文章编号:1673-887X(2023)05-0041-03
邱菊1,徐燕2
(北京物资学院信息学院,北京101149)
摘要草莓种植易受到20多种病害的影响,目前草莓病害识别主要以人工为主,耗时费力,效率较低。因此,文章基于YO-LOv5s目标检测算法(YOLO You Only Look Once:Unified,Real-Time Object Detection),对采集到的696张草莓病害图片进行模型训练,设计草莓病害识别系统,实验结果显示系统识别精度接近80%,相较于传统草莓病害识别技术更便捷且识别效率更高。
关键词草莓病害;YOLOv5s;图像识别;深度学习
中图分类号S436.68文献标志码A doi:10.3969/j.issn.1673-887X.2023.05.015
Design of Strawberry Disease Identification System Based on YOLOv5s
Qiu Ju1,Xu Yan2
(School of Information,Beijing Wuzi University,Beijing101149,China)
Abstract:Strawberry is easily affected by more than20diseases during planting.At present,strawberry disease identification is mainly manual,time-consuming and laborious,with low efficiency.Therefore,based on the yolov5s image recognition algorithm, this paper conducts model training on696collected strawberry disease images,and designs a strawberry disease recognition system. The experimental results showed that the recognition effect of the system is good.
Key words:strawberry diseases,YOLOv5s,pattern recognition,deep learning
草莓肉质细韧,酸甜适口,营养丰富,在国内外市场上备受欢迎。但是,草莓种植过程中易受到20多种病害威胁,制约了草莓的产业化发展。目前草莓病害识别仍以人工为主,耗时费力,人工成本高,急需科技化手段提升草莓病害识别效果。
人工智能技术已被广泛应用于图像识别、目标追踪等领域。很多学者尝试利用人工智能技术解决草莓病害识别方面的问题[1],牛冲等人运用改进的分水岭图像分割技术,通过特征提取对草莓病害进行识别[2]。崔灿等人则是利用卷积神经网络(CNN)进行草莓病害识别[3],CNN是一种前向神经网络和深度学习方法,通过共享权值、局部连接和池化达到网络更优化并降低过拟合,利用多层卷积层和池化层提取图像的分类特征[4]。张金慧等人提出了利用人工智能技术的草莓病害识别设备[5]。以上学者的研究虽
在一定程度上提高了识别草莓病害的效率,但仍存在识别类型单一、操作复杂、识别效率较低等问题。
因此,本文以草莓作为研究对象,采用YOLOv5s算法,针对目前人工识别草莓病害耗时费力等问题,构建草莓病害识
别模型,对于实现设施草莓远程实时病害识别、提高经济效益具有现实意义。
1YOLO目标检测模型
YOLO是Joseph Redmond和Ali Farhadi等人在借鉴Google Net基础上提出的采用单独CNN模型实现的目标检测系统。它的核心思想是利用整张图作为输入后直接在输出层回归边界框(Bounding box)的位置和类别。随着时间的推移,YOLO算法也在不断提升和优化,相继出现YOLOv2、YO-LOv3、YOLOv4、YOLOv5模型。
YOLOv5的核心包括输入端、主干网络(Backbone)、颈部(Neck)、和输出端4部分,它在YOLOv4算法的基础上做了进一步的改进,检测性能方面得到很大的提升。YOLOv5对原始图像自适应添加最少的黑边,图像高度上两端的黑边减少了,使得相比之前推理速度提升了37%,同时YOLOv5的精确度相对于YOLOv4也有显著提高。官方给出的YOLOv5目标检测网络的4个模型分别为YOLOv5s,YOLOv5m,YOLOv5l,YOLOv5x。本文选择的是YOLOv5s模型,YOLOv5s[6]模型是YOLOv5系列中深度最小且特征图宽度最小的模型,优点是简洁、快速、易部署。
2实验过程与分析
2.1实验平台
本系统开发的硬件环境为字长是64位的计算机。软件操作系统为Windows10,基于python3.6版本在anaconda搭建了一个虚拟环境,利用云端GPU在Google colab平台上训练数据集,验证和测试的代码在PyCharm中编译和运行。
收稿日期2022-12-06
基金项目大学生科学研究与创业行动计划项目,项目编号为2021103044。
作者简介邱菊(2000-),女,北京,本科在读,研究方向:智慧农业。
通讯作者徐燕,E-mail:*************。农业装备
第5期(总第401期)41
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2.2
数据集简介与训练策略
在不同角度、不同距离和不同光线下拍摄采集草莓照片
696张作为模型训练与测试的数据集。利用Mosaic 数据增强方法,最终训练的标签数为1926个。2.3
数据集标注
数据集中的图片分别利用Make Sense 在线标注工具逐一进行标注,在标注前需要先创建分类标签,本文共创建4个分类标签,其名称及含义见表1。
表1
标签分类情况
Tab.1The classification of labels
标签名称good bad ripe
unripe
有无病害
无有无无
颜红红红绿
形状良好差差差
采用矩形模式进行标注,标注后的图片作为训练集。在PyCharm 中编写代码并以YOLOv5s 作为主干网络,将编写好的代码压缩后存到谷歌云盘中,连接Colab GPU 服务器,在Google Colab 上挂载云盘,解压压缩的代码,更改运行目录,配置好环境后即可开始训练,期间可以不断刷新来观察训练结果。训练结束后,导出训练完的模型,上传到PyCharm 中。从训练集中随机选取10%的草莓照片进行测试,观察结果并分析。2.4
评价指标
本实验的评价指标为精确度(Precision )、召回率(Recall )和平均精度均值(mean average precision,mAP )。
精确度定义如式(1)所示:
P =TP
TP +FP
.
(1)
召回率定义如式(2)所示:
R =TP
TP +FN
.
(2)
平均精度均值定义如式(3)所示:
mAP=
∫0
1P ()R d R .
(3)
其中,TP ——有病害的草莓数目,FN ——漏检的病害草莓数目,FP ——误报的病害草莓数目,P ——精确度,R ——召回率,P (R )——精确度和召回率曲线。
本实验训练100个Epoch (Epoch,将所有训练样本训练一次的过程)。输入端的自适应缩放的原始图片尺寸为800像素×600像素,经过自适应缩放后的图片尺寸为640像素×640像素,通过这种方式可以减少训练过程中的计算量,提高检测结果的精度。
3试验结果分析
从图1可看出,迭代开始时准确度较低,平均精度均值较
低,召回率较小,在训练20个Epoch 时,精确度和召回率突增,之后呈缓慢上升趋势,在训练100个Epoch 时,召回率为80%。综上所述,可以判断出YOLOv5s 算法在草莓病害识别方面具有一定优越性。
M A P _0.5
0.90.80.70.60.50.40.30.20.10
1
7131925313743495561677379859197
metrics
M A P _0.5:0.95
0.70.60.50.40.30.20.10
17131925313743495561677379859197
metrics
(a )mAP 曲线
(b )平均mAP 曲线
p r e c i s i o n
17131925313743495561677379859197
metrics
r e c a l l
10.90.80.70.60.50.40.30.20.10
1
7131925313743495561677379859197metrics
10.90.80.70.60.50.40.30.20.10
(c )精确度(d )召回率
图1
精确度、平均精确度和召回率折线图
Fig.1Line chart of precision,average accuracy precision and recall
图2给出了采用本系统进行草莓病害识别的3个实例。其中图2a 是识别出的已患病草莓,概率为0.82;图2b 识别出的草莓类型为患病和未成熟型,概率分别为0.87和0.78;图2c 识别出了2个未成熟和1个成熟的草莓,概率分别是0.61、0.88和
0.60。
(a)有病害(b)有病害、
未成熟草莓
(c)未成熟、成熟草莓图2
模型识别结果
Fig.2The images of the recognition result of the model
4结论
本文采用Python 语言作为开发语言,自制数据集,基于
YOLOv5s 网络建立草莓病害识别系统,实验结果显示,该系统对病害草莓识别效率较高,具有实际应用价值。
(下转第45页)
邱菊,徐燕:基于YOLOv5s 的草莓病害识别系统设计
农业装备
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同时将脱袋和粉碎设备进行整合,研发一体化的脱袋粉碎设备,有利于降低工人的劳动强度,提高粉碎效率和效果,节约制造成本。
第三,目前,废菌棒结构特点和生物学特性相关研究报道极少,应积极采取政产学研推一体化,加大废菌棒力学特性、菌袋气吸特性等基础究理论,以建立一套完善、系统的理论体系,使得理论与实践紧密结合,为今后的菌棒脱袋装备研发工作提供理论指导。
第四,废菌棒生物资源综合利用是一项涉及面广泛、影响巨大、生态效益高的系统性工程,加大综合利用技术研究与相关装备研发,加大对各项技术的推广支持力度,为食用菌种植户提供多元化发展模式,保障农户种植积极性和经济效益。
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