《電子技術應用》
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基于改進YOLOv8的輕量化雜草識別算法研究
電子技術應用
張超,劉賓,李坤
中北大學 信息與通信工程學院
摘要: 針對目前田間雜草識別模型精度低,以及參數多難以滿足在計算資源有限的移動設備和嵌入式設備中部署的問題,提出一種基于YOLOv8的輕量化田間雜草識別模型。該模型使用改進后的PP-LCNet替代原有主干網絡,保證精度的前提下減少模型的計算量;其次引入Effcient-RepGFPN來作為頸部網絡,并將上采樣前的兩個CSPStage模塊使用RFAConv來替代,利用不同尺度的特征來提高目標檢測的性能;最后,更換MPDIoU損失函數,增強了模型的收斂性和穩定性。實驗結果表明,改進模型與原模型相比準確率提升了2.1%,召回率提升了2.8%,mAP值提升了0.2%,同時模型的大小與計算量分別減少為原始模型的68.2%和62.6%,體現了改進算法的有效性。
中圖分類號:TP391.41 文獻標志碼:A DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.245324
中文引用格式: 張超,劉賓,李坤. 基于改進YOLOv8的輕量化雜草識別算法研究[J]. 電子技術應用,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

在農業生產中,雜草的存在不僅會影響農作物的正常生長,還會減少農田的產量和降低土壤質量,增加農民的勞動成本和經濟損失。因此,及時有效地識別和管理雜草至關重要。隨著科技的不斷進步,對雜草識別的研究逐漸成為焦點,通過先進的計算機視覺技術和機器學習算法[1],可以自動識別和分類雜草,為農民提供準確的雜草管理方案,有效減少農藥的使用,保護生態環境,提高農田的生產力和經濟效益[2-3]。

基于深度學習的目標檢測算法可以分為兩類:雙階段目標檢測算法和單階段目標檢測算法[4]。單階段目標檢測算法因其更快的識別速度而被廣泛應用于實時檢測場景[5]。在雜草識別領域,許多學者已經成功地利用單階段檢測算法取得了顯著的成果[6]。袁濤等對YOLOv4算法進行改進,采用深度可分離卷積和逆殘差組件替代標準卷積和殘差組件,將K-means算法得到的邊界框尺寸應用到各尺度網絡層,并在PANet的自適應特征池輸出后添加GAN噪聲層,提高了檢測速度與檢測精度[7];陳承源等使用輕量級網絡GhostNet替換CSPDarknet以降低參數計算量,引入CA注意力機制以增強位置信息提取能力,并在Neck層引入GSconv以提高檢測精度[8];冀汶莉等提出了基于YOLOv5的輕量化雜草識別方法,該方法通過使用MSRCR算法對圖像進行預處理,然后采用PP-LCNet替換特征提取網絡,采用Ghost卷積模塊輕量化特征融合網絡,并添加NAM模塊增強特征提取能力,最后優化主干網絡的激活函數,以提高模型性能和降低計算量[9]。

為了提高目標的特征提取能力、增加檢測精度[10-11],并對模型進行輕量化,本文對YOLOv8網絡進行了改進[12]。首先,采用改進后的PP-LCNet替代了原有的主干網絡,同時引入了注意力機制SENetv2來增強主干特征提取網絡的性能。其次,將頸部網絡更換為Effcient-RepGFPN,并對其進行改進,將其中上采樣前的CSPStage模塊替換為RFAConv,以利用不同尺度的特征來提高目標檢測的性能。最后,采用了MPDIoU損失函數來增強模型的收斂性和穩定性。


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作者信息:

張超,劉賓,李坤

(中北大學 信息與通信工程學院,山西 太原 030051)


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