基于改进YOLOv3的果树树干识别和定位

为提高果园机器人自主导航和果园作业的质量、效率,该研究提出一种基于改进YOLOv3算法对果树树干进行识别,并通过双目相机进行定位的方法。首先,该算法将SENet注意力机制模块融合至Darknet53特征提取网络的残差模块中,SENet模块可增强有用特征信息提取,压缩无用特征信息,进而得到改进后残差网络模块SE-Res模块;其次,通过K-means聚类算法将原始YOLOv3模型的锚框信息更新。果树树干定位通过双目相机的左、右相机对图像进行采集,分别传输至改进YOLOv3模型中进行果树树干检测,并输出检测框的信息,再通过输出的检测框信息对左、右相机采集到的果树树干进行匹配;最后,通过双目相机三角定位原理对果树树干进行定位。试验表明,该方法能较好地对果树树干进行识别和定位,改进YOLOv3模型平均精确率和平均召回率分别为97.54%和91.79%,耗时为0.046 s/帧。在果树树干定位试验中,横向和纵向的定位误差均值分别为0.039 和0.266 m,误差比均值为3.84%和2.08%;与原始YOLOv3和原始SSD模型相比,横向和纵向的定位误差比均值分别降低了15.44、14.17个百分点和21.58、20.43个百分点。研究结果表明,该方法能够在果园机器人自主导航、开沟施肥、割草和农药喷洒等作业中进行果树识别和定位,为提高作业效率、保障作业质量奠定理论基础。     

基于迁移学习的苹果落叶病识别与应用

为解决现有卷积神经网络苹果叶片病害识别模型泛化能力弱,模型体积较大等问题,该研究提出一种基于改进MobileNetV3苹果落叶病识别模型。以健康叶片和常见苹果落叶病为研究对象,包括斑点落叶病、灰斑病、褐斑病、锈病4种,每种病害2级,共9类特征,通过改进网络的注意力模块、全连接层及算子,结合迁移学习的训练方式,构建苹果落叶病识别模型。在扩充前后的数据集上对比不同的学习方式、学习率和注意力模块等对模型的影响,验证模型的识别性能。试验结果表明：采用迁移学习的方式,在训练50轮达曲线收敛,比全新学习的准确率增加6.74～10.79个百分点;使用引入的ET(efficient channel attention-tanh)注意力模块,网络损失曲线更加平滑,模型的参数量更少,模型体积减小了48%,提高了模型的泛化能力;在扩充数据集上,学习率为0.000 1时,结合迁移学习的训练方式,改进MobileNetV3(ET3-MobileNetV3)苹果落叶病识别模型,平均准确率能达到95.62%,模型体积6.29 MB。将模型部署到喷药设备上,可实现基于苹果叶片病害识别的变量喷施,该研究可为苹果叶片病害...     

基于改进YOLOv4模型的全景图像苹果识别

苹果果园由于密植栽培模式,果树之间相互遮挡,导致苹果果实识别效果差,并且普通的图像采集方式存在图像中果实重复采集的问题,使得果实计数不准确。针对此类问题,该研究采用全景拍摄的方式采集苹果果树图像,并提出了一种基于改进YOLOv4和基于阈值的边界框匹配合并算法的全景图像苹果识别方法。首先在YOLOv4主干特征提取网络的Resblock模块中加入scSE注意力机制,将PANet模块中的部分卷积替换为深度可分离卷积,且增加深度可分离卷积的输出通道数,以增强特征提取能力,降低模型参数量与计算量。将全景图像分割为子图像,采用改进的YOLOv4模型进行识别,通过对比Faster R-CNN、CenterNet、YOLOv4系列算法和YOLOv5系列算法等不同网络模型对全景图像的苹果识别效果,改进后的YOLOv4网络模型精确率达到96.19%,召回率达到了95.47%,平均精度AP值达到97.27%,比原YOLOv4模型分别提高了1.07、2.59、2.02个百分点。采用基于阈值的边界框匹配合并算法,将识别后子图像的边界框进行匹配与合并,实现全景图像的识别,合并后的结果其精确率达到96.17%,召回率达到95.63%,F1分数达到0.96,平均精度AP值达到95.06%,高于直接对全景图像苹果进行识别的各评价指标。该方法对自然条件下全景图像的苹果识别具有较好的识别效果。     

融合轻量化网络与注意力机制的果园环境下苹果检测方法

为提高复杂果园环境下苹果检测的综合性能，降低检测模型大小，通过对单阶段检测网络YOLOX-Tiny的拓扑结构进行了优化与改进，提出了一种适用于复杂果园环境下轻量化苹果检测模型（Lightweight Apple Detection YOLOX-Tiny Network，Lad-YXNet）。该模型引入高效通道注意力（Efficient Channel Attention，ECA）和混洗注意力（Shuffle Attention，SA）两种轻量化视觉注意力模块，构建了混洗注意力与双卷积层（Shuffle Attention and Double Convolution Layer，SDCLayer）模块，提高了检测模型对背景与果实特征的提取能力，并通过测试确定Swish与带泄露修正线性单元（Leaky Rectified Linear Unit，Leaky-ReLU）作为主干与特征融合网络的激活函数。通过消融试验探究了Mosaic增强方法对模型训练的有效性，结果表明图像长宽随机扭曲对提高模型综合检测性能贡献较高，但图像随机色域变换由于改变训练集中苹果的颜色，使模型检测综合性能下降。为提高模型检测苹果的可解释性，采用特征可视化技术提取了Lad-YXNet模型的主干、特征融合网络和检测网络的主要特征图，探究了Lad-YXNet模型在复杂自然环境下检测苹果的过程。Lad-YXNet经过训练在测试集下的平均精度为94.88%，分别比SSD、YOLOV4-Tiny、YOLOV5-Lite和YOLOX-Tiny模型提高了3.10个百分点、2.02个百分点、2.00个百分点和0.51个百分点。Lad-YXNet检测一幅图像的时间为10.06 ms，模型大小为16.6 MB，分别比YOLOX-Tiny减少了20.03%与18.23%。该研究为苹果收获机器人在复杂果园环境下准确、快速地检测苹果提供了理论基础。     

基于改进YOLOv5的茶叶杂质检测算法

针对现有目标检测算法检测茶叶杂质精度低、速度慢的问题,该研究提出了一种基于改进YOLOv5的茶叶杂质检测算法。采用K-Means聚类算法对杂质真实框聚类,以获取适合茶叶杂质特征的锚框尺寸;通过在主干特征提取网络CSPDarkNet中引入前馈卷积注意力机制（Convolutional Block Attention Module,CBAM）,将茶叶杂质输入特征图依次经过通道注意力模块和空间注意力模块,获得特征图通道维度和空间维度的关键特征;在颈部网络中添加空间金字塔池化（Spatial Pyramid Pooling,SPP）模块,融合并提取不同感受野的关键特征信息;将普通卷积替换成深度可分离卷积,增大小目标预测特征图的置信度损失权重,构建了轻量化的改进YOLOv5网络结构模型;分别制作了铁观音茶叶中混合有稻谷、瓜子壳、竹片和茶梗4种杂质的数据集并进行茶叶杂质检测试验。结果表明,改进的YOLOv5比常规YOLOv5在茶叶杂质检测中具有更高的置信度分数,且定位更为准确,未出现漏检现象。改进YOLOv5的多类别平均精度（Mean Average Precision,mAP）和每秒传输帧数（Frame Per Second,FPS）达到96.05%和62帧/s,均优于主流的目标检测算法,验证了改进算法的高效性和鲁棒性。该研究成果可为提升茶叶制作过程中小目标杂质检测精度与检测速度奠定基础。     

基于改进HRNet的遥感影像冬小麦语义分割方法

冬小麦在影像中呈现田块碎小且分布零散等空间特征,同时影像包含的复杂地物对冬小麦识别造成干扰,易出现识别精度低且边界分割模糊等问题。为及时准确获取大范围冬小麦空间分布信息,该研究以高分二号卫星影像作为数据源,提出一种CAHRNet(change attention high-resolution Net)语义分割模型。采用HRNet(high-resolution Net)替换ResNet作为模型的主干网络,网络的并行交互方式易获取高分辨率的特征信息;联合OCR(object-contextual representations)模块聚合上下文信息,以增强像素点与目标对象区域的关联性;3）引入坐标注意力（coordinate attention）机制,使网络模型充分利用有效的空间位置信息,以保留分割区域的边缘细节,提高对分布零散、形状多变的冬小麦田块的特征提取能力。试验结果表明,在自制的高分辨率遥感数据集上,CAHRNet模型的平均交并比（mean intersection over union,MIoU）和像素准确率（pixel accuracy, PA）分别达到81.72%和97.0...     

耦合全局与局部特征的苹果叶部病害识别模型

为充分利用苹果叶部病害图像类间差异小且类内差异大的特点,该研究基于全局与局部特征的交互式耦合对特征提取方法进行了优化,设计出一种苹果叶部病害识别模型。首先,在全局特征提取分支设计了一个注意力融合模块,以融合通道和空间上的信息而增强卷积提取到的特征图,并由增强后的特征图生成全局特征以及注意力激活图;然后,在局部特征提取分支,利用注意力激活图的引导,设计了一个裁剪模块对原图像进行裁剪,以得到可能包含病害信息的图像块且嵌入生成局部特征;最后,通过设计多头交叉注意力特征耦合模块,实现全局特征和局部特征的双向交叉耦合。基于苹果病害图像数据集的试验结果表明,将全局与局部特征进行交互耦合能有效提升模型对苹果叶部病害图像的特征提取能力,其识别准确率可达到98.23%,且较之单纯的局部或全局特征提取分支,准确率分别提高了3.39与4.61个百分点,所提模型可用于实现自然场景下的苹果叶部病害自动识别。     

基于特征融合的棉花幼苗计数算法

为了获取棉花幼苗数量，掌握播种成活率和出苗率等关键苗情信息，该研究提出一种基于特征融合的棉花幼苗计数算法。首先，该算法采用VGG-16作为基础模块提取图像特征，使用注意力模块（Convolutional Block Attention Module，CBAM）在通道和空间维度上进行特征增强，然后将增强后的特征与基础模块中的特征进行融合，进一步强化幼苗特征表达，最后通过去冗余和归一化操作得到计数结果。此外，还构建了一个包含399张棉花幼苗图像的数据集，其中包含了对212 572株幼苗的精准手工标注点标签。在该数据集上的测试结果表明，所提出的棉花幼苗计数算法取得了较好的计数效果，平均计数误差（Mean Absolute Error，MAE）和均方根误差（Root Mean Square Error，RMSE）分别为63.46和81.33，对比多列卷积神经网络（Multi-column Convolutional Neural Network, MCNN）、拥挤场景识别网络（Congested Scene Recognition Network, CSRNet）、TasselNet、MobileCount等方法，MAE平均下降了48.8%，RMSE平均下降了45.3%。     

基于改进BlendMask模型的苹果识别与定位方法

针对实际自然环境中果实被遮挡、环境光线变化等干扰因素以及传统视觉方法难以准确分割出农作物轮廓等问题,该研究以苹果为试验对象,提出一种基于改进BlendMask模型的实例分割与定位方法。该研究通过引入高分辨率网络HRNet（High-Resolution Net）,缓解了特征图在深层网络中分辨率下降的问题,同时,在融合掩码层中引入卷积注意力机制CBAM（convolutional block attention module）,提高了实例掩码的质量,进而提升实例分割质量。该研究设计了一个高效抽取实例表面点云的算法,将实例掩码与深度图匹配以获取苹果目标实例的三维表面点云,并通过均匀下采样与统计滤波算法去除点云中的切向与离群噪声,再运用球体方程线性化形式的最小二乘法估计苹果在三维空间中的中心坐标,实现了苹果的中心定位。试验结果表明改进BlendMask的平均分割精度为96.65%,检测速度34.51帧/s,相较于原始BlendMask模型,准确率、召回率与平均精度分别提升5.48、1.25与6.59个百分点;相较于分割模型SparseInst、FastInst与PatchDCT,该模型的平均精度小幅落后,检测速度分别提升6.11、3.84与20.08帧/s,该研究为苹果采摘机器人的视觉系统提供技术参考。     

基于轻量型残差网络的自然场景水稻害虫识别

准确识别水稻害虫对水稻及时采取防护和治理措施具有重要意义,该研究以自然场景中水稻害虫图像为研究对象,针对水稻害虫图像的颜色纹理与背景相近以及同类害虫形态差异较大等特点,设计了一个由特征提取、全局优化以及局部优化模块构成的轻量型残差网络（Light Weight Residual Network,LW-ResNet）用于水稻害虫识别。在特征提取模块通过增加卷积层数以及分支数对残差块进行改进,有效提取自然场景中水稻害虫图像的深层全局特征并使用全局优化模块进行优化;局部优化模块通过设计轻量型注意力子模块关注害虫的局部判别性特征。LW-ResNet网络在特征提取模块减少了残差块的数量,在注意力子模块中采用深度可分离卷积减少了浮点运算量,从而实现了模型的轻量化。试验结果表明,所设计的LW-ResNet网络在13类水稻害虫图像的测试数据集上达到了92.5%的识别准确率,高于VGG16、ResNet、AlexNet等经典卷积神经网络模型,并且LW-ResNet网络的参数量仅为1.62×106个,浮点运算量仅为0.34×109次,低于MobileNetV3轻量级卷积神经网络模型。该研究成果可用于移动端水稻害虫的自动识别。     

基于改进YOLOv7的果园行间导航线检测

在复杂果园环境中，传统机器视觉算法难以处理光影变化、遮挡、杂草等因素的干扰，导致导航道路分割不准确。针对此问题，该研究提出了一种改进YOLOv7的果园内导航线检测方法。将注意力机制模块(convolutional block attention module，CBAM)引入到原始YOLOv7模型的检测头网络中，增强果树目标特征，削弱背景干扰；在ELAN-H(efficient layer aggregation networks-head，ELAN-H)模块和Repconv(re-parameterization convolution，Repconv)模块之间引入SPD-Conv(space-to-depth，non-strided convolution，SPD-Conv)模块，提高模型对低分辨率图像或小尺寸目标的检测能力。以树干根部中点作为导航定位基点，利用改进YOLOv7模型得到两侧果树行线的定位参照点，然后利用最小二乘法拟合两侧果树行线和导航线。试验结果表明，改进YOLOv7模型检测精度为95.21%，检测速度为42.07帧/s，相比于原始YOLOv7模型分别提升了2.31个百分点和4.85帧/s，能够较为准确地识别出树干，且对树干较密的枣园图像也能达到较好的检测效果；提取到的定位参照点与人工标记树干中点的平均误差为8.85 cm，拟合导航线与人工观测导航线的平均偏差为4.90 cm，处理1帧图像平均耗时为0.044 s，能够满足果园内导航需求。     

基于RGB和深度双模态的温室番茄图像语义分割模型

图像语义分割作为计算机视觉领域的重要技术,已经被广泛用于设施环境下的植物表型检测、机器人采摘、设施场景解析等领域。由于温室环境下未成熟番茄果实与其茎叶之间具有相似颜色,会导致图像分割精度不高等问题。本研究提出一种基于混合Transformer编码器的“RGB+深度”（RGBD）双模态语义分割模型DFST（depth-fusion semantic transformer）,试验在真实温室光照情况下获得深度图像,对深度图像做HHA编码并结合彩色图像输入模型进行训练,经过HHA编码的深度图像可以作为一种辅助模态与RGB图像进行融合并进行特征提取,利用轻量化的多层感知机解码器对特征图进行解码,最终实现图像分割。试验结果表明,DFST模型在测试集的平均交并比可达96.99%,对比不引入深度图像的模型,其平均交并比提高了1.37个百分点;对比使用卷积神经网络作为特征提取主干网络的RGBD语义分割模型,其平均交并比提高了2.43个百分点。结果证明,深度信息有助于提高彩色图像的语义分割精度,可以明显提高复杂场景语义分割的准确性和鲁棒性,同时也证明了Transformer结构作为特征提取网络在图像语义分割中也表现出了良好的性能,可为温室环境下的番茄图像语义分割任务提供解决方案和技术支持。     

基于深度学习多源数据融合的生菜表型参数估算方法

生菜外部表型参数的无损、高精度估算对全天候生长监测意义重大。为提高生菜表型参数估算模型泛化性能,以基质培生菜为研究对象,提出了基于深度学习的融合二维RGB图像和深度（Depth）图像的生菜表型参数（湿质量、干质量、株高、直径、叶面积）高精度估算方法。采集4个生菜品种生长全过程的表型参数数据集,包含RGB图像、深度图像和人工测量的表型参数,共388个样本。对RGB图像和深度图像进行背景分割和数据归一化,输入构建的深度学习多源数据融合模型对5种表型参数进行同步回归训练。试验表明,该研究方法对5种表型参数的估算决定系数均高于0.94,平均绝对百分比误差均低于8%,而传统特征提取+机器学习方法对部分表型参数估算的平均绝对百分比误差高达13%以上,表明该研究估算方法具有较高的精度。消融试验表明融合RGB和深度图像的深度学习模型优于仅使用单源图像的模型,尤其在株高、直径和叶面积的估算上。对生菜不同品种和不同生长阶段的估算结果表明该模型适用于不同颜色、形状的生菜品种,亦对不同生长阶段、不同植株大小的生菜具有一定的适应性。因此,该研究提出的基于深度学习多源数据融合模型的生菜表型参数估算方法性能优异,对设施蔬菜生长监测和产量预估有重要的应用价值。     

改进DeepLabV3+算法提取无作物田垄导航线

机器视觉导航是智慧农业的重要部分,无作物田垄的导航线检测是旱地移栽导航的关键。针对无作物田垄颜色信息相近、纹理差距小,传统图像处理方法适用性差、准确率低,语义分割算法检测速度慢、实时性差的问题,该研究提出一种基于改进DeepLabV3+的田垄分割模型。首先对传统DeepLabV3+网络进行轻量化设计,用MobileNetV2网络代替主干网络Xception,以提高算法的检测速度和实时性;接着引入CBAM（convolutional block attention module,CBAM）注意力机制,使模型能够更好地处理垄面边界信息;然后利用垄面边界信息获得导航特征点,对于断垄情况,导航特征点会出现偏差,因此利用四分位数对导航特征点异常值进行筛选,并采用最小二乘法进行导航线拟合。模型评估结果显示,改进后模型的平均像素精确度和平均交并比分别为96.27%和93.18%,平均检测帧率为84.21帧/s,优于PSPNet、U-Net、HRNet、Segformer以及DeepLabV3+网络。在不同田垄环境下,最大角度误差为1.2°,最大像素误差为9,能够有效从不同场景中获取导航线。研究结果可为农业机器人的无作物田垄导航提供参考。     

改进YOLOv5测量田间小麦单位面积穗数

单位面积穗数是决定小麦产量的主要因素之一。针对人工清点小麦穗数的方法容易受主观因素影响、效率低和图像处理方法鲜有进行系统部署等问题,提出一种注意力模块（Convolutional Block Attention Module,CBAM）与YOLOv5相结合的CBAM-YOLOv5网络结构,通过对特征图进行自适应特征细化,实现更准确的单位面积穗数测量。该研究以本地采集小麦图像数据和网络公开小麦图像数据为数据集,设置输入图像分辨率为1 280,得到CBAM-YOLOv5模型,可以达到0.904的F1分数和0.902的平均精度,测试集计数的平均相对误差为2.56%,平均每幅图像耗时0.045 s,综合对比,CBAM-YOLOv5模型具有显著优势。模型放置于服务器,结合手机端软件和辅助装置,形成单位面积穗数测量系统,实现育种小区麦穗图像实时采集、处理和计数,计数的平均相对误差为2.80%,抗环境干扰性强。该研究方法与装置可以实现田间小麦单位面积穗数的实时在线检测,降低主观误差,具有较高的准确率及较强的鲁棒性,为小麦单位面积穗数快速、准确估测提供一种新的技术和装备支撑。     

基于改进YOLOv5s的苹果叶片小目标病害轻量化检测方法

为解决自然环境中苹果叶片病害检测场景复杂、小目标病害检测难度高以及模型参数大无法在移动端和嵌入式设备部署等问题,提出一种基于YOLOv5s的苹果叶片小目标病害轻量化检测方法。该方法将YOLOv5s的骨干网络更改为ShuffleNet v2轻量化网络,引入CBAM（convolutional block attention module）注意力模块使模型关注苹果叶片小目标病害,添加改进RFB-s（receptive field block-s）支路获取多尺度特征,提高苹果叶片病害检测精度,并更改边界框回归损失函数为SIoU（scylla-intersection over union）,增强病斑定位能力。试验表明改进后的YOLOv5s模型在IoU大于0.5时的平均精度均值（mean average precision,mAP_0.5）和每秒传输帧数（frame per second,FPS）分别达到90.6%和175帧/s,对小目标的平均检测准确率为38.2%,与基准模型YOLOv5s相比,其mAP_0.5提升了0.8个百分点,参数量减少了6.17 MB,计算量减少了13.8 G,对小目标的检测准确率提高了3个百分点。改进后的YOLOv5s目标检测模型与Faster R-CNN、SSD、YOLOv5m、YOLOv7、YOLOv8和YOLOv5s目标检测模型相比,具有最小的参数量和计算量,对小目标病害叶斑病和锈病的检测准确率分别提高了1.4、4.1、0.5、5.7、3.5、3.9和1.5、4.3、1.2、2.1、4、2.6个百分点,该方法为真实自然环境下苹果叶片病害尤其是小目标病害的轻量化检测提供参考依据。     

基于稠密自编码器的无监督番茄植株图像深度估计模型

深度信息获取是温室移动机器人实现自主作业的关键。该研究提出一种基于稠密卷积自编码器的无监督植株图像深度估计模型。针对因视角差异和遮挡而产生的像素消失问题,引入视差置信度预测,抑制图像重构损失产生的问题梯度,设计了基于可分卷积的稠密自编码器作为模型的深度神经网络。以深度估计误差、阈值精度等为判据,在番茄植株双目图像上开展训练和测试试验,结果表明,抑制问题梯度回传可显著提高深度估计精度,与问题梯度抑制前相比,估计深度的平均绝对误差和均方根误差分别降低了55.2%和33.0%,将网络预测的多尺度视差图接入编码器并将其上采样到输入图像尺寸后参与图像重构和损失计算的处理方式对提高预测精度是有效的,2种误差进一步降低了23.7%和27.5%;深度估计误差随空间点深度的减小而显著降低,当深度在9 m以内时,估计深度的平均绝对误差14.1 cm,在3 m以内时,则7 cm。与已有研究相比,该研究估计深度的平均相对误差和平均绝对误差分别降低了46.0%和26.0%。该研究可为温室移动机器人视觉系统设计提供参考。     

基于多尺度串联空洞卷积的轻量化UNet香蕉图像分割

针对香蕉果串识别系统中传统的UNet网络存在实时性差、参数量多、下采样后丢失空间信息等问题,该研究提出基于UNet模型的轻量化分割网络,构造一个轻量级的主干特征提取模块,在降低模型参数量和计算量的同时增强网络提取特征的能力,使用膨胀率为[2,1,2]锯齿波形的多尺度串联空洞卷积组合在增大感受野的同时保持对细节的敏感度。该研究算法在自建香蕉果串数据集上的试验结果表明,网络参数量为0.45 M时,香蕉果串识别分割速度可达41.0帧/s,平均像素分类准确率为97.32%、交并比为92.57%。相比于其他模型具有准确率高、参数量小等优点,能够较好地实现精度和速度的均衡。该算法对自然种植环境下的香蕉果串具有良好的识别效果,可为智能化香蕉采摘等应用提供视觉识别技术支持。     

基于改进YOLOv7的苹果生长状态及姿态识别

针对目前苹果在复杂环境下难以进行生长状态分类识别、姿态信息同步获取等问题,该研究提出了一种基于改进YOLOv7的苹果生长状态分类和果实姿态融合识别方法。首先改进多尺度特征融合网络,在骨干网络中增加160×160的特征尺度层,用于增强模型对微小局部特征的识别敏感度;其次引入注意力机制CBAM(convolutional block attention module),改善网络对输入图片的感兴趣目标区域的关注度;最后采用Soft-NMS算法,能够有效避免高密度重叠目标被一次抑制从而发生漏检现象。此外,结合UNet分割网络和最小外接圆及矩形特征获取未遮挡苹果姿态。试验结果表明,改进YOLOv7的识别精确率、召回率和平均识别精度分别为86.9%、80.5%和87.1%,相比原始YOLOv7模型分别提高了4.2、2.2和3.7个百分点,另外苹果姿态检测方法的准确率为94%。该文模型能够实现苹果生长状态分类及果实姿态识别,可为末端执行器提供了抓取方向,以期为苹果无损高效的采摘奠定基础。