基于改进YOLO+v8n的辣椒穴盘育苗播种质量轻量级检测方法.pdf

2 0 2 5 年 2 月 农 业 机 械 学 报 第 5 6 卷 第 2 期 d o i 1 0 6 0 4 1 j i s s n 1 0 0 0 鄄 1 2 9 8 2 0 2 5 0 2 0 3 5 基 于 改 进 Y O L O v 8 n 的 辣 椒 穴 盘 育 苗 播 种 质 量 轻 量 级 检 测 方 法 孔 德 航 1 2 摇 刘 云 强 1 2 摇 崔 摇 巍 1 2 摇 吴 海 华 1 2 摇 张 学 东 1 2 摇 宁 义 超 1 2 1 中 国 农 业 机 械 化 科 学 研 究 院 集 团 有 限 公 司 北 京 1 0 0 0 8 3 2 农 业 装 备 技 术 全 国 重 点 实 验 室 北 京 1 0 0 0 8 3 摘 要 针 对 辣 椒 穴 盘 育 苗 播 种 质 量 实 时 准 确 检 测 难 和 边 缘 设 备 算 力 有 限 等 问 题 基 于 Y O L O v 8 n 设 计 了 一 种 轻 量 级 检 测 算 法 Y O L O v 8 n S C S Y O L O v 8 n i m p r o v e d w i t h S t a r N e t C A M a n d S C C o n v 采 用 单 格 训 练 整 盘 检 测 冶 的 技 术 策 略 以 降 低 训 练 成 本 提 高 训 练 效 率 采 用 S t a r N e t 轻 量 级 网 络 和 上 下 文 增 强 模 块 C o n t e x t a u g m e n t a t i o n m o d u l e C A M 作 为 主 干 网 络 在 降 低 模 型 复 杂 程 度 同 时 实 现 深 层 特 征 多 感 受 野 信 息 融 合 采 用 空 间 与 通 道 重 建 卷 积 S p a t i a l a n d c h a n n e l r e c o n s t r u c t i o n c o n v o l u t i o n S C C o n v 优 化 中 间 层 C 2 f C r o s s s t a g e p a r t i a l n e t w o r k f u s i o n 模 块 的 瓶 颈 结 构 增 强 模 块 特 征 提 取 能 力 和 提 高 模 型 推 理 速 度 融 合 P 2 检 测 层 将 基 线 3 个 检 测 头 减 至 1 个 增 强 模 型 对 小 目 标 的 检 测 性 能 结 果 表 明 Y O L O v 8 n S C S 模 型 参 数 量 为 1 郾 2 伊 1 0 6 内 存 占 用 量 为 2 郾 7 M B 浮 点 数 运 算 量 为 7 郾 6 伊 1 0 9 在 穴 盘 单 格 数 据 集 上 其 m A P 5 0 为 9 8 郾 3 m A P 5 0 9 5 为 8 3 郾 8 帧 率 为 1 1 2 f s 相 比 基 线 模 型 Y O L O v 8 n 参 数 量 降 低 6 2 郾 5 m A P 5 0 提 升 2 郾 5 个 百 分 点 m A P 5 0 9 5 提 升 2 郾 1 个 百 分 点 浮 点 数 运 算 量 降 低 1 4 郾 6 帧 率 提 升 2 3 郾 1 在 整 盘 检 测 任 务 中 其 检 测 帧 率 为 2 1 f s 检 测 准 确 率 为 9 8 郾 2 相 比 基 线 模 型 检 测 帧 率 提 升 8 郾 2 准 确 率 提 升 1 郾 1 个 百 分 点 对 于 播 种 速 度 8 0 0 盘 h 以 内 的 7 2 穴 育 苗 盘 和 6 0 0 盘 h 以 内 的 1 2 8 穴 育 苗 盘 其 平 均 检 测 准 确 率 大 于 9 6 且 单 粒 率 重 播 率 和 漏 播 率 检 测 误 差 小 于 1 郾 8 本 文 模 型 在 性 能 和 计 算 成 本 之 间 取 得 了 很 好 的 平 衡 降 低 了 部 署 边 缘 设 备 计 算 要 求 满 足 辣 椒 穴 盘 育 苗 播 种 质 量 在 线 检 测 需 求 为 育 苗 播 种 生 产 线 智 能 化 升 级 提 供 了 技 术 支 持 关 键 词 辣 椒 种 子 穴 盘 育 苗 播 种 质 量 检 测 改 进 Y O L O v 8 n 轻 量 级 模 型 中 图 分 类 号 T P 3 9 1 S 2 2 3 文 献 标 识 码 A 文 章 编 号 1 0 0 0 鄄 1 2 9 8 2 0 2 5 0 2 鄄 0 3 8 1 鄄 1 2 O S I D 收 稿 日 期 2 0 2 4 1 0 1 1 摇 修 回 日 期 2 0 2 4 1 0 3 0 基 金 项 目 国 家 重 点 研 发 计 划 项 目 2 0 2 3 Y F D 2 0 0 1 2 0 0 作 者 简 介 孔 德 航 1 9 9 7 男 硕 士 生 主 要 从 事 农 业 机 械 装 备 与 技 术 研 究 E 鄄 m a i l k 1 9 5 5 0 5 5 1 2 5 1 6 3 c o m 通 信 作 者 吴 海 华 1 9 8 1 男 研 究 员 博 士 生 导 师 主 要 从 事 农 业 机 械 装 备 与 技 术 研 究 E 鄄 m a i l c a a m s w h h 1 6 3 c o m L i g h t w e i g h t D e t e c t i o n M e t h o d f o r S e e d i n g Q u a l i t y o f C h i l i S e e d l i n g T r a y s B a s e d o n I m p r o v e d Y O L O v 8 n K O N G D e h a n g 1 2 摇 L I U Y u nqi a ng 1 2 摇 C U I W e i 1 2 摇 W U H a i h ua 1 2 摇 Z H A N G X ue do ng 1 2 摇 N I N G Y i c ha o 1 2 1 C h i n e s e A c a d e m y o f 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 S c i e n c e s G r o u p C o L t d B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n a 2 S t a t e K e y 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 p m e n t T e c h n o l o g y B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 C h i n a A b s t r a c t A i m i n g t o a dd r e s s t h e c h a l l e ng e s o f r e a l 鄄 t i m e a nd a c c ur a t e de t e c t i o n o f t he s e e di ng qua l i t y o f c h i l i s e e d l i n g t r a y s c o ns i d e r i ng t h e c o m pu t i ng p o w e r l i m i t a t i o ns o f e dg e de v i c e s a l i g ht w e i g ht d e t e c t i o n a l g o r i t hm Y O L O v 8 n S C S Y O L O v 8 n i m pr o v e d w i t h St a r N e t C A M a nd SC C o nv w a s pr o po s e d ba s e d o n Y O L O v 8 n M e a n w hi l e t he t e c h ni c a l s t r a t e g y o f s i ng l e 鄄 c e l l t r a i n i ng w ho l e 鄄 t r a y de t e c t i o n 冶 w a s a d o pt e d t o r e d u c e t r a i n i n g c o s t s a n d i m p r o v e t r a i n i n g e f f i c i e nc y F i r s t l y t he St a r N e t l i g ht w e i g h t ne t w o r k a n d t he C A M C o n t e x t a ug m e nt a t i o n m o d ul e w e r e us e d a s t h e b a c kbo ne n e t w o r k t o a c hi e v e m u l t i 鄄 r e c e pt i v e f i e l d i n f o r m a t i o n f us i o n o f de e p f e a t ur e s w h i l e r e d uc i ng t he c o m pl e x i t y o f t h e m o de l Se c o ndl y t h e s p a t i a l a n d c h a n n e l r e c o n s t r u c t i o n c o n v o l u t i o n S C C o nv w a s e m pl o y e d t o o pt i m i z e t he bo t t l e ne c k s t r uc t u r e o f t h e i n t e r m e d i a t e l a y e r c r o s s s t a g e p a r t i a l ne t w o r k f us i o n C 2 f m o d ul e t o e nh a n c e t h e f e a t u r e e x t r a c t i o n a b i l i t y o f t h e m o d ul e a nd i m p r o v e t h e m o de l i nf e r e n c e s pe e d F i na l l y t h e P 2 d e t e c t i o n l a y e r w a s f us e d a n d t h e d e t e c t i o n h e a ds w e r e r e d uc e d t o o n e t o e nha n c e t he m o de l 爷 s d e t e c t i o n pe r f o r m a nc e f o rs m a l l t a r g e t s T h e r e s u l t s s h o w e d t h a t t he Y O L O v 8 n SC S m o d e l ha d a pa r a m e t e r qua nt i t y o f 1 郾 2 伊 10 6 a m e m o r y o c c u p a t i o n o f 2 郾 7 M B a nd a c o m pu t a t i o n a m o unt o f 7 郾 6 伊 1 0 9 F L O P s O n t he s i n g l e 鄄 c e l l d a t a s e t o f t h e s e e d l i n g t r a y s i t s m A P 5 0 w a s 98 郾 3 m A P 5 0 9 5 w a s 8 3郾 8 a nd t he f r a m e r a t e w a s 11 2 f s C o m p a r e d w i t h t h e b a s e l i ne m o de l Y O L O v 8 n t he pa r a m e t e r qua n t i t y w a s r e d uc e d b y 6 2郾 5 m A P 5 0 w a s i n c r e a s e d b y 2 郾 5 p e r c e n t a g e p o i n t s m A P 5 0 9 5 w a s i nc r e a s e d by 2郾 1 pe r c e nt a g e p o i nt s t h e f l o a t i ng 鄄 po i n t o p e r a t i o n s w e r e r e du c e d by 1郾 3 伊 1 0 9 a nd t he f r a m e r a t e w a s i n c r e a s e d b y 23郾 1 I n t h e w h o l e 鄄 t r a y d e t e c t i o n t a s k i t s d e t e c t i o n f r a m e r a t e w a s 21 f s a nd t he de t e c t i o n a c c ur a c y r a t e w a s 98 郾 2 C o m p a r e d w i t h t he ba s e l i n e m o d e l t he d e t e c t i o n f r a m e r a t e w a s i n c r e a s e d by 8郾 2 a n d t h e a c c u r a c y r a t e w a s i n c r e a s e d b y 1郾 1 p e r c e n t a g e po i n t s F o r 72 鄄 c e l l s e e d l i ng t r a y s w i t h a s e e d i n g s pe e d w i t h i n 800 t r a y s h a n d 1 28 鄄 c e l l s e e d l i ng t r a y s w i t h a s e e di ng s p e e d w i t h i n 60 0 t r a y s h i t s a v e r a g e d e t e c t i o n a c c u r a c y w a s a bo v e 9 6 a n d t h e de t e c t i o n e r r o r s o f s i ng l e 鄄 s e e d r a t e r e s e e di n g r a t e a n d m i s s 鄄 s e e d i n g r a t e w e r e l e s s t h a n 1 郾 8 T hi s s t u dy a c hi e v e d a g o o d ba l a nc e be t w e e n pe r f o r m a nc e a n d c o m p ut a t i o n a l c o s t r e du c e d t h e c o m pu t i n g p o w e r r e q ui r e m e nt s f o r de pl o y i ng e d g e de v i c e s m e t t h e o n l i n e de t e c t i o n n e e d s f o r t he s e e d i n g qua l i t y o f c h i l i s e e dl i n g t r a y s a nd pr o v i de d k e y t e c hni c a l s u ppo r t f o r t he i nt e l l i g e n t u p g r a de o f t he s e e d l i ng p r o duc t i o n l i ne K e y w or d s c h i l i s e e ds pl u g s e e d l i n g s e e d i n g q u a l i t y d e t e c t i o n i m p r o v e d Y O L O v 8 n l i g ht w e i g h t m o d e l 0 摇 引 言 辣 椒 是 一 种 重 要 的 经 济 作 物 其 种 植 面 积 和 产 量 逐 年 增 加 且 育 苗 移 栽 率 超 过 80 穴 盘 育 苗 技 术 通 过 育 苗 精 量 播 种 生 产 线 进 行 穴 盘 苗 批 量 化 生 产 因 其 高 效 节 约 和 标 准 化 等 优 势 已 成 为 工 厂 化 育 苗 重 要 组 成 部 分 1 辣 椒 种 子 小 且 扁 平 在 自 动 化 播 种 过 程 中 易 出 现 漏 播 重 播 等 问 题 影 响 育 苗 质 量 和 其 后 续 生 长 因 此 实 现 对 播 种 质 量 实 时 准 确 检 测 是 保 障 育 苗 播 种 生 产 线 高 效 运 行 的 关 键 传 统 的 播 种 质 量 检 测 主 要 依 赖 人 工 观 察 和 抽 样 统 计 存 在 效 率 低 误 差 大 无 法 实 时 反 馈 等 问 题 相 关 学 者 应 用 传 感 器 技 术 和 图 像 处 理 技 术 实 现 了 白 菜 2 3 水 稻 4 干 豆 5 和 玉 米 6 等 种 子 检 测 与 分 类 但 此 类 方 法 依 赖 种 子 表 型 和 尺 寸 特 征 对 小 籽 粒 种 子 检 测 精 度 不 高 随 着 计 算 机 视 觉 和 深 度 学 习 技 术 发 展 基 于 图 像 识 别 的 检 测 方 法 逐 渐 成 为 研 究 热 点 7 1 0 以 上 研 究 在 模 型 架 构 和 检 测 方 式 上 进 行 了 探 索 但 未 充 分 考 虑 边 缘 设 备 算 力 限 制 近 年 来 诸 多 学 者 在 模 型 轻 量 化 改 进 上 进 行 了 研 究 1 1 1 4 以 上 研 究 对 一 些 主 流 的 单 阶 段 目 标 检 测 算 法 进 行 了 轻 量 化 改 进 均 衡 了 模 型 检 测 精 度 和 计 算 量 综 上 所 述 目 前 穴 盘 播 种 质 量 检 测 研 究 主 要 集 中 在 水 稻 玉 米 等 大 籽 粒 种 子 上 而 对 辣 椒 种 子 研 究 较 少 且 聚 焦 于 提 升 检 测 效 果 对 于 检 测 效 率 提 升 和 边 缘 设 备 算 力 限 制 考 虑 相 对 较 少 辣 椒 种 子 尺 寸 较 小 语 义 信 息 有 限 且 呈 不 规 则 扁 平 状 在 穴 盘 中 易 出 现 重 叠 或 倾 斜 增 加 了 识 别 难 度 在 不 同 光 照 条 件 下 种 子 对 比 度 变 化 明 显 其 颜 色 与 育 苗 基 质 背 景 相 近 育 苗 基 质 中 含 有 蛭 石 珍 珠 岩 等 干 扰 物 易 对 检 测 精 度 造 成 影 响 针 对 以 上 问 题 本 文 基 于 改 进 Y O L O v 8 n 提 出 一 种 辣 椒 穴 盘 育 苗 播 种 质 量 轻 量 级 检 测 方 法 Y O L O v 8 n SC S Y O L O v 8 n i m pr o v e d w i t h St a r N e t C A M a n d S C C o n v 同 时 根 据 穴 盘 结 构 特 点 单 格 图 像 之 间 背 景 近 似 整 盘 图 像 可 以 视 为 单 格 图 像 拼 接 而 成 采 用 单 格 训 练 整 盘 检 测 冶 的 技 术 策 略 以 降 低 训 练 成 本 提 高 训 练 效 率 在 自 制 的 数 据 集 上 进 行 模 型 检 测 性 能 评 价 和 播 种 单 粒 率 重 播 率 漏 播 率 评 估 以 期 为 辣 椒 穴 盘 育 苗 播 种 质 量 实 时 准 确 检 测 提 供 关 键 技 术 支 持 1 摇 试 验 材 料 1郾 1 摇 数 据 采 集 图 像 数 据 采 集 于 20 23 年 12 月 13 日 在 农 业 装 备 技 术 全 国 重 点 实 验 室 进 行 试 验 选 用 寿 禾 牛 角 椒 种 子 作 为 检 测 对 象 采 用 72 穴 标 准 育 苗 盘 并 使 用 北 京 中 农 富 通 园 艺 有 限 公 司 生 产 的 专 用 育 苗 基 质 土 试 验 时 将 配 有 1 200 万 像 素 高 清 12 m m 定 焦 镜 头 的 大 华 A 3 A 2 0 C G 8 型 相 机 固 定 在 育 苗 精 量 播 种 生 产 线 上 方 使 镜 头 前 端 与 传 送 带 保 持 1郾 1 6 m 的 垂 直 距 离 并 调 节 补 光 灯 亮 度 确 保 图 像 清 晰 以 帧 率 30 f s 进 行 图 像 采 集 如 图 1 a 所 示 为 提 高 模 型 泛 化 能 力 并 确 保 数 据 集 多 样 性 图 像 采 集 在 育 苗 播 种 生 产 线 不 同 播 种 速 度 下 进 行 试 验 共 采 集 80 幅 图 像 每 幅 图 像 分 辨 率 为 4 0 00 像 素 伊 3 0 00 像 素 其 中 处 于 静 止 和 6 00 800 1 0 00 1 2 00 盘 h 状 态 下 图 像 数 量 比 为 3 颐 2 颐 1 颐 1 颐 1 图 1 b 为 部 分 采 集 图 像 2 8 3 农 摇 业 摇 机 摇 械 摇 学 摇 报 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2 0 2 5 年其 中 辣 椒 种 子 平 均 尺 寸 约 为 30 像 素 伊 30 像 素 图 1 摇 数 据 采 集 情 况 F i g 1 摇 D a t a c o l l e c t i o n d i a g r a m s 摇 1 郾 2 摇 穴 盘 单 格 数 据 集 构 建 采 用 穴 盘 单 格 图 像 构 建 模 型 训 练 集 为 实 现 单 格 图 像 快 速 提 取 降 低 前 期 数 据 处 理 工 作 量 首 先 对 采 集 的 穴 盘 图 像 进 行 裁 剪 去 除 穴 盘 周 围 背 景 再 采 用 模 板 匹 配 对 裁 剪 后 穴 盘 图 像 进 行 单 格 图 像 提 取 鉴 于 相 机 固 定 后 采 集 图 像 尺 寸 一 致 且 穴 盘 在 传 送 带 两 侧 限 位 杆 作 用 下 横 向 位 置 相 对 居 中 因 此 采 用 固 定 区 域 裁 剪 方 法 依 据 图 像 中 穴 盘 的 左 上 角 和 右 下 角 坐 标 点 进 行 裁 剪 去 除 无 效 背 景 区 域 利 于 后 续 处 理 如 图 2 所 示 图 2 摇 固 定 区 域 裁 剪 F i g 2 摇 F i x e d a r e a c r o p p i n g 摇 鉴 于 不 同 穴 格 背 景 和 亮 度 存 在 一 定 差 异 因 此 采 用 对 光 照 噪 声 有 一 定 鲁 棒 性 的 归 一 化 相 关 模 板 匹 配 法 进 行 穴 盘 单 格 图 像 获 取 1 5 1 6 如 图 3 所 示 图 3 摇 模 板 匹 配 F i g 3 摇 T e m p l a t e m a t c h i n g 摇 匹 配 时 从 原 图 像 中 选 取 一 穴 格 作 为 模 板 将 模 板 在 原 图 像 上 进 行 像 素 级 滑 动 并 计 算 原 图 像 S 与 模 板 图 像 M 之 间 的 归 一 化 相 关 系 数 R 计 算 式 为 R x y 移 U 1 u 0 移 V 1 v 0 M u v E M S x u y v E S x y 移 U 1 u 0 移 V 1 v 0 M u v E M 2 移 U 1 u 0 移 V 1 v 0 S x u y v E S x y 2 1 式 中 摇 x y 坐 标 匹 配 起 点 像 素 U V 模 板 图 像 M 尺 寸 像 素 M u v 模 板 图 像 M 在 位 置 u v 的 灰 度 E M 模 板 图 像 M 灰 度 均 值 S x u y v 原 图 像 S 在 位 置 x u y v 的 灰 度 E S x y 原 图 像 S 中 以 x y 为 起 点 的 大 小 为 U 伊 V 区 域 灰 度 均 值 将 R 同 设 定 的 匹 配 置 信 度 椎 相 比 较 若 R 逸 椎 则 认 为 在 该 位 置 存 在 匹 配 否 则 认 为 不 存 在 匹 配 试 验 时 设 定 椎 0郾 14 匹 配 成 功 率 为 84 共 获 取 到 穴 盘 单 格 图 像 3 472 幅 图 中 匹 配 结 果 显 示 少 数 区 域 存 在 匹 配 重 叠 的 问 题 因 此 进 一 步 对 获 取 的 图 像 进 行 筛 选 清 洗 去 除 不 合 格 图 像 以 提 高 训 练 数 据 质 量 为 有 效 提 升 模 型 性 能 和 泛 化 能 力 采 取 随 机 翻 转 颜 色 变 换 随 机 缩 放 和 平 移 方 式 对 清 洗 后 2 8 7 6 幅 穴 盘 单 格 图 像 进 行 数 据 增 强 增 强 效 果 如 图 4 所 示 数 据 增 强 后 数 据 集 扩 充 为 4 6 2 0 幅 使 用 L a b e l M e 软 件 进 行 标 注 按 照 比 例 8 颐 1 颐 1 对 标 注 完 成 的 穴 盘 单 格 图 像 进 行 划 分 得 到 训 练 集 图 像 3 69 6 幅 验 证 集 和 测 试 集 图 像 各 462 幅 图 4 摇 数 据 增 强 F i g 4 摇 D a t a a u g m e n t a t i o n 摇 2 摇 检 测 方 法 2郾 1 摇 技 术 策 略 本 研 究 技 术 策 略 可 概 括 为 单 格 训 练 整 盘 检 3 8 3 第 2 期 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 孔 德 航 等 基 于 改 进 Y O L O v 8 n 的 辣 椒 穴 盘 育 苗 播 种 质 量 轻 量 级 检 测 方 法测 冶 如 图 5 所 示 在 单 格 训 练 阶 段 使 用 构 建 的 数 据 集 对 Y O L O v 8 n S C S 网 络 进 行 训 练 迭 代 优 化 模 型 权 重 在 整 盘 检 测 阶 段 首 先 对 采 集 的 整 盘 图 像 按 照 图 2 方 法 进 行 固 定 区 域 裁 剪 减 少 模 型 推 理 数 据 量 再 根 据 模 型 下 采 样 深 度 确 定 输 入 穴 盘 图 像 调 节 目 标 尺 寸 L 最 后 输 入 到 加 载 训 练 最 优 权 重 的 Y O L O v 8 n S C S 网 络 中 进 行 检 测 获 取 穴 盘 内 辣 椒 种 子 播 种 情 况 图 5 摇 技 术 路 线 图 F i g 5 摇 T e c h n o l o g y r o a d m a p 摇 2 郾 2 摇 Y O L O v 8 n S C S 网 络 架 构 Y O L O 系 列 算 法 是 单 阶 段 目 标 检 测 算 法 的 代 表 在 目 标 检 测 任 务 中 取 得 了 多 次 SO T A 表 现 相 比 于 F a s t e r R C N N 1 7 M a s k R C N N 1 8 等 两 阶 段 目 图 6 摇 Y O L O v 8 n S C S 网 络 结 构 图 F i g 6 摇 A r c h i t e c t u r e o f Y O L O v 8 n S C S 标 检 测 算 法 具 有 更 快 的 推 理 速 度 和 更 多 的 版 本 选 择 性 Y O L O v 8 1 9 是 U l t r a l y t i c s 公 司 推 出 的 最 新 Y O L O 系 列 算 法 相 比 之 前 的 Y O L O v 3 2 0 Y O L O v 5 2 1 Y O L O v 7 2 2 等 版 本 在 识 别 精 度 和 速 度 上 都 有 提 升 有 Y O L O v 8 n Y O L O v 8 s Y O L O v 8 m Y O L O v 8 l 和 Y O L O v 8 x 5 个 版 本 其 中 Y O L O v 8 n 作 为 轻 量 级 版 本 在 小 样 本 数 据 集 上 不 容 易 出 现 过 拟 合 且 更 适 合 于 在 资 源 有 限 的 移 动 设 备 端 运 行 为 实 现 辣 椒 穴 盘 播 种 质 量 在 线 检 测 精 确 获 取 穴 盘 内 辣 椒 种 子 位 置 和 数 量 以 Y O L O v 8 n 为 基 线 模 型 进 行 设 计 网 络 整 体 依 然 采 用 特 征 金 字 塔 网 络 F e a t ur e py r a m i d ne t w o r k F P N 与 路 径 聚 合 网 络 P a t h a g g r e g a t i o n ne t w o r k P A N 架 构 改 进 后 模 型 网 络 结 构 如 图 6 所 示 使 用 轻 量 级 网 络 S t a r N e t 对 原 有 的 主 干 网 络 B a c kb o ne 进 行 了 替 换 并 引 入 上 下 文 增 强 模 块 C o nt e x t a ug m e n t a t i o n m o d ul e C A M 实 现 深 层 特 征 的 多 感 受 野 信 息 融 合 在 中 间 层 N e c k 部 分 融 合 了 P 2 检 测 层 并 使 用 空 间 与 通 道 重 建 卷 积 Sp a t i a l a n d c ha nne l r e c o n s t r uc t i o n c o nv o l ut i o n SC C o n v 替 换 基 线 C 2 f 模 块 的 瓶 颈 结 构 以 实 现 在 增 强 模 块 特 征 提 取 能 力 的 同 时 提 高 模 型 推 理 速 度 将 基 线 的 3 个 检 测 头 H e a d 减 至 1 个 集 中 关 注 小 尺 度 特 征 以 4 8 3 农 摇 业 摇 机 摇 械 摇 学 摇 报 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 2 0 2 5 年增 强 模 型 对 小 目 标 的 检 测 性 能 2 郾 2 郾 1 摇 S t a r N e t 特 征 提 取 网 络 主 干 网 络 选 取 会 显 著 影 响 模 型 整 体 性 能 和 计 算 复 杂 性 因 此 需 兼 顾 两 者 间 平 衡 G ho s t N e t 2 3 Shu f f l e N e t V 2 2 4 和 F a s t e r N e t 2 5 等 高 效 网 络 在 实 现 轻 量 化 同 时 通 过 特 征 重 用 和 特 征 重 组 来 增 强 对 高 维 非 线 性 特 征 表 征 能 力 提 高 网 络 效 率 S t a r N e t 2 6 网 络 采 用 元 素 乘 法 操 作 显 著 地 提 升 了 自 身 隐 式 维 度 其 网 络 结 构 如 图 6 所 示 对 应 Y O L O v 8 n SC S 主 干 网 络 前 5 层 完 成 5 次 下 采 样 操 作 St a r N e t 遵 循 传 统 分 层 网 络 结 构 首 先 使 用 1 个 3 伊 2 的 卷 积 层 降 低 分 辨 率 其 次 通 过 5 个 由 3 伊 2 的 卷 积 和 St a r B l o c k 组 成 的 功 能 块 实 现 特 征 提 取 而 每 个 功 能 块 S t a r B l o c k 的 深 度 即 重 复 次 数 可 单 独 进 行 设 置 大 大 提 升 了 网 络 灵 活 性 如 图 7 所 示 St a r B l o c k 模 块 采 用 深 度 7 伊 1 卷 积 D W C o nv D e pt h 鄄 w i s e c o nv o l ut i o n 完 成 输 入 特 征 提 取 有 效 减 少 了 计 算 量 然 后 经 过 批 归 一 化 B N B a t c h no r m a l i z a t i o n 高 效 实 现 输 出 的 标 准 化 处 理 由 两 路 扩 展 因 子 为 4 的 1 伊 1 卷 积 进 行 特 征 升 维 并 选 择 其 中 一 路 使 用 R e L U 6 进 行 激 活 之 后 对 两 路 输 出 执 行 元 素 乘 法 即 St a r 实 现 全 局 交 互 同 时 指 数 式 放 大 特 征 隐 式 维 数 依 次 通 过 1 伊 1 的 卷 积 和 7 伊 1 的 深 度 卷 积 实 现 特 征 降 维 和 提 取 图 7 摇 S t a r B o l c k 模 块 结 构 图 F i g 7 摇 A r c h i t e c t u r e o f S t a r B o l c k m o d u l e 摇 摇 摇 记 网 络 输 入 特 征 为 z 初 始 特 征 维 数 为 d 进 行 第 1 个 星 型 操 作 的 第 i j 两 路 通 道 权 重 为 w i 1 1 w j 1 2 引 入 偏 置 后 整 体 权 重 为 W 1 1 W 1 2 记 冶 表 示 元 素 乘 法 则 第 l 个 星 型 操 作 输 出 O l 为 O l W T l 1 O l 1 W T l 2 O l 1 摇 O l 1 沂 R d 2 2 l 2 向 量 空 间 维 数 为 d 2 2 l 推 导 见 文 献 2 6 模 型 的 星 型 操 作 次 数 为 5 当 输 入 通 道 数 为 1 28 时 网 络 隐 式 特 征 维 数 约 为 9 0 3 2 可 见 S t a r N e t 网 络 在 小 巧 紧 凑 的 架 构 上 拥 有 庞 大 的 高 维 空 间 属 性 同 时 网 络 采 用 R e L U 6 作 为 激 活 函 数 使 其 在 移 动 端 设 备 运 行 时 也 能 有 很 好 的 分 辨 率 2 郾 2 郾 2 摇 C A M 特 征 增 强 模 块 数 据 集 图 像 中 含 有 蛭 石 珍 珠 岩 等 与 辣 椒 种 子 形 态 相 近 但 像 素 幅 值 存 在 差 异 的 干 扰 物 因 此 可 采 取 特 征 增 强 的 方 式 将 干 扰 物 与 待 检 测 的 辣 椒 种 子 加 以 区 分 自 注 意 力 机 制 将 特 征 映 射 到 不 同 的 空 间 2 7 通 过 点 积 相 乘 构 建 注 意 力 矩 阵 然 而 这 种 实 现 并 不 高 效 并 且 导 致 注 意 力 复 杂 度 随 着 数