《电子技术应用》
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基于改进YOLOv8的轻量化杂草识别算法研究
电子技术应用
张超,刘宾,李坤
中北大学 信息与通信工程学院
摘要: 针对目前田间杂草识别模型精度低,以及参数多难以满足在计算资源有限的移动设备和嵌入式设备中部署的问题,提出一种基于YOLOv8的轻量化田间杂草识别模型。该模型使用改进后的PP-LCNet替代原有主干网络,保证精度的前提下减少模型的计算量;其次引入Effcient-RepGFPN来作为颈部网络,并将上采样前的两个CSPStage模块使用RFAConv来替代,利用不同尺度的特征来提高目标检测的性能;最后,更换MPDIoU损失函数,增强了模型的收敛性和稳定性。实验结果表明,改进模型与原模型相比准确率提升了2.1%,召回率提升了2.8%,mAP值提升了0.2%,同时模型的大小与计算量分别减少为原始模型的68.2%和62.6%,体现了改进算法的有效性。
中图分类号:TP391.41 文献标志码:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245324
中文引用格式: 张超,刘宾,李坤. 基于改进YOLOv8的轻量化杂草识别算法研究[J]. 电子技术应用,2025,51(1):80-85.
英文引用格式: Zhang Chao,Liu Bin,Li Kun. Research on lightweight weed recognition algorithm based on improved YOLOv8[J]. Application of Electronic Technique,2025,51(1):80-85.
Research on lightweight weed recognition algorithm based on improved YOLOv8
Zhang Chao,Liu Bin,Li Kun
College of Information and Communication Engineering, North University of China
Abstract: Aiming at the problems of low accuracy of current field weed identification models and the difficulty of deploying multiple parameters in mobile devices and embedded devices with limited computing resources, a lightweight field weed identification model based on YOLOv8 is proposed in this paper. The model uses improved PP-LCNet to replace the original backbone network, and reduces the calculation amount of the model on the premise of ensuring the accuracy. Then, Effcient-RepGFPN is introduced as the neck network, and RFAConv is used to replace the two CSPStage modules before up-sampling. Different scale features are used to improve the performance of target detection. Finally, the MPDIoU loss function is replaced to enhance the convergence and stability of the model. Experimental results show that compared with the original model, the accuracy rate of the improved model increases by 2.1%, the recall rate increases by 2.8%, and the mAP value increases by 0.2%. Meanwhile, the size and computation amount of the model are reduced to 68.2% and 62.6% of the original model, respectively, reflecting the effectiveness of the improved algorithm in this paper.
Key words : weed identification;PP-LCNet;Effcient-RepGFPN;RFAConv;MPDIoU

引言

在农业生产中,杂草的存在不仅会影响农作物的正常生长,还会减少农田的产量和降低土壤质量,增加农民的劳动成本和经济损失。因此,及时有效地识别和管理杂草至关重要。随着科技的不断进步,对杂草识别的研究逐渐成为焦点,通过先进的计算机视觉技术和机器学习算法[1],可以自动识别和分类杂草,为农民提供准确的杂草管理方案,有效减少农药的使用,保护生态环境,提高农田的生产力和经济效益[2-3]。

基于深度学习的目标检测算法可以分为两类:双阶段目标检测算法和单阶段目标检测算法[4]。单阶段目标检测算法因其更快的识别速度而被广泛应用于实时检测场景[5]。在杂草识别领域,许多学者已经成功地利用单阶段检测算法取得了显著的成果[6]。袁涛等对YOLOv4算法进行改进,采用深度可分离卷积和逆残差组件替代标准卷积和残差组件,将K-means算法得到的边界框尺寸应用到各尺度网络层,并在PANet的自适应特征池输出后添加GAN噪声层,提高了检测速度与检测精度[7];陈承源等使用轻量级网络GhostNet替换CSPDarknet以降低参数计算量,引入CA注意力机制以增强位置信息提取能力,并在Neck层引入GSconv以提高检测精度[8];冀汶莉等提出了基于YOLOv5的轻量化杂草识别方法,该方法通过使用MSRCR算法对图像进行预处理,然后采用PP-LCNet替换特征提取网络,采用Ghost卷积模块轻量化特征融合网络,并添加NAM模块增强特征提取能力,最后优化主干网络的激活函数,以提高模型性能和降低计算量[9]。

为了提高目标的特征提取能力、增加检测精度[10-11],并对模型进行轻量化,本文对YOLOv8网络进行了改进[12]。首先,采用改进后的PP-LCNet替代了原有的主干网络,同时引入了注意力机制SENetv2来增强主干特征提取网络的性能。其次,将颈部网络更换为Effcient-RepGFPN,并对其进行改进,将其中上采样前的CSPStage模块替换为RFAConv,以利用不同尺度的特征来提高目标检测的性能。最后,采用了MPDIoU损失函数来增强模型的收敛性和稳定性。


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作者信息:

张超,刘宾,李坤

(中北大学 信息与通信工程学院,山西 太原 030051)


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