基于改进YOLOX-s的苹果花生长状态检测方法及验证分析.pdf
《基于改进YOLOX-s的苹果花生长状态检测方法及验证分析.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《基于改进YOLOX-s的苹果花生长状态检测方法及验证分析.pdf(6页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、1 6 2 中国农机化学报2 0 2 3年D O I:1 0.1 3 7 3 3/j.j c a m.i s s n.2 0 9 55 5 5 3.2 0 2 3.0 8.0 2 2高昂,卢传兵,任龙龙,等.基于改进YO L O X-s的苹果花生长状态检测方法及验证分析J.中国农机化学报,2 0 2 3,4 4(8):1 6 2-1 6 7G a o A n g,L u C h u a n b i n g,R e n L o n g l o n g,e t a l.D e t e c t i o n m e t h o d a n d v a l i d a t i o n a n a l y
2、 s i s b a s e d o n t h e i m p r o v e d Y O L O X-s a p p l e b l o s s o m g r o w t h s t a t e J.J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o n,2 0 2 3,4 4(8):1 6 2-1 6 7基于改进Y O L O X-s的苹果花生长状态检测方法及验证分析*高昂1,2,卢传兵3,任龙龙1,2,李玲2,4,沈向2,4,宋月鹏1,2(1.山东农业大学机械与电子工程学院,山
3、东泰安,2 7 1 0 1 8;2.山东省园艺机械与装备重点实验室,山东泰安,2 7 1 0 1 8;3.山东省烟台市农业技术推广中心,山东烟台,2 6 4 0 0 1;4.山东农业大学园艺科学与工程学院,山东泰安,2 7 1 0 1 8)摘要:为实现苹果园智能疏花,提出一种基于改进YO L O X-s的苹果花生长状态检测方法。采集并建立苹果花数据集,以用于网络模型的训练和验证,搭建YO L O X-s模型,对主干网络进行改进,在输出特征后两层加入C B AM注意力机制模块,采用E I OU作为模型的回归函数,在后处理阶段引入F o c a l L o s s损失函数,以提高模型对拥簇苹果花的
4、检测能力,提高模型的平均精度。结果表明改进后的YO L O X-s模型精确度为9 1.7 5%,相比未改进前提升0.5%,召回率提升6.1 9%,平均精度提高4.2 8%。该研究为实现苹果花生长状态智能检测提供技术支持,指导智能化疏花精准决策。关键词:苹果花检测;YO L O X;智能化果园中图分类号:S 2 4 文献标识码:A 文章编号:2 0 9 55 5 5 3(2 0 2 3)0 8 0 1 6 20 6收稿日期:2 0 2 2年9月2 0日 修回日期:2 0 2 2年1 0月2 6日*基金项目:山东省现代农业产业技术体系果品产业创新团队资金(S D A I T0 61 2、S D A
5、 I T0 60 4、S D A I T0 60 7);烟台市科技计划项目(乡村振兴类)(2 0 2 2 X C Z X 0 9 7)第一作者:高昂,男,1 9 9 5年生,山东枣庄人,博士研究生;研究方向为农业信息化与智能化。E-m a i l:2 0 1 9 1 1 0 1 0 3s d a u.e d u.c n通讯作者:宋月鹏,男,1 9 7 1年生,山东泰安人,博士,教授;研究方向为智能化农机装备等。E-m a i l:u p t o n s o n g 1 6 3.c o mD e t e c t i o n m e t h o d a n d v a l i d a t i o
6、n a n a l y s i s b a s e d o n t h e i m p r o v e d Y O L O X-s a p p l e b l o s s o m g r o w t h s t a t eG a o A n g1,2,L u C h u a n b i n g3,R e n L o n g l o n g1,2,L i L i n g2,4,S h e n X i a n g2,4,S o n g Y u e p e n g1,2(1.C o l l e g e o f M e c h a n i c a l a n d E l e c t r i c a l
7、 E n g i n e e r i n g,S h a n d o n g A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,T a i a n,2 7 1 0 1 8,C h i n a;2.S h a n d o n g P r o v i n c i a l E n g i n e e r i n g L a b o r a t o r y o f A g r i c u l t u r a l E q u i pm e n t I n t e l l i g e n c e,T a i a n,2 7 1 0 1 8,C h i n a;3.S
8、h a n d o n g Y a n t a i A g r i c u l t u r a l T e c h n o l o g y P r o m o t i o n C e n t e r,Y a n t a i,2 6 4 0 0 1,C h i n a;4.S c h o o l o f H o r t i c u l t u r a l S c i e n c e a n d E n g i n e e r i n g,S h a n d o n g A g r i c u l t u r a l U n i v e r s i t y,T a i a n,2 7 1 0 1
9、8,C h i n a)A b s t r a c t:I n o r d e r t o r e a l i z e i n t e l l i g e n t b l o s s o m t h i n n i n g i n a p p l e o r c h a r d s,t h i s p a p e r p r o p o s e s a n i m p r o v e d YO L OX-s a p p l e b l o s s o m g r o w t h s t a t e d e t e c t i o n m e t h o d.F i r s t,t h e a
10、p p l e b l o s s o m d a t a s e t w a s c o l l e c t e d a n d e s t a b l i s h e d f o r t h e t r a i n i n g a n d v e r i f i c a t i o n o f t h e n e t w o r k m o d e l,a n d t h e n t h e YO L OX-s m o d e l w a s b u i l t,a n d t h e b a c k b o n e n e t w o r k w a s i m p r o v e d.
11、T h e C o n v o l u t i o n a l B l o c k A t t e n t i o n M o d u l e(C B AM)a t t e n t i o n m e c h a n i s m m o d u l e w a s a d d e d t o t h e t w o l a y e r s a f t e r t h e o u t p u t f e a t u r e s,E I OU w a s u s e d a s t h e r e g r e s s i o n f u n c t i o n o f t h e m o d e
12、l a n d t h e F o c a l L o s s f u n c t i o n w a s i n t r o d u c e d i n t h e p o s t-p r o c e s s i n g s t a g e t o i m p r o v e t h e m o d e l s a b i l i t y t o d e t e c t c l u s t e r e d a p p l e b l o s s o m s a n d i m p r o v e t h e a v e r a g e a c c u r a c y o f t h e m
13、o d e l.T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t h e a c c u r a c y o f t h e i m p r o v e d YO L OX-s m o d e l w a s 9 1.7 5%,w h i c h w a s 0.5%h i g h e r i n p r e c i s i o n,6.1 9%h i g h e r i n r e c a l l r a t e,a n d 4.2 8%h i g h e r i n a v e r a g e p r e c i s i o n t h a n b e f
14、 o r e.T h i s r e s e a r c h p r o v i d e s t e c h n i c a l s u p p o r t f o r t h e r e a l i z a t i o n o f i n t e l l i g e n t d e t e c t i o n o f a p p l e b l o s s o m g r o w t h s t a t u s t o g u i d e t h e a c c u r a t e d e c i s i o n o f i n t e l l i g e n t b l o s s o m
15、 t h i n n i n g.K e y w o r d s:a p p l e f l o w e r d e t e c t i o n;YO L O X;i n t e l l i g e n t o r c h a r d第4 4卷 第8期2 0 2 3年8月中国农机化学报J o u r n a l o f C h i n e s e A g r i c u l t u r a l M e c h a n i z a t i o nV o l.4 4 N o.8A u g.2 0 2 3第8期高昂 等:基于改进YO L O X-s的苹果花生长状态检测方法及验证分析1 6 3 0 引
16、言苹果是我国主要的大宗水果,在全国广泛种植,目前无论是种植面积还是产量都居世界首位。随着现代化果园的建立,对苹果产生过程机械化和智能化提出了新的要求,其中在果树管理中,开花强度是决定疏花的关键因素1,直接影响果实品质。因此迫切需要实现苹果花生长状态智能检测,代替传统人工识别,以增加检测的客观性和准确率,从而提高苹果园智能化作业,提高经济效益。随着机器视觉技术的迅猛发展1,国内外学者运用机器学习和图像处理技术在苹果花检测中做了大量研究,陈国防等2研究了基于数据增强深度学习的苹果花检测方法,采用Y O L O V 4作为识别模型。杨其晟等3研究了改进的Y O L O V 5苹果花生长状态检测方法,
17、并对网络进行改进以增加检测精度。S u n等4对苹果花、桃花和梨花轮廓进行语义分割并确定当前花瓣状态。以上研究采用深度学习技术对苹果花生长状态进行研究,但对于实际应用领域轻量级识别模型适应嵌入式设备的研究较少,因此需要解决轻量级网络识别苹果 花 的 问 题。基 于 此,本 文 提 出 基 于 改 进 的YO L O X 苹果花生长状态检测方 法,在网络中 加入C B AM注意力机制模块,采用E I OU作为模型的回归函数,在后处理阶段引入F o c a l L o s s损失函数,在网络模型参数较少的同时提高其识别精度,为实现苹果花生长状态智能检测提供技术支持。1 试验与方法1.1 图像采集与
18、预处理本试验图像数据采集点为山东农业大学苹果试验田(东经1 1 7.1 2 2 9 6,北纬3 6.2 0 0 7 1 3),采集时间为2 0 2 2年4月上旬,在白天的不同时间段采用荣耀2 0s智能手机进行苹果花图像采集,如图1所示,该试验田苹果品种为富士苹果。同时为了方便后续的网络模型训练,对采集后的苹果花图像进行处理,首先统一缩放到6 0 8像素6 0 8像素,并对图像进行数据增广以增加图像的广泛性防止过拟合,最终得到苹果花数据集为8 6 8张。图1 采集的苹果花图像F i g.1 I m a g e o f a p p l e f l o w e r c o l l e c t e d
19、采用l a b e l I m g图像标注工具对图像中的苹果花进行标注5,标注后会生成苹果花的分类和坐标信息并以文档的形式存储,根据使用要求转化成不同的格式。1.2 Y O L O X深度学习网络YO L O X是一种典型的单阶段目标检测网络结构,相比双阶段目标检测网络结构,单阶段目标检测网络结构检测速度更快,检测精度稍逊6。这为深度学习网络的实际应用提供了可能,YO L OV 3使用全卷积网络提取图像特征,在网络中大量使用了残差结构,解决了梯度消失和梯度爆炸的问题,同时YO L OV 3采用了新的主干网络D a r k N e t和新的优化函数等,获得了更快的检测速度和检测精度。YO L O
20、 X目标检测网络结构的出现进一步提升该系列的检测精度和速度。同样,如图2所示,YO L O X目标检测网络也由四部分组成,分别为输入、主干网络、颈部和预测7。输入:在输入阶段YO L O X目标检测网络采用了M o s a i c和M i x u p数据增强方法,两种数据增强方法通过图像随机缩放、剪裁、自由拼接等操作有效提高数据的泛化能力。主干网络:主干网络是整个检测模型的核心,负责将输入的图像进行特征提取并输出相应的特征图。YO L O X网络使用C S P D a r k n e t 5 3网络,该网络使用了R e s i d u a l残差网络,并在最后一层使用全连接层,具有很强的特征提
21、取能力。颈部:颈部是F P N特征金字塔的构造,用于增强特征提取。F P N可以融合不同形状的特征层,有助于提高模型的性能和小目标的检测能力8。预测:在预测阶段YO L O X网络使用解耦头放弃了以往该系列使用的先验框,同时使用S i mOT A策略,可以将正样本动态匹配到不同大小的对象。图2 Y O L O X网络结构示意图F i g.2 S c h e m a t i c d i a g r a m o f YO L O X n e t w o r k s t r u c t u r e1.3 Y O L O X目标检测网络的改进1.3.1 添加C o n v o l u t i o n
22、a l B l o c k A t t e n t i o n M o d u l e(C B AM)注意力机制模块 C B AM模块 是一种有 效 且 轻 量 级 的 注 意 力 模块9,在众多的分类网络和目标检测网络中表现优异,在几乎不影响网络运行速度的同时提升了分类和检测精度。C B AM模块在给定中间特征图的情况下沿着两个独立维度顺序推导出注意力图,然后将该图与输1 6 4 中国农机化学报2 0 2 3年入特征图相乘以进行自适应优化1 0,所以C B AM模块结合了空间注意力模块和通道注意力模块,首先将特征图导入通道注意力模块,获得相应的注意力图,输入特征映射与注意力映射相乘,其输出通
23、过空间注意力模块,在空间注意力模块执行通道注意力优化后的特征映射与注意力映射相乘,最后输出增加注意力的特征图,表达式如式(1)和式(2)所示。F=Mc(F)F(1)F=M s(F)F(2)式中:F 输入特征映射;F 通道注意力优化后的特征映射;Mc(F)通道注意力输出;M s(F)空间注意的输出;F 注意力模块的特征输出。在本文中使用预训练权重对模型训练能够加快模型训练的速度,后期模型需要移植到嵌入式设备,因此对网络结构输出的最后两层输出加入注意力机制,如图3所示。图3 Y O L O X加入注意力机制示意图F i g.3 S c h e m a t i c d i a g r a m o f
24、 YO L OX a d d i n g a t t e n t i o n m e c h a n i s m1.3.2 优化的损失函数损失函数主要是评价网络预测的准确性和指导权重更新1 1。适合的损失函数能够使得网络训练收敛得更快,获得的精度更高。YO L O X的损失函数主要由b o x_l o s s、o b j_l o s s和c l s_l o s s三部分组成,b o x_l o s s用来计算目标框与真实框的位置信息差,o b j_l o s s用来判断目标框中是否存在目标物体,c l s_l o s s用于监督类别分类,YO L O X的损失函数如式(3)所示。L o s s
25、=b o x_l o s s+o b j_l o s s+c l s_l o s s(3)在YO L O X损失函数中,采用G I O U_L o s s计算目标框与真实框之间误差的置信度损失,但是该函数具有一定的局限性,当目标框与真实框包含重合的时候,无法有效地检测出重叠的目标1 2,由于苹果花是聚集性的小目标,这对于苹果花的检测是不利的。因此,采用本文采用E I O U_L o s s1 3提高检测精度,该函数在C I OU的基础上分别计算宽高的差异值取代了纵横比,使得目标框更接近真实框。E I O U_L o s s=1-I O U-2(b,bg t)c2+2(w,wg t)cw2+2(
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 基于 改进 YOLOX 苹果 花生 状态 检测 方法 验证 分析
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,个别因单元格分列造成显示页码不一将协商解决,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【自信****多点】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【自信****多点】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。