IMPLEMENTACION DE UNA RED NEURONAL PARA LA IDENTIFICACIÓN DE VALOR CULINARIO DE LAS SETAS

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1 XI CONGRESO INTERNACIONAL DE INGENIERIA DE PROYECTOS LUGO, Septiembre, 2007 IMPLEMENTACION DE UNA RED NEURONAL PARA LA IDENTIFICACIÓN DE VALOR CULINARIO DE LAS SETAS Ricardo Javier Bendaña Jácome (p), Oswaldo Gil Iglesias Abstract The world of the mushrooms is enormous; there are several species with differents sizes and more varied kinds. The identification of a mushroom is carried out for observation of a set of features and for comparison with other cases already defined and well-known. A lot of identification guides of species exist which allow the user the total or partial classification of a species observing of a series of characteristic. The neural networks technology allows to take advantage of this kind of identifying taking advantage of the acquired knowledge of an expert in training stage. The present work implements in a practical way a complete neural network that is able to identify, in straight way, the kind of a mushroom by means of a visual inspection carried out for non expert people.. Keywords: Mushrooms, neural networks, artificial intelligence Resumen La setas son parte de ciertos hongos. El mundo de los hongos es inmenso; se calculan unas cien mil especies distintas, de los tamaños y formas más variadas. La identificación de una seta se realiza por observación de una serie de rasgos y por comparación con otros casos ya definidos y conocidos. Existen numerosas guías de identificación de especies las cuales permiten la clasificación total o parcial de una especie observando de una serie de características. La tecnología de las redes neuronales artificiales permite aprovechar esta forma de identificar aprovechando el conocimiento adquirido de un experto en la fase de entrenamiento. El presente trabajo implementa de forma práctica una red neuronal completa que sirve para identificar, de forma automática, una especie de seta por simple observación de una serie de parámetros fácilmente observables para una persona no experta. Palabras clave: Setas, redes neuronales, inteligencia artificial 1. Introducción Los Las setas son muy variadas en forma y tamaño; es fácil encontrar formas de esferas, coliflores, copas, orejas o ramas pero las más frecuentes, suelen tener forma de paraguas. 12

2 Figura 1. Partes de una seta: 1. - Sombrero. 2.- Láminas. 3.- Anillo Pie Volva. Las partes principales de las setas comunes son pie, y sombrero. El pie representa el eje o bastón del paraguas, y el sombrero la tela que se abre. El color, el tamaño y la forma de las setas varían muchísimo con la edad, la humedad, la al tura del lugar y otros factores. Por eso para distinguir unas de otras no basta con mirar solo su aspecto. Cuando queremos conocer un árbol no miramos si es alto o bajo, grueso o delgado, si es mas o menos verde. Nos fijamos en la forma de sus hojas, en sus flores y frutos, y con esos detalles que no varían, podemos saber que clase de árbol es. Lo mismo sucede con las setas; e ellas también hay ciertos detalles que no varían en cada especie y que son independientes del tamaño y del aspecto general. 2. Objetivos. Los principales objetivos del proyecto son: Enumerar una serie de características morfológicas que nos permiten diferenciar unas setas de otras e incluso identificarlas. Estas características serán las variables de entrada de la red neuronal. Encontrar un conjunto de setas comunes y representativas de casi todos los géneros de setas; y definir para las mismas las características morfológicas del objetivo 1. Este conjunto de setas pasará a constituir los patrones de entrenamiento de la red neuronal. Encontrar una relación adecuada entre momentum, ratio de aprendizaje, y número de capas, para que la red neuronal cometa en mínimo error posible en la determinación del valor culinario de nuevos casos. Crear una sencilla aplicación que permita identificar un nuevo caso en función de las variables de entrada observadas. 3. Variables de entrada / salida. Las variables de entrada utilizadas para la implementación de la red neuronal han sido las siguientes: 0. - Forma del sombrero Superficie del sombrero Borde del sombrero Color del sombrero Tipo de himenio Clase de láminas Disposición y cantidad de láminas Color del himenio Color de las esporas Tipo de Anillo Forma del pie

3 Superficie del pie Capacidad de contener látex Capacidad de tener Volva Tipo de carne Color de carne Época Hábitat. A continuación de definen cada uno de los valores que podrían tomar las variables en función de las características de la seta. 0.- Forma del sombrero. El sombrero de las setas suele ser esférico al principio de su vida, con el tiempo se va abriendo y aplanándose, e incluso al hacerse viejo puede hundirse por el centro tomando forma de embudo. Con lo que podemos concluir qué la forma esta en función de la edad, a si pues se muestran en la siguiente figura las formas frecuentes de una seta de edad media. Figura 2. Formas del sombrero. A si pues para una seta con sombrero al introducir el valor de la forma del sombrero podrá tomar cualquiera de los siguientes valores: 1 Globoso. 2. Ovoide Acampanado Cónico Hemisférico Convexo Aplanado Mamelonado En forma de embudo. 1.- Superficie del sombrero. La superficie del sombrero puede ser lisa, brillante o mate; puede estar seca al tacto, suave o húmeda. Algunas setas se ponen viscosa con la humedad y parecen cubiertas de mucosidad. La piel puede estar cubierta de pelos cortos que le otorgan un aspecto aterciopelado, puede tener escamas en forma de pelusa o salientes; puede tener trozos de cubierta, verrugas, hoyos, etc. En la siguiente figura se muestran los caracteres en cuanto a superficie del sombrero, considerados en esta variable de entrada. Figura 3. Superficie del sombrero. 14

4 A si pues para una seta con sombrero al introducir el valor de la superficie del sombrero podrá tomar cualquiera de los siguientes valores: 0- Liso, normal Peludo Fibroso. 3. -Escamoso Con verrugas 5. - Con restos Membranosos 6. - Agrietado o cuarteado 7. - Con zonas concéntricas 8. Arrugado. 2.- Borde del Sombrero. El borde del sombrero puede presentar algunos detalles importantes: puede ser fino o grueso, saliente o remitido, incursado o enrollado, con jirones, ondulado liso, estriado, peludo. En la siguiente figura se muestran los caracteres en cuanto al borde del sombrero, considerados en esta variable de entrada. Figura 4. Borde del sombrero. Para una seta con sombrero el valor del borde del sombrero podrá tomar cualquiera de los siguientes valores: 0.- Normal, fino, liso Estriado Lamoso Aserrado Desflecado o con restos de cortina Rajado Con jirones del anillo Lobulado Ondulado Remitido o replegado. 3) Color del sombrero. El color del sombrero puede ser cualquiera; hay setas verdes, azules, violetas, amarillas, rojas, anaranjadas, blancas, negras, pardas y de todos los tonos intermedios imaginables. (Alguien las llamo flores de otoño). Pero el color no es mas que un carácter orientador; ya que este puede variar dentro de la misma especie con la edad, el ambiente, la humedad (la lluvia puede lavar y palidecer muchos colores), la luz. Algunos sombreros al empaparse de humedad, cambian de tono haciéndose más oscuros y diáfanos, como un terrón de azúcar al mojarse; se dice entonces que son higrófanos. Estos sombreros al secarse, lo hacen antes por el borde, que es donde hay menos carne, y a si se explica que la par te central tenga un color distinto del resto. El valor del color del sombrero podrá tomar cualquiera de los siguientes valores: 1. - Azul. 2. -Violeta. 3. -Rojo. 4. -Anaranjado. 5. -Rosado. 6. -Blanco Amarillo Amarillo verdoso Verde Pardo o marrón Negro o muy oscuro Gris. 4) Tipo de himenio. 15

5 Siempre que se recoge una seta es necesario mirar lo que esta debajo del sombrero, esta parte se llama himenio. Unas veces tendrá láminas dispuestas como los radios de rueda. Otras veces tendrá arrugas o pliegues, aguijones, puntas, pinchos blandos, poros o agujeritos. En las siguientes se pueden apreciar los distintos tipos de himenio. Figura 5. Tipos de himenio. El tipo de himenio podrá tomar cualquiera de los siguientes valores: 0. - No se aprecia el himenio Formado por láminas Formado por arrugas o pliegues Aguijones, puntas o pinchitos Poros o agujeros. 5) Clase de láminas. Esta parte de la seta que esta en la cara inferior del sombrero, es muy importante fijarse en ella, sobre todo cuando esta constituida por laminas. Estas láminas pueden ser todos iguales, o tener entre el las otras más pequeñas cerca del borde del sombrero, pueden ser numerosas y estar muy cerca unas otras o ser muy pocas y por lo tanto estar muy espaciadas. Pueden ser estrechas o anchas, sencillas y bifurcadas e incluso pueden relacionarse unas con otras por ciertos empalmes. Es importante saber si las láminas l legan asta el pie o no, esto puede verse fácilmente cortando la seta con un cuchi l lo verticalmente por el cent ro del sombrero. En algunas especies no llegan a tocar el pie por lo tanto son libres, en las que tocan el pie se llaman decurrentes. En otras ocasiones presentan una muesca cerca del pie y se llaman escotadas, etc. Todas esas formas y algunas mas se pueden apreciar en la siguiente figura. Figura 6. Clase de láminas. 16

6 Así pues para una seta con himenio formado por láminas al introducir el valor de clase de láminas éste podrá tomar cualquiera de los siguientes valores: 0. - No tiene láminas Separadas Libres Adherentes Escotadas Decurrentes Con muesca decurrente por un diente o línea Ventrudas y anchas Estrechas Fi lo aserrado Jaspeada De filo sinuoso. 6) Disposición y cantidad de láminas. La cantidad de laminas y como estén dispuesta es factor importante, a continuación se presenta una figura con 4 posibles disposiciones. Figura 7. Disposición y cantidad de láminas. A si pues para una seta con himenio formado por láminas el valor de disposición y cantidad de láminas podrá ser: 0. - No tiene Numerosas apretadas e iguales. 2. -Desiguales Escasas o espaciadas Bifurcadas. 7) Color del himenio. El color del himenio puede ser muy diverso además en algunas especies cambia con la edad, este indicador se puede usar para determinar si la seta es joven o vieja. Como en el caso del color del sombrero el color del himenio es un carácter orientador; ya que esta característica depende de varios factores. Por ejemplo el champiñón cultivado al principio tiene laminas rosadas, depuse pardo violáceas, de viejo casi negras. Así pues para una seta con himenio el valor del color del himenio podrá ser: 0. - No tiene Azul. 2. -Violeta. 3. -Rojo. 4. -Anaranjado. 5. -Rosado. 6. -Blanco Amarillo Amarillo verdoso Verde Pardo o marrón Negro o muy oscuro Ferruguminoso Gris. 8) Color de las esporas. El color de las esporas puede ser diverso, pero son frecuentes blancas, pardas, rosadas, y negras. Es muy importante para identificar una seta, saber cual es el color de sus esporas. Averiguarlo es sencillo por el siguiente procedimiento. Una partícula de polvo o de harina no se ve debido a que es demasiado pequeña, pero un montoncito de polvo o de harina se ve perfectamente. Lo mismo sucede con las esporas de las setas, aunque son pequeñas un montoncito de el las se puede apreciar. Si cortamos casi todo el pie y ponemos el sombrero en su posición natural tal como se aprecia en la figura. 17

7 Figura 8. Modo de obtener una esporada. Al cabo de unas horas se habrán amontonado en papel todas las esporas que han caído del himenio, por lo tanto podremos observar el color de la masa. Ese montón de esporas se denomina esporada. El valor del color de las esporas podrá ser: 1. - Azul Violeta Rojo Anaranjado Rosado Blanco Amarillo Amarillo verdoso Verde Pardo o marrón Negro o muy oscuro Ferruguminoso Gris. 9) Tipo de anillo. No todas las setas tienen anillo, pero en caso de que lo posean, es otra de las partes clave para su identificación. Hay que tener en cuenta que algunos anillos son muy fugaces y se desprenden con facilidad de la seta, por lo que hay que estar muy atento a cualquier resto que podamos encontrar adherido al pie. Los anillos pueden ser fijos o móviles. También pueden nacer en la parte superior, en el medio, o más bien en la par te baja del pie. Los hay de muy diversas consistencias, desde algunos francamente duros, hasta otros algodonosos, o incluso aquel los que son tan sólo una especie de telilla de araña muy frágil. En la siguiente imagen se muestran algunos tipos de anillo. Figura 9. Tipos de anillo. El valor del tipo de anillo podrá tomar cualquiera de los siguientes valores: 0. - No tiene Simple En péndulo o faldita Doble Curvado Embainador Cortiniforme. 10) Forma del pie. 18

8 La forma del pie también es un parámetro importante para su determinación a continuación se muestran las formas seleccionas para utilizar en la red neuronal. El valor de la forma del pie podrá ser: Figura 10. Formas del pie No tiene pie Recto, cilíndrico y esbelto Corto y grueso Lateral y excéntrico Curvado Estrechado en forma de raíz Ensanchado en la base Bulboso De otra forma. 11) Superficie del pie. La superficie del pie puede ser de aspecto muy diverso, por ejemplo; estriada con pelusa, fibrosa, escamosa, con dibujo de redecilla, con restos de cortina filamentosa o fibrosa, etc. En la siguiente figura se presentan los aspectos de la superficie del pie tomados para elaborar la red neuronal. Figura 11. Aspectos de la superficie del pie. Valores de la superficie del pie: 12) Látex No tiene pie Normal, liso Estriado Fibroso sedoso Peludo. 5.Granuloso Escamoso Con redecilla Con restos de cortina Restos viscosos Aspecto Harinoso. 19

9 Determinadas setas al cortarlas o apretarlas suelen rezumar líquidos, o simplemente expulsar unas gotitas de liquido. Este líquido se conoce con el nombre delátex. A si pues para una seta esta variable puede tomar dos valores: 13) Volva No tiene látex Tiene látex. Para terminar con el pie se explicara el detalle más importante que hay que observar antes de coger cualquier seta con himenio de láminas. Se t rata de la volva, una especie de funda que algunas especies poseen en la base del pie. Ciertas setas como las Amanitas, asoman fuera del suelo, están envueltas por una membrana similar a una cáscara de un huevo (pero más blanda). Una vez que crecen esa funda se rompe y cuando esta totalmente desarrollada solo quedan unos pocos restos de esa funda en el pie de la seta, es lo que l lamamos volva. A continuación se presenta una figura con las formas mas frecuentes de volva. Figura 12. Formas frecuentes de volva. A si pues para una seta esta variable solo podrá dos posibles valores: 14) Tipo de carne No tiene volva Tiene volva. La carne de las setas también proporciona datos útiles para su identificación. Por ejemplo ciertas especies cambian de color al cortarlas, otras desprenden líquidos. Su sabor puede ser dulce, picante, ácido, etc. para averiguarlo basta con probar un trocito, masticándolo y escupiéndolo enseguida. Así pues para la variable tipo de carne la seta podrá tomar los siguientes valores: 1. - Dura Firme Coriácea Fibrosa Quebradiza Blanda y/o frágil Mantecosa. 15) Color de la carne. El color de la carne de la seta también es un rasgo identificador de la misma. Así pues el valor del color de la carne podrá ser: 2. - Azul Violeta Rojo Anaranjado Rosado Blanco Amarillo Amarillo verdoso Verde Pardo o marrón Negro o muy oscuro Gris. 16) Época. 20

10 La época en que mas abundan las setas es en otoño, debido a que la temperatura es fresca y la lluvia es frecuente. No obstante, en verano, sobre todo si llueve de vez en cuando, puede adelantarse su aparición. En primavera surgen algunas especies. El invierno, es la peor estación. Al l legar el frió, solo continúan resistiendo algún tiempo ciertas especies. El clima regional influye mucho en la aparición de la mayoría de las especies. La variable época podrá ser: 1. - En temporada (final verano - otoño) Invierno Primavera Verano Todo el año o casi todo el año. 17) Hábitat. Los hongos se alimentas de materia orgánica (vegetal o animal), por ello no será difícil encontrarlos en lo lugares donde esas materias abunden. A si por ejemplo, en el suelo de bosques donde los restos de vegetación van descomponiéndose año tras año bajos las hojas, o en tierras muy abonadas. También son preferidos los sitios frescos que conservan cierto grado de humedad; por esa razón en los años frescos conviene buscarlos en hondonadas o declives por donde discurra el agua. A continuación se muestran los distintos ambientes tomados para real izar la red neuronal Tierras de labor poco cultivadas Estiércol y excrementos Prados y céspedes Ver tederos y escombreras Montones de serrín Sobre otras setas En pinares (bosques de coníferas) Sobre piñas Bajo abedules En choperas Sobre troncos o ramos de árboles En arenales Bajo distintos árboles y en boques en general Robledales Taludes. 18) Variable de salida. La variable de salida esta enfocada hacia la comestibilidad de la seta, esto depende del criterio de cada persona, pues ciertos autores l laman comestibles a setas de consistencia y sabor a serrín, las cuales solo tras largas manipulaciones culinarias pueden llegar a comerse; para otras personas que tienen temor o asco a estos alimentos ninguno merece la pena. Así pues se puesto la etiqueta de comestible a las setas verdaderamente apreciadas y de consumo extendido; y la etiqueta de buen comestible a las mejores de las anteriores. Las claramente venenosas son las mor tales y las altamente toxicas. Y en 2º grupo con la etiqueta de dudoso, no comestible o sin valor culinario se ha metido a todas las setas no venenosas ni toxicas que por determinados motivos no se comen. Los valores de la variable de salida serán las siguientes: 1. - Claramente venenosa Dudoso o no comestible o sin valor culinario Comestible Buen Comestible. 3. Patrones de entrenamiento y validación Para el entrenamiento de la red neuronal se han usado 110 especies de setas bien conocidas Para la validación de la red neuronal se han usado 40 especies. Por 21

11 motivos de espacio se muestran en la siguiente tabla sólo las 22 primeras especies de entrenamiento con su asignación de variables. Estas especies han sido descritas por Mariano García Rollán en su libro Manual para buscar setas, y en función de esas características se han completado las tablas de entrenamiento. Para cada seta se han determinado en valor de las 18 variables de entrada y de la variable de salida. 4. Estructura de la red. El último paso para la creación de la red neuronal es el entrenamiento. En el entrenamiento de la redes neuronales se deben tomar ciertas decisiones como el número de capas intermedias u ocultas, así como un valor de ratio de aprendizaje y del momentum; con el propósito de minimizar el error máximo cometido por la red neuronal hasta un valor que se considere adecuado. Después de los ensayos pertinentes la configuración elegida tiene un valor de ratio de aprendizaje = 0,3 y un valor de momentum = 0.9. La red está formada por 18 nudos en la capa de entrada, 13 nudos en la capa intermedia u oculta y un nudo en la capa de salida. Entre la capa de entrada y la capa intermedia u oculta existen 234 conexiones y entre la capa oculta y la capa de sal ida 13 conexiones. 22

12 Figura 13. Disminución del error frente a los ciclos de aprendizaje. En la siguiente figura se muestra la importancia asignada a cada variable después del entrenamiento. Figura 14. Relación de importancia de las variables de entrada. 5. Pruebas y conclusiones. Tras la creación de la red neuronal se realizo un test a la misma que consistía en introducir los valores de las variables de entrada de 10 setas que no han sido utilizadas en la validación ni en el entrenamiento. Las setas utilizadas para el test son las siguientes: Lepiota naucina, Psathyrella hydrophi la, Hebeloma radicosum, Col lybia platyphylla, Tricholoma pardinum, Leucopaxillus amarus, Pleurotus cornucopiae, Russula cyanoxantha, Hygrophorus agathosmus, Nyctal is asterophora. De los casos propuesto han fallado 2 casos de los 10 que se le propusieron. Nos encontramos ante una red neuronal que converge; además la convergencia es relativamente buena. Con la cual podemos afirmar que existe una relación entre las características morfológicas de las setas y su comestibilidad. Puesto que en función de las características de las setas podemos determinar la 23

13 comestibilidad con un grado de acierto. El sistema planteado no es un sistema perfecto, ya que presenta un error máximo de 11,96 % y un error mínimo del 0,025 %. Esto queda patente tras realizar el test de los diez casos a la red. Con lo cual resulta necesaria su remodelación para intentar mejorar la capacidad de acierto de la red y conseguir minimizar el error real cometido por la misma. Referencias Alonso, G. & Becerril, J.L. (1993), Introducción a la inteligencia artificial. Ed. Multimedia Ediciones S.A. Barcelona. Castro Cerceda, Marisa. (2000), Guía dos Cogomelos Comúns de Galicia. Edicións Xerais.Vigo. E. Lange, Jacob & D. Lange, Morten. (1981), Traducido por Xavier Llimona Pages. Guía de campo de los Hongos de Europa. Ediciones Omega. Barcelona. Freeman, James y M. Skapura, David. (1993), Redes neuronales. Algoritmos, aplicaciones y técnicas de programación. Ed. Addison-Wesley/Díaz de Santos. García Rollan, Mariano. (1982), Manual para buscar Setas. Ministerio de Agricultura y Pesca. Publicaciones de Extensión Agraria. Madrid. Gómez, Charo & Franco, Alberte. (1992), Guía didáctica de fungos e cogumelos de Galicia. Bahía Edicións, D.L. Gurney K., (1997), An Introduction to Neural Networks. UCL Press. Haykin, Simon. Neural Networks. Prentice Hall. New Jersey Lado, Carlos & Pando, Francisco. (1997), Myxomycetes, I. Ceratiomyxales, Echinosteliales, Liceales, Trichiales Real Jardín Botánico; Berlin : J. Cramer. M. Skapura, David. (2000), Building Neural Networks. ACM press. New York. Santos Juan Carlos, Juste Pablo & García Faustino. (1997), Las Mejores setas comestibles de la Península Ibérica y sus posibles confusiones Edilesa. Correspondencia (Para más información contacte con): Ricardo Bendaña Universidad de Vigo. Campus de Ourense. Facultad de Ciencias. As Lagoas s/n Ourense Teléfono: ricardojbj@gmail.com 24