基于改进YOLO v5的复杂环境下花椒簇识别与定位方法

花椒树产果量大,枝干纵横交错,树叶茂密,给花椒的自动化采摘带来了困难。因此,本文设计一种基于改进YOLO v5的复杂环境下花椒簇的快速识别与定位方法。通过在主干提取网络CSPDarknet的CSPLayer层和Neck的上采样之后增加高效通道注意力ECA(Efficient channel attention)来简化CSPLayer层的计算量,提升了特征提取能力。同时在下采样层增加协同注意力机制CA(Coordinate attention),减少下采样过程中信息的损失,强化特征空间信息,配合热力图(Grad-CAM)和点云深度图,来完成花椒簇的空间定位。测试结果表明,与原YOLO v5相比较,改进的网络将残差计算减少至1次,保证了模型轻量化,提升了效率。同帧数区间下,改进后的网络精度为96.27%,对比3个同类特征提取网络YOLO v5、YOLO v5-tiny、Faster R-CNN,改进后网络精确度P分别提升5.37、3.35、15.37个百分点,连株花椒簇的分离识别能力也有较大提升。实验结果表明,自然环境下系统平均识别率为81.60%、漏检率为18.39%,能够满足花椒簇识别...     

基于改进YOLO v5的复杂环境下桑树枝干识别定位方法

为实现复杂自然环境下对桑树嫩叶处枝干的识别检测,改变当前桑叶采摘设备作业过程中依赖人工辅助定位的现状,解决识别目标姿态多样和环境复杂导致的低识别率问题,提出一种基于改进YOLO v5模型的桑树枝干识别模型(YOLO v5-mulberry),并结合深度相机构建定位系统。首先,在YOLO v5的骨干网络中加入CBAM(Convolutional block attention module)注意力机制,提高神经网络对桑树枝干的关注度;并增加小目标层使模型可检测4像素×4像素的目标,提高了模型检测小目标的性能;同时使用GIoU损失函数替换原始网络中的IoU损失函数,有效防止了预测框和真实框尺寸较小时无法正确反映预测框及真实框之间位置关系的情况;随后,完成深度图和彩色图的像素对齐,通过坐标系转换获取桑树枝干三维坐标。试验结果表明：YOLO v5-mulberry检测模型的平均精度均值为94.2%,较原模型提高16.9个百分点,置信度也提高12.1%;模型室外检测时应检测目标数53,实际检测目标数为48,检测率为90.57%;桑树嫩叶处枝干三维坐标识别定位系统的定位误差为(9.498 5 mm...     

基于改进YOLO v5s的奶山羊面部识别方法

为准确高效地实现无接触式奶山羊个体识别,以圈养环境下奶山羊面部图像为研究对象,提出一种基于改进YOLO v5s的奶山羊个体识别方法。首先,从网络上随机采集350幅羊脸图像构成羊脸面部检测数据集,使用迁移学习思想预训练YOLO v5s模型,使其能够检测羊脸位置。其次,构建包含31头奶山羊3 844幅不同生长期的面部图像数据集,基于预训练的YOLO v5s,在特征提取层中引入SimAM注意力模块,增强模型的学习能力,并在特征融合层引入CARAFE上采样模块以更好地恢复面部细节,提升模型对奶山羊个体面部的识别精度。实验结果表明,改进YOLO v5s模型平均精度均值为97.41%,比Faster R-CNN、SSD、YOLO v4模型分别提高6.33、8.22、15.95个百分点,比YOLO v5s模型高2.21个百分点,改进模型检测速度为56.00 f/s,模型内存占用量为14.45 MB。本文方法能够准确识别具有相似面部特征的奶山羊个体,为智慧养殖中的家畜个体识别提供了一种方法支持。     

基于改进YOLO v5s的轻量化植物识别模型研究

为方便调查宁夏全区荒漠草原植物种类及其分布,需对植物识别方法进行研究。针对YOLO v5s模型参数量大,对复杂背景下的植物不易识别等问题,提出一种复杂背景下植物目标识别轻量化模型YOLO v5s-CBD。改进模型YOLO v5s-CBD在特征提取网络中引入带有Transformer模块的主干网络BoTNet(Bottleneck transformer network),使卷积和自注意力相结合,提高模型的感受野;同时在特征提取网络融入坐标注意力(Coordinate attention, CA),有效捕获通道和位置的关系,提高模型的特征提取能力;引入SIoU函数计算回归损失,解决预测框与真实框不匹配问题;使用深度可分离卷积(Depthwise separable convolution, DSC)减小模型内存占用量。实验结果表明,YOLO v5s-CBD模型在单块Nvidia GTX A5000 GPU单幅图像推理时间仅为8 ms,模型内存占用量为8.9 MB,精确率P为95.1%,召回率R为92.9%,综合评价指标F1值为94.0%,平均精度均值(mAP)为95.7%,在VOC数据集...     

基于改进YOLO v5s的作物黄化曲叶病检测方法

作物病害的初期快速准确识别是减小作物经济损失的重要保障。针对实际生产环境中,作物叶片黄化曲叶病毒病(Yellow leaf curl virus,YLCV)患病初期无法应用传统图像处理算法通过颜色或纹理特征进行准确和快速识别,并且YOLO v5s通用模型在复杂环境下识别效果差和效率低的问题,本文提出一种集成改进的叶片病害检测识别方法。该方法通过对Plant Village公开数据集中单一患病叶片图像以及实际生产中手机拍摄获取的患病作物冠层图像两种来源制作数据集,并对图像中的患病叶片进行手动标注等操作,以实现在复杂地物背景和叶片遮挡等情况下正确识别目标,即在健康叶片、患病叶片、枯萎叶片、杂草和土壤中准确识别出所有的患病叶片。此外,用智能手机在生产现场拍摄图像,会存在手机分辨率、光线、拍摄角度等多种因素,会导致识别正确率降低等问题,需要对采集到的图像进行预处理和数据增强以提高模型识别率,通过对YOLO v5s原始模型骨干网络重复多次增加CA注意力机制模块（Coordinate attention）,增强YOLO算法对关键信息的提取能力,利用加权双向特征金字塔网络（Bidirectional feature pyramid network,BiFPN）,增强模型不同特征层的融合能力,从而提高模型的泛化能力,替换损失函数EIoU（Efficient IoU loss）,进一步优化算法模型,实现多方法叠加优化后系统对目标识别性能的综合提升。在相同试验条件下,对比YOLO v5原模型、YOLO v8、Faster R-CNN、SSD等模型,本方法的精确率P、召回率R、平均识别准确率mAP0.5、mAP0.5:0.95分别达到97.40%、94.20%、97.20%、79.10%,本文所提出的算法在提高了精确率与平均精度的同时,保持了较高的运算速度,满足对作物黄化曲叶病毒病检测的准确性与时效性的要求,并为移动端智能识别作物叶片病害提供了理论基础。     

基于YOLO v5s和改进SORT算法的黑水虻幼虫计数方法

目前农业环境下的无序目标的精确计数有很高的应用需求,这种计数对其生物量、生物密度管理起到了重要的指导作用。如黑水虻幼虫目标追踪过程中,追踪对象具有高速和非线性的特征,常规算法存在追踪目标速度不足和丢失目标后的再识别困难等问题。针对以上问题,本文提出了一种改进SORT算法,通过改进卡尔曼滤波模型的方式提升目标追踪算法的快速性和准确性,提升了计数的精度。另外,针对黑水虻幼虫目标识别过程中幼虫性状的多样性和混料导致的复杂背景问题,本文通过实验对比多种深度学习网络性能选定YOLO v5s算法提取图像多维度特征,提升了目标识别精度。实验结果表明：在划线计数方面,本文提出的改进SORT算法与原模型相比,平均精度从91.36%提升到95.55%,提升4.19个百分点,通过仿真和实际应用,证明了本文模型的有效性;在目标识别方面,使用YOLO v5s模型在训练集上帧率为156f/s,mAP@0.5为99.10%,精度为90.11%,召回率为99.22%,综合性能优于其他网络。     

基于改进YOLO v5s的甘蔗切种茎节特征识别定位技术

为了实现甘蔗智能横向切种工作站的精准、高效的自动化切种,针对工厂化切种任务的特点,提出了一种基于改进YOLO v5s的甘蔗茎节特征边缘端识别与定位方法。首先,利用张正友相机标定法对摄像头进行畸变矫正;然后对甘蔗茎节数据集进行数据增强,利用原始的YOLO v5s模型进行训练和测试,结果显示数据增强能一定程度上提高检测精度。针对茎节特征目标小以及模型体积大导致检测精度低、部署难度高等问题,对YOLO v5s的骨干网络进行改进,在SPPF特征融合模块前引入坐标注意力(Coordinate attention, CA)模块和Ghost轻量化结构,在Head网络中剔除P5大目标检测头,得到了改进后甘蔗茎节检测模型YOLO v5s-CA-BackboneGhost-p34,测试结果表明该模型优于其他主流算法和原始模型,具有高精度、小体积等优势。其中,平均精度均值1和平均精度均值2分别提高5.2、16.5个百分点,模型浮点数计算量和内存占用量分别降低42%和51%。最后,为了提高检测速度和实时性,将模型部署于边缘端,利用TensorRT技术加快检测速度,并在传送速度为0.15 m/s的甘蔗智能横向切...     

基于改进YOLO v8s的羊只行为识别方法

羊只站立、行走、采食等日常行为与其健康状况密切相关,高效、准确的羊只行为识别有助于疾病检测,对实现羊只健康预警具有重要意义。针对目前羊只多行为识别检测大多基于传感器等接触式设备,羊只活动受限,行为具有局限性,且群体养殖环境下,羊只行为多样、场景复杂、存在遮挡等造成的行为识别精度低等问题,提出了一种基于改进YOLO v8s的羊只行为识别方法。首先,引入SPPCSPC空间金字塔结构增强了模型的特征提取能力,提升了模型的检测精度。其次,新增P2小目标检测层,增强了模型对小目标的识别和定位能力。最后,引入多尺度轻量化模块PConv和EMSConv,在保证模型识别效果的同时,降低了模型参数量和计算量,实现了模型轻量化。实验结果表明,改进YOLO v8s模型对羊只站立、行走、采食、饮水、趴卧行为平均识别精度分别为84.62%、92.58%、87.54%、98.13%和87.18%,整体平均识别精度为90.01%。与Faster R-CNN、YOLO v5s、YOLO v7、YOLO v8s模型相比,平均识别精度分别提高12.03、3.95、1.46、2.19个百分点。研究成果可为羊只健康管理和疾病预警提供技术支撑。     

基于YOLO v5的农田杂草识别轻量化方法研究

针对已有杂草识别模型对复杂农田环境下多种目标杂草的识别率低、模型内存占用量大、参数多、识别速度慢等问题,提出了基于YOLO v5的轻量化杂草识别方法。利用带色彩恢复的多尺度视网膜(Multi-scale retinex with color restoration,MSRCR)增强算法对部分图像数据进行预处理,提高边缘细节模糊的图像清晰度,降低图像中的阴影干扰。使用轻量级网络PP-LCNet重置了识别模型中的特征提取网络,减少模型参数量。采用Ghost卷积模块轻量化特征融合网络,进一步降低计算量。为了弥补轻量化造成的模型性能损耗,在特征融合网络末端添加基于标准化的注意力模块(Normalization-based attention module,NAM),增强模型对杂草和玉米幼苗的特征提取能力。此外,通过优化主干网络注意力机制的激活函数来提高模型的非线性拟合能力。在自建数据集上进行实验,实验结果显示,与当前主流目标检测算法YOLO v5s以及成熟的轻量化目标检测算法MobileNet v3-YOLO v5s、ShuffleNet v2-YOLO v5s比较,轻量化后杂草识别模型内存占用量为6.23MB,分别缩小54.5%、12%和18%;平均精度均值(Mean average precision,mAP)为97.8%,分别提高1.3、5.1、4.4个百分点。单幅图像检测时间为118.1ms,达到了轻量化要求。在保持较高模型识别精度的同时大幅降低了模型复杂度,可为采用资源有限的移动端设备进行农田杂草识别提供技术支持。     

基于改进YOLO v5s的经产母猪发情检测方法研究

为解决限位栏场景下经产母猪查情难度大、过于依赖公猪试情和人工查情的问题,提出了一种基于改进YOLO v5s算法的经产母猪发情快速检测方法。首先,利用马赛克增强方式(Mosaic data augmentation, MDA)扩充数据集,以丰富数据表征;然后,利用稀疏训练(Sparse training, ST)、迭代通道剪枝(Network pruning, NP)、模型微调(Fine tune, FT)等方式重构模型,实现模型压缩与加速;最后,使用DIOU＿NMS代替GIOU＿NMS,以提高目标框的识别精度,确保模型轻量化后,仍保持较高的检测精度。试验表明,优化后的算法识别平均精确率可达97.8%,单幅图像平均检测时间仅1.7 ms,单帧视频平均检测时间仅6 ms。分析空怀期母猪发情期与非发情期的交互行为特征,发现母猪发情期较非发情期交互时长与频率均显著提高(P<0.001)。以20 s作为发情检测阈值时,发情检测特异性为89.1%、准确率为89.6%、灵敏度为90.0%,该方法能够实现发情母猪快速检测。     

基于改进YOLO v5s模型的奶山羊乳房区域热红外图像检测方法

奶山羊乳房区域的准确提取是奶山羊非侵入式体温检测的关键,但受乳房区域遮挡及热红外图像分辨率不高等因素影响,其检测精度尚待进一步提升。基于热红外成像技术,提出了一种基于改进YOLO v5s的奶山羊乳房关键部位检测方法。通过将原模型Backbone网络的部分卷积模块替换为ShuffleNetV2结构,以达到降低网络部署和训练过程中的参数量、实现轻量化网络设计的目的。通过在Neck网络检测头(Head)前端引入CBAM注意力机制,以达到在降低网络复杂程度的同时保证奶山羊乳房区域检测精度的目的。本研究采集了包含完整信息、残缺信息和边缘模糊的孕期奶山羊乳房红外图像4611幅,并在部位标注后进行模型训练。经测试,模型精确率为93.7%,召回率为86.1%,平均精度均值为92.4%,参数量为8×105,浮点运算量为1.9×109。与YOLO v5n、YOLO v5s、YOLO v7-tiny、YOLO v7、YOLO v8n和YOLO v8s目标检测网络相比,网络的精确率分别提高1.9、1.2、1.6、4.3、3.5、2.7个百分点,召回率提高3.4、5.0、0.1、2.6、0.9、1.5个百分点,参数量降低1.1×106、6.2×106、5.2×106、3.6×107、2.4×106和1.0×107,浮点运算量降低2.6×109、1.4×1010、1.1×1010、1.0×1011、6.8×109和2.7×1010。试验结果表明,本研究所提出的网络可以实现奶山羊乳房关键部位的精确检测,且在不损失检测精度的基础上显著降低网络的参数量,有利于网络在不同环境下的部署和使用,可为奶山羊非接触式体温监测系统设计提供借鉴。     

基于红外热成像和改进YOLO v5的作物病害早期识别

为实现作物病害早期识别,本文提出一种基于红外热成像和改进YOLO v5的作物病害早期检测模型,以CSPD-arknet为主干特征提取网络,YOLO v5 stride-2卷积替换为SPD-Conv模块,分别为主干网络中的5个stride-2卷积层和Neck中的2个stride-2卷积层,可以提高其准确性,同时保持相同级别的参数大小,并向下阶段输出3个不同尺度的特征层;为增强建模通道之间的相互依赖性,自适应地重新校准通道特征响应,引入SE机制提升特征提取能力;为减少模型计算量,提高模型速度,引入SPPF。经测试,改进后YOLO v5网络检测性能最佳,mAP为95.7%,相比YOLO v3、YOLO v4、SSD和YOLO v5网络分别提高4.7、8.8、19.0、3.5个百分点。改进后模型相比改进前对不同温度梯度下的作物病害检测也有提高,5个梯度mAP分别为91.0%、91.6%、90.4%、92.6%和94.0%,分别高于改进前3.6、1.5、7.2、0.6、0.9个百分点。改进YOLO v5网络内存占用量为13.755MB,低于改进前基础模型3.687MB。结果表明,改进YOLO v5可以准确快速地实现病害早期检测。     

基于改进YOLO v5的宁夏草原蝗虫识别模型研究

针对草原蝗虫图像具有样本收集困难、目标较小和目标多尺度等技术难点,基于YOLO v5网络,提出了一种复杂背景下多尺度蝗虫目标检测识别模型YOLO v5-CB,用于宁夏草原常见蝗虫检测。改进模型YOLO v5-CB针对蝗虫原始样本量较少的问题,使用CycleGAN网络扩充蝗虫数据集;针对蝗虫图像中的小目标特征,使用ConvNeXt来保留小目标蝗虫的特征;为有效解决蝗虫图像尺度特征变换较大问题,在颈部特征融合使用Bi-FPN结构,来增强网络对多尺度目标的特征融合能力。实验结果表明,在对宁夏草原常见亚洲小车蝗、短星翅蝗、中华剑角蝗进行检测识别时,YOLO v5-CB的识别精度可达98.6%,平均精度均值达到96.8%,F1值为98%,与Faster R-CNN、YOLO v3、YOLO v4、YOLO v5模型相比,识别精度均有提高。将改进的蝗虫检测识别模型YOLO v5-CB与研发的分布式可扩展生态环境数据采集系统结合,构建了基于4G网络的Web端蝗虫识别平台,可对观测点的蝗虫图像进行长期实时检测。目前,该平台已在宁夏回族自治区盐池县大水坑、黄记场、麻黄山等地的草原生态环境数据获取中得到了应用,可对包括宁夏草原蝗虫信息在内的多种生态环境信息进行长期检测和跟踪,为虫情防治等提供决策依据。