằm bệnh" (Foreground - giá trị 1) và lớp nền (Background - giá trị 0 gồm tằm khỏe mạnh, lá dâu, nong/sàn); (2) Gom chung tất cả các loại bệnh (virus, vi khuẩn hoại huyết, nấm, ruồi ký sinh) vào một lớp duy nhất do mọi cá thể bệnh đều không thể tạo kén; (3) Gán nhãn đa giác chi tiết đến từng pixel bằng công cụ Labelme và kiểm định độ tin cậy bằng chỉ số Cohen's Kappa giữa 2 người gán.

4. Mô hình nào đạt kết quả thực nghiệm tốt nhất và được tác giả đề xuất?
Trả lời: Mô hình U-Net kết hợp mạng xương sống ResNet34 (Unet+ResNet34) được tinh chỉnh thêm các lớp Batch Normalization, Dropout và tối ưu bằng thuật toán Adam là mô hình đạt hiệu suất cao nhất. Mô hình đạt điểm số đánh giá đồng đều ở mức 0,9292 trên các độ đo Pixel Accuracy, IoU, Dice Coefficient, Precision và Recall.

5. Những trường hợp nào khiến mô hình phân đoạn dễ mắc lỗi nhận diện sai?
Trả lời: Qua phân tích lỗi ở Chương 5, mô hình dễ nhầm lẫn khi: (1) Tằm bệnh nằm ở góc trên trùng màu sắc với lá dâu; (2) Tằm bị lá dâu che phủ một phần cơ thể; (3) Tằm khỏe mạnh bị nhận nhầm thành tằm bệnh do bóng đổ hoặc nếp gấp cơ thể trong điều kiện mật độ nuôi quá dày và thiếu sáng.


Kết luận

Khóa luận tốt nghiệp của tác giả Hồ Anh Khôi đã giải quyết bài toán tự động hóa nhận diện tằm bệnh trong giai đoạn ăn rỗi thông qua kỹ thuật phân đoạn ảnh học sâu. Công trình đóng góp bộ dữ liệu thực tế silkBLC gồm 4.000 ảnh được gán nhãn pixel chuẩn xác và đề xuất thành công mô hình Unet+ResNet34 đạt độ chính xác 0,9292. Kết quả nghiên cứu là bước đệm công nghệ quan trọng, mở ra tiềm năng ứng dụng trí tuệ nhân tạo và hệ thống tự hành vào ngành sản xuất dâu tằm tơ tại Việt Nam.