融合光电色选的皮带筛式油茶果壳籽分选机设计与试验

针对油茶果批量脱壳后壳籽混杂、人力分选效率低的问题，研究设计了一种融合光电色选的皮带筛式油茶果壳籽分选机。根据油茶果壳、籽与倾斜传送带间摩擦角、碰撞系数的差异，设计振动皮带筛进行初分选；利用两者灰度差异，对壳中残留籽进行二次光电分选。对皮带筛上油茶果壳、籽进行运动学与动力学分析，发现皮带倾角、皮带速度和振动频率是影响振动初分选率的主要因素；以籽箱清洁率、壳中含籽率为试验指标，开展正交旋转组合试验。当皮带倾角为19°、皮带速度为1.50m/s、振动频率为55.40Hz时，其籽箱清洁率为95.52%、壳中含籽率为24.30%，对最优参数进行试验验证，优化结果可靠。对不同茶籽比率的物料进行光电分选试验，结果表明籽箱清洁率稳定在98.23%左右，壳中含籽率保持在2.34%左右，说明光电分选可准确识别并分选出混杂物料中的油茶籽。对整机进行最优参数试验验证，该机两籽箱茶籽平均清洁率可达97.55%，壳箱中含籽率为3.27%。试验结果表明，此油茶果壳籽分选机可实现油茶果壳、籽的高效分离。     

基于改进ResNet18模型的饲料原料种类识别方法

为了解决饲料生产过程中入仓原料种类采用人工取样感官识别所存在的问题,实现原料种类自动识别,以玉米、麸皮、小麦、豆粕、鱼粉等大宗饲料原料为研究对象,自主设计搭建了多通道入仓原料种类自动识别装置,采集饲料原料图像数据集,并使用数据增强的方法增加样本多样性。基于ResNet18网络模型加入通道注意力机制、增加Dropout函数,并嵌入余弦退火法的Adam优化器,引入迁移学习机制训练模型,构建适用于饲料原料种类识别的CAM-ResNet18网络模型。CAM-ResNet18网络模型的原料种类验证准确率达99.1%,识别时间为2.58ms。与ResNet18、ResNet34、AlexNet、VGG16等网络模型相比,模型验证集准确率分别提升0.6、0.2、3.7、1.1个百分点。针对混淆矩阵结果分析,测试集识别平均准确率达99.4%,具有较高的精确度和召回率。结果表明,构建的CAM-ResNet18网络模型在饲料原料种类识别方面具有较高的识别精度和较快检测速度,自主研发的多通道入仓原料种类自动识别装置具有实际应用价值。     

抓夹式油茶果壳籽清选机设计与试验研究

油茶是一种重要的油料树种,随着我国油茶种植面积与产量的增加,油茶果破壳后壳籽分离难已成为社会关注的焦点问题。为此,设计了可高效分离油茶果壳籽混合物的抓夹式油茶果壳籽清选机。同时,论述了抓夹式油茶果壳籽清选机的结构设计与工作原理,并进行了壳籽分离试验。试验结果表明:在油茶果壳籽清选机倾斜角度为5°、辊轴转速175r/min、喂料速度15kg/min时可保证综合效果最佳,茶壳清选率为99.33%,茶籽损失率为1.81%,从而验证了油茶果壳籽清选机的可行性。     

基于注意力机制的葡萄品种多特征分类方法

针对田间自然背景下葡萄品种鉴别缺乏有效识别方法的问题,提出了一种基于融合注意力机制的残差网络ResNet50-SE,对自然背景下不同生长时期的葡萄品种进行分类鉴别,分析并验证了网络的识别效果。将SE注意力模块引入ResNet-50网络,并通过迁移学习实现基于不同时期下葡萄的嫩梢、幼叶及成熟叶片特征的识别;同时为了揭示注意力机制的作用机制,利用Grad-CAM可视化方法,对ResNet50-SE模型每一层所提取的不同生长阶段下的葡萄特征进行可视化解释;通过t-SNE算法对模型提取到的不同葡萄品种的多特征进行聚类分析,进而直观评估模型对多特征提取的性能。结果表明：提出的ResNet50-SE网络在田间复杂背景条件下对于葡萄不同时期的多特征识别具有较高的识别率和较强的鲁棒性,模型测试集准确率达到88.75%,平均召回率达到89.17%,相比于AlexNet 、GoogLeNet、ResNet-50、VGG-16,测试集准确率分别提高了13.61、7.64、0.70、6.53个百分点;注意力机制能明显降低背景影响,强化有效特征;模型对训练集提取的不同生长时期的特征聚类效果较强。可见,SE模块可明显提升ResNet-50模型在特征提取过程的效果,有效降低田间复杂背景对分类结果的影响,为田间复杂背景下葡萄品种的分类识别及田间多特征分类问题提供借鉴。     

基于YOLO v5s的自然场景油茶果识别方法

针对油茶果体积小、分布密集、颜色多变等特点,为实现自然复杂场景下油茶果的快速精准定位,并依据果实的疏密分布,确定恰当的自动振荡采收装置夹持位置,利用YOLO v5s卷积神经网络模型,开展了自然环境下油茶果图像检测方法研究,用3 296幅油茶果图像制作PASCAL VOC的数据集,对网络进行了150轮训练,得到的最优权值模型准确率为90.73%,召回率为98.38%,综合评价指标为94.4%,平均检测精度为98.71%,单幅图像检测时间为12.7 ms,模型占内存空间为14.08 MB。与目前主流的一阶检测算法YOLO v4-tiny和RetinaNet相比,其精确率分别提高了1.99个百分点和4.50个百分点,召回率分别提高了9.41个百分点和10.77个百分点,时间分别降低了96.39%和96.25%。同时结果表明,该模型对密集、遮挡、昏暗环境和模糊虚化情况下的果实均能实现高精度识别与定位,具有较强的鲁棒性。研究结果可为自然复杂环境下油茶果机械采收及小目标检测等研究提供借鉴。     

基于脸部RGB-D图像的牛只个体识别方法

为实现非接触、高精度个体识别,本文提出了一种基于牛只脸部RGB-D信息融合的个体身份识别方法。以108头28~30月龄荷斯坦奶牛作为研究对象,利用Intel RealSense D455深度相机采集2334幅牛脸彩色/深度图像作为原始数据集。首先,采用冗余图像剔除方法和自适应阈值背景分离算法进行图像预处理,经增强共得到8344幅牛脸图像作为数据集;然后,分别选取Inception ResNet v1、Inception ResNet v2和SqueezeNet共3种特征提取网络进行奶牛脸部特征提取研究,通过对比分析,确定FaceNet模型的最优主干特征提取网络;最后,将提取的牛脸图像特征L2正则化,并映射至同一特征空间,训练分类器实现奶牛个体分类。测试结果表明,采用Inception ResNet v2作为FaceNet模型的主干网络特征提取效果最优,在经过背景分离数据预处理的数据集上测试牛脸识别准确率为98.6%,验证率为81.9%,误识率为0.10%。与Inception ResNet v1、SqueezeNet网络相比,准确率分别提高1、2.9个百分点;与未进行背景分离的数据集相比,准确率提高2.3个百分点。     

基于Mask-RCNN的自然场景下油茶果目标识别与检测

针对我国油茶果采摘过程中存在的自动化水平落后、采摘效率低、适采周期短的现状,应用于机器人收获技术的机器视觉技术受限于真实场景中复杂背景干扰从而导致识别精度较低的问题。以自然场景下的油茶果为研究对象,提出一种基于Mask-RCNN的自然场景下油茶果目标识别与检测算法,首先获取油茶果图像并建立数据集,利用ResNet卷积神经网络提取油茶果果实图片的特征,获得果实目标分割结果,再采用RPN对所得到的特征图进行操作,并增加全连接层,提取每个样本mask像素面积,并对目标类别进行预测。利用测试集分别测试油茶果的分割网络模型及目标识别算法,结果表明,网络模型的分割准确率为89.85％,油茶果目标识别的平均检测精度为89.42％,召回率为92.86％。本算法能够自动检测油茶果目标,并有效降低不同光照情况下叶片与花苞遮挡、果实重叠、果实色泽等因素干扰,为自然场景中果实自动化采摘提供可靠的视觉支持。     

一种基于CCD相机的通道式油茶果色选机系统

通过对油茶果的籽和壳颜色特性研究,设计出一种基于线阵CCD相机的通道式色选机。该机使用CCD相机对下落的果壳与籽进行图像采集,开发基于Visual C++平台的软件系统对采集的图像进行分析处理,并利用单片机控制系统对步进电机进行控制,从而对沿通道下落的果壳与籽粒实现分选。色选机经过试验表明,在实现250kg·h-1的分选能力基础上,可达到95%的选净率。     

基于改进ResNet的植物叶片病虫害识别

轻量化植物叶片病虫害识别算法设计是实现移动端植物叶片病虫害识别的关键。研究提出一种基于改进ResNet模型的轻量化植物叶片病虫害识别算法Simplify ResNet。以人工采集图像和PlantVillage数据集图像为实验数据,根据移动端植物病虫害识别对准确率、速度和模型大小的实际需求,改进ResNet模型。使用5×5卷积替代7×7卷积,采用残差块的瓶颈结构代替捷径结构,采用模型剪枝处理训练后的模型。通过测试集5 786幅图像测试Simplify ResNet模型,证明5×5卷积和残差块的瓶颈结构可有效降低模型参数量,模型剪枝可有效降低训练后的模型大小。Simplify ResNet模型对测试集图像的识别准确率为92.45%,识别时间为48 ms,内存大小为36.14 Mb。与LeNet、AlexNet和MobileNet等模型相比,其准确率分别高18.3%,7.45%和1.2%。为移动端植物病虫害识别解决最重要的算法设计问题,为移动端植物病虫害识别做出有益探索。     

基于卷积神经网络的互花米草识别研究

互花米草的侵入对我国的生态系统多样性造成了巨大损失，如何准确地识别零散斑块的互花米草对其早期监测及预警具有重要意义。采用低空无人机遥感技术，以广西北海地区春季时期红树林中的互花米草为研究对象，利用AlexNet、VGG16、GoogleNet、ResNet50、EfficientNetB0五种卷积神经网络，分别对包含互花米草、红树林及其他地物背景的图像数据集进行模型的训练、验证与测试，然后将训练好的五种网络模型对整个试验区域的互花米草及地物背景进行识别并标记，得到互花米草的分布图。基于混淆矩阵和运算时间的综合定量评估结果表明，ResNet50网络模型总体上优于另外四种网络模型，识别准确率最高，达到了96.96%，且在测试集上耗时仅为5.47 s。将识别结果图与互花米草实际分布图进行对比，ResNet50网络模型的识别结果与互花米草的实际分布基本重合。     

基于卷积神经网络的蓖麻种子损伤分类研究

不同形式的机械损伤对蓖麻种子发芽生长和榨油后的蓖麻油质量影响不同，因此对产生机械损伤的蓖麻种子进行识别分类非常重要。提出了基于卷积神经网络的蓖麻种子损伤分类算法。以种壳缺失、裂纹和完整蓖麻种子（无损伤）的分类为例，构建了蓖麻种子训练集和测试集，搭建2个卷积层（每个卷积层8个卷积核）、2个池化层和1个全连接层（128个节点），实现分类。为提高分类的准确性和实时性，调整网络结构以及优化批量尺寸参数，得到较优的网络结构和批量尺寸；利用上下左右翻转扩充样本，改变优化器、学习率以及正则化系数对该网络进行组合试验，获得准确率及效率较优的组合。通过Dropout优化减小卷积神经网络模型的过拟合。试验结果表明：卷积层为5层、池化层为5层、批量尺寸为32时，该网络模型平均测试准确率为92.52%。在组合试验中，Sgdm优化器更新网络可以提高网络的分类性能；数据扩增可以增加样本的多样性，减小过拟合现象；通过Dropout优化卷积神经网络模型的过拟合；选择学习率为0.01，正则化系数为0.0005时，模型分类准确率达到94.82%，其中种壳缺失蓖麻种子准确率为95.60%，裂纹蓖麻种子准确率为93.33%，完整蓖麻种子准确率为95.51%，平均检测单粒蓖麻种子的时间为0.1435s。最后，开发蓖麻种子损伤分类系统，验证结果为：种壳缺失蓖麻种子的准确率为96.67%，裂纹蓖麻种子的准确率为80.00%，完整蓖麻种子的准确率为86.67%。该卷积神经网络模型在损伤蓖麻种子分类时具有较高的识别准确率，可在蓖麻种子在线实时分类的检测系统中应用。     

基于CNN的玉米种子内部裂纹图像检测系统

为了高效检测玉米种子内部裂纹,设计基于卷积神经网络(CNN)的检测系统及批量检测方法,采集有裂纹和无裂纹的玉米种子制作数据集,构建AlexNet、VGG11、InceptionV3和ResNet18共4种经典卷积神经网络,同时与传统算法模型SVM和BP神经网络进行对比实验。实验发现,卷积神经网络模型优于这两种传统算法模型,ResNet18模型的综合检测性能最佳,单粒有裂纹种子的识别准确率为95.04%,单粒无裂纹种子的识别准确率为98.06%,平均单粒种子识别时间为4.42 s。基于ResNet18,搭建种子内部裂纹自动识别装置,设计识别软件控制装置,得到玉米种子内部裂纹识别系统。系统实验进行10组批量识别,有裂纹种子的平均识别准确率为94.25%,无裂纹种子的平均识别准确率为97.25%,批量识别中光源的透射无法等效地显现所有种子的内部裂纹、多次加载模型权重导致泛化性不足等因素会影响准确率。     

基于深度学习与高光谱成像的蓝莓果蝇虫害无损检测

针对蓝莓果蝇虫害分类识别存在效率低、准确度差等问题,采用深度学习方法对采集的蓝莓高光谱图像进行数据处理与分析,以实现蓝莓果蝇虫害的无损检测。首先蓝莓高光谱图像采用PCA进行降维,优选数据集PC2与PC3并进行拼接得到最佳数据集PC23,对数据集中图像进行旋转90°、旋转180°、模糊、高亮、低亮、镜像和高斯噪声共7种增强操作,使各数据集容量扩增为原始容量的18倍。然后采用VGG16、InceptionV3与ResNet50深度学习模型对蓝莓果蝇虫害图像进行检测,均取得了较高的识别准确率。其中ResNet50模型效率最高,且ResNet50模型的准确率最高,达到92.92%,损失率最低,仅有3.08%,因此ResNet50模型在蓝莓果蝇虫害无损检测方面整体识别效果最佳。为了进一步提高蓝莓果蝇虫害无损检测性能,从ECA注意力模块、Focal Loss损失函数与Mish激活函数3方面对ResNet50模型进行了改进,构建了改进的im-ResNet50模型。得出im-ResNet50模型识别准确率达95.69%,损失率为1.52%。试验结果表明, im-ResNet50模型有效提升了蓝莓果蝇虫害识别能力。采用Grad-CAM分析了im-ResNet50模型可解释性,能够快速、准确地无损检测蓝莓果蝇虫害。     

平面床式齿光辊油茶蒲籽清选机研制与试验

为解决油茶果脱蒲后如何把茶籽从果蒲和茶籽的混合物料中清选出来这一难题，基于已有的齿光辊对辊清选技术，通过研究平面齿光辊对辊式清选机构，对齿光辊上移动的物料进行受力和速度分析，并设计扫籽机构和内外板可拆式轴承座，组合成平面床式油茶蒲籽清选机。对该机性能参数进行单因素试验，得出该清选机在齿光辊转速533～602 r/min、齿光辊间隙2.4～2.7 mm时，产量≥2 t/h，破籽率≤1.21%，损耗率≤1.05%，籽中含蒲率≤4.86%。该机为实现高效低损的蒲籽分离提供了技术支撑和设备支持。      

基于改进Faster R-CNN的马铃薯发芽与表面损伤检测方法

发芽与表面损伤检测是鲜食马铃薯商品化的重要环节。针对鲜食马铃薯高通量分级分选过程中,高像素图像目标识别准确率低的问题,提出一种基于改进Faster R-CNN的商品马铃薯发芽与表面损伤检测方法。以Faster R-CNN为基础网络,将Faster R-CNN中的特征提取网络替换为残差网络ResNet50,设计了一种融合ResNet50的特征图金字塔网络（FPN）,增加神经网络深度。采用模型对比试验、消融试验对本文模型与改进策略的有效性进行了试验验证分析,结果表明:改进模型的马铃薯检测平均精确率为98.89%,马铃薯发芽检测平均精确率为97.52%,马铃薯表面损伤检测平均精确率为92.94%,与Faster R-CNN模型相比,改进模型在检测识别时间和内存占用量不增加的前提下,马铃薯检测精确率下降0.04个百分点,马铃薯发芽检测平均精确率提升7.79个百分点,马铃薯表面损伤检测平均精确率提升34.54个百分点。改进后的模型可以实现对在高分辨率工业相机采集高像素图像条件下,商品马铃薯发芽与表面损伤的准确识别,为商品马铃薯快速分级分等工业化生产提供了方法支撑。     

基于全局特征提取的农作物病害识别模型

针对现阶段特征提取网络当测试样本出现歪斜、模糊、缺损等变化时识别效果不够理想,利用训练样本扩充、变换、缩放等方式改善网络性能并不能动态地满足实际的复杂病害图像识别任务的问题,在ResNet50中引入双层注意力机制与通道特征提取机制,设计基于全局特征提取的深度学习网络（Global feature deep learning network,GFDL-Net）,该网络包括通道特征提取子网络（Squeeze and excitation net,SE-Net）和双注意力特征提取子网络（Double feature extraction net,DFE-Net）,分别从通道空间特征提取与平面关键点特征提取两方面改善了网络的全局特征提取能力。为了验证GFDL-Net的有效性,对辣椒、马铃薯、番茄等15种病害图像加入不同角度的旋转、色彩变换等测试,发现在样本加入旋转后与ResNet50、BoTNet、EfficientNet相比,平均识别准确率分别高出20.05、18.62、21.97个百分点;加入明暗度、饱和度、对比度变换后与ResNet50、BoTNet、 EfficientNet相比,平均识别准确率分别高出3.57、0.53、3.98个百分点,而识别速度分别为ResNet50、BoTNet、EfficientNet的4.4、4.9、2.0倍。试验证明GFDL-Net在图像全局特征提取能力方面的改进能有效提升网络的泛化能力与鲁棒性,可将其应用于解决变化样本的农作物病害识别任务中。     

基于注意力机制和多尺度残差网络的农作物病害识别

针对传统农作物病害识别方法依靠人工提取特征,步骤复杂且低效,难以实现在田间环境下识别的问题,提出一种多尺度卷积结构与注意力机制结合的农作物病害识别模型。该研究在残差网络（ResNet18）的基础上进行改进,引入Inception模块,利用其多尺度卷积核结构对不同尺度的病害特征进行提取,提高了特征的丰富度。在残差结构的基础上加入注意力机制SE-Net（Squeeze-and-excitation networks）,增强了有用特征的权重,减弱了噪声等无用特征的影响,进一步提高特征提取能力并且增强了模型的鲁棒性。实验结果表明,改进后的多尺度注意力残差网络模型(Multi-Scale-SE-ResNet18)在复杂田间环境收集的8种农作物病害数据集上的平均识别准确率达到95.62%,相较于原ResNet18模型准确率提高10.92个百分点,模型占用内存容量仅为44.2MB。改进后的Multi-Scale-SE-ResNet18具有更好的特征提取能力,可以提取到更多的病害特征信息,并且较好地平衡了模型的识别精度与模型复杂度,可为田间环境下农作物病害识别提供参考。