李名博 任東悅 郭俊旺 衛(wèi)勇

摘要：在玉米病害的影響下，玉米產(chǎn)量下降，其中大部分病害癥狀均反映在玉米的葉片上。針對(duì)人工識(shí)別葉片費(fèi)時(shí)、費(fèi)力、準(zhǔn)確率低的問(wèn)題提出了一種基于改進(jìn)YOLOX-S網(wǎng)絡(luò)的玉米病害識(shí)別模型，并將該模型部署到Atlas 200DK開(kāi)發(fā)板中。該研究在YOLOX-S的基礎(chǔ)上添加了4個(gè)CBAM注意力機(jī)制模塊，其中3個(gè)注意力機(jī)制模塊添加到網(wǎng)絡(luò)的Backbone與Neck之間，第4個(gè)注意力機(jī)制模塊添加到SPPBottleneck的2次上采樣結(jié)果后，通過(guò)使用不同的權(quán)重來(lái)調(diào)整不同病害特征細(xì)節(jié)的重要程度，能夠提高模型收斂速度，有效提升模型的識(shí)別精度，并基于Atlas 200DK開(kāi)發(fā)板的特性及相關(guān)屬性，將改進(jìn)后的模型部署到開(kāi)發(fā)板當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了算法的移植。結(jié)果表明，改進(jìn)后的YOLOX-S網(wǎng)絡(luò)模型與YOLO v3、YOLO v4、Faster R-CNN 模型相比，在識(shí)別率與精確性方面有著顯著的優(yōu)勢(shì)，與原模型相比，識(shí)別準(zhǔn)確率（mAP值）提高0.2百分點(diǎn)，改進(jìn)后的YOLOX-S網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)玉米病害的識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)98.75%，并且部署到Atlas 200DK開(kāi)發(fā)板的模型仍然發(fā)揮良好的檢測(cè)性能，可以為識(shí)別玉米病害提供參考。

關(guān)鍵詞：病害識(shí)別；深度學(xué)習(xí)；改進(jìn)型YOLOX-S；數(shù)據(jù)增強(qiáng)；模型部署

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391.41? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1002-1302（2024）03-0237-10

進(jìn)入21世紀(jì)，深度學(xué)習(xí)與人工智能技術(shù)迅速發(fā)展，許多學(xué)科都與人工智能有了交叉，由于深度學(xué)習(xí)在許多方面的成功運(yùn)用，目前已有許多學(xué)者把目光轉(zhuǎn)向了深度學(xué)習(xí)與農(nóng)業(yè)的融合。我國(guó)的玉米種植面積極其廣泛，因其具有極高的營(yíng)養(yǎng)價(jià)值，更是農(nóng)民收入的重要來(lái)源。然而，玉米在生長(zhǎng)的過(guò)程中也會(huì)產(chǎn)生各種病害：大斑病、小斑病、銹病、玉米紋枯病、玉米彎孢葉斑病等［1］。因此，利用深度學(xué)習(xí)技術(shù)對(duì)病害的不同類(lèi)型進(jìn)行有效分類(lèi)，幫助農(nóng)民解決了大問(wèn)題，為這一問(wèn)題的求解打下了良好的基礎(chǔ)。目前，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中使用深度學(xué)習(xí)的方法日益增多。經(jīng)過(guò)對(duì)CaffeNet模型的微調(diào)，Hasan等對(duì)15種不同類(lèi)型的植物進(jìn)行了分類(lèi)，其中包括13種病害、1種背景和1種正常葉子，每一種類(lèi)型的識(shí)別準(zhǔn)確率都超過(guò)91%［2］。Chen等將空間注意力理論與 DenseNet相結(jié)合，將玉米病害分類(lèi)的精度提高到98.96%，并將其與其他3種病葉進(jìn)行了比較［3］。另外，有些學(xué)者將多種深度學(xué)習(xí)模式與分類(lèi)方法相結(jié)合，或利用不同的技術(shù)，將人工制造的特性與自動(dòng)特征相結(jié)合，從而提高了綜合結(jié)果。畢春光等根據(jù)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)容易陷入局部極小的缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上，利用貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提出了一種新的預(yù)測(cè)模型，并與傳統(tǒng)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行比較，試驗(yàn)證明，該方法具有較高的精確度，可達(dá)94.04%［4］。毛彥棟等針對(duì)玉米葉部病害圖像的顏色、紋理、形狀特征對(duì)病害影響的差異性，提出一種結(jié)合單特征下的SVM識(shí)別準(zhǔn)確率和識(shí)別結(jié)果的融合多特征玉米病害識(shí)別方法［5］。本研究在YOLOX-S的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，加入了4個(gè)CBAM注意力機(jī)制模塊，用來(lái)提高目標(biāo)檢測(cè)算法的識(shí)別率，采用Mosaic、MixUp、CutOut等數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，完成玉米病害的識(shí)別，并將改進(jìn)型YOLOX-S算法模型部署到Atlas 200DK中，對(duì)其效果進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)GPU算法移植到Atlas 200DK上仍然擁有良好的檢測(cè)性能。

1 數(shù)據(jù)集的構(gòu)建

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

試驗(yàn)時(shí)間為2022年9—12月，試驗(yàn)地點(diǎn)位于天津市西青區(qū)津靜公路22號(hào)天津農(nóng)學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院。

本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)主要來(lái)自于PlantVillage公共數(shù)據(jù)集，采用數(shù)據(jù)集中的3種玉米病害葉片與玉米健康葉片數(shù)據(jù)作為本研究的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。病害種類(lèi)包括玉米葉斑病、玉米灰斑病和玉米銹病，這3類(lèi)病害葉片加上健康葉片的數(shù)據(jù)共計(jì)3 852張。試驗(yàn)數(shù)據(jù)集中的圖像示例如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)標(biāo)注

本次試驗(yàn)的標(biāo)注工作均由6名有標(biāo)識(shí)經(jīng)驗(yàn)的專(zhuān)家完成，每一塊玉米葉片都被一個(gè)綠色長(zhǎng)方形的框架所包圍。同時(shí)，對(duì)標(biāo)注好的文件進(jìn)行重新校對(duì)，以防止出現(xiàn)漏標(biāo)誤標(biāo)。用XML格式存儲(chǔ)標(biāo)記過(guò)的玉米葉片，圖2顯示了標(biāo)記過(guò)的玉米葉片和相應(yīng)的 XML文檔文件，該文檔包括了由長(zhǎng)方形的邊框構(gòu)成的玉米葉子的位置信息。在此文件中，boundingbox作為4元組（xmin，ymin，xmax，ymax），（xmin，ymin）代表boundingbox的左上方，而xmax則是bounding box的寬度和高度，并與標(biāo)記的玉米葉片進(jìn)行一一對(duì)應(yīng)，從而將玉米的位置信息全部記錄下來(lái)［6］。

1.3 數(shù)據(jù)增強(qiáng)

根據(jù)原始數(shù)據(jù)集，利用Mosaic、MixUp、CutOut等數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行了擴(kuò)充，同時(shí)對(duì)不同像素和XML文件進(jìn)行增強(qiáng)處理，大大縮短了重復(fù)標(biāo)注的時(shí)間和人力成本［7］。原始玉米病害圖像如圖3所示，增強(qiáng)后的部分圖像如圖4所示。

本試驗(yàn)所用的玉米病害圖像原始分辨率均為256像素×256像素，為了達(dá)到更好的訓(xùn)練效果，對(duì)原始數(shù)據(jù)集進(jìn)行了預(yù)處理，統(tǒng)一調(diào)整了分辨率，將數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的7 023張玉米病害圖像統(tǒng)一縮小到224像素×224像素。其中，玉米健康葉片、玉米葉斑病、玉米灰斑病、玉米銹病的圖像數(shù)分別為1 982、1 360、1 560、2 121張，具體如圖5所示。

本次數(shù)據(jù)增強(qiáng)對(duì)玉米病害圖像及玉米的健康葉片圖像進(jìn)行了重新劃分，按照8 ∶1 ∶1的比例將玉米病害數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集、測(cè)試集和驗(yàn)證集。加強(qiáng)后的訓(xùn)練集、測(cè)試集、驗(yàn)證集樣本總數(shù)分別為 5 617、703、703張，數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的訓(xùn)練集測(cè)試集圖像數(shù)量詳情如表1所示。

2 改進(jìn)的YOLOX-S算法

2.1 YOLOX-S目標(biāo)檢測(cè)算法

2021年，曠視科技基于YOLO系列，結(jié)合近幾年國(guó)內(nèi)外研究成果，對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化和完善，并推出了YOLOX算法。YOLO v5在目標(biāo)檢測(cè)方面掀起了一股網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分解、剖析的熱潮，YOLOX算法正是基于YOLOX的思想，將YOLOX模式轉(zhuǎn)化成了多種可選擇的網(wǎng)絡(luò)。例如，在YOLO v3_spp中加入幾個(gè)常見(jiàn)的改進(jìn)方法，增加YOLO v3 baseline基準(zhǔn)模型，增加不同的trick，其中不局限于Decoupled、SimOTA，從而獲得YOLOX-Darknet53網(wǎng)絡(luò)；針對(duì)YOLO v5的4種不同的網(wǎng)絡(luò)，分別使用高效的trick進(jìn)行優(yōu)化，最終獲得YOLOX-S、YOLOX-M、YOLOX-L、YOLOX-X這4種不同的網(wǎng)絡(luò)模式，還對(duì)YOLOX-Nano、YOLOX-Tiny等輕量級(jí)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并對(duì)其適應(yīng)性進(jìn)行了試驗(yàn)［8］。

2.2 注意力機(jī)制

注意力機(jī)制源于人腦特殊的信號(hào)加工機(jī)理。在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，注意力機(jī)制被廣泛用于自然語(yǔ)言處理、機(jī)器視覺(jué)等領(lǐng)域，通過(guò)使用不同的權(quán)重來(lái)調(diào)整信息的重要性，將重點(diǎn)信息乘以較高的權(quán)重，強(qiáng)調(diào)其重要性，同時(shí)對(duì)非關(guān)鍵信息進(jìn)行加權(quán)濾波，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜任務(wù)的快速篩選［9］。

2.2.1 通道注意力

通道注意力主要集中在圖像的語(yǔ)義信息上，使網(wǎng)絡(luò)對(duì)所給的圖像進(jìn)行更多的詳細(xì)分析。在檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中，每一個(gè)卷積層都含有大量的濾波器，用于學(xué)習(xí)代表所有通道的局部空間連通方式。通道關(guān)注的是各個(gè)通道間的關(guān)聯(lián)，并對(duì)各個(gè)通道賦予不同的權(quán)值以確定它們的重要性。其主要原理為將輸入的特征圖F進(jìn)行最大池化和平均池化處理，獲得1×1×C的特征圖，然后將其送至共享網(wǎng)（Shared MLP），逐個(gè)單元相加，由Sigmoid激活函數(shù)進(jìn)行最后的詳細(xì)計(jì)算，最終形成信道注意力MC［10］。SENet是“通道關(guān)注”的經(jīng)典作品，曾經(jīng)獲得2017 ImageNetworks和Image類(lèi)目任務(wù)的冠軍。它的模塊結(jié)構(gòu)在圖6中顯示，輸入的特征是X，C1是特性通道，經(jīng)過(guò)一系列的卷積轉(zhuǎn)換，輸出的是C2的特性通道。首先，在空間維度上對(duì)各特征進(jìn)行壓縮，將各二維特性通道變成一個(gè)真實(shí)C，從而得到先前的整體感知范圍，再進(jìn)行激發(fā)運(yùn)算，通過(guò)對(duì)信道重要性的預(yù)測(cè)，采用W參數(shù)并根據(jù)信道大小對(duì)信道進(jìn)行加權(quán)，最終對(duì)通道維度的初始特征進(jìn)行重新校正。SENet的運(yùn)算量非常小，可以在任意的網(wǎng)絡(luò)中任意插入，提高了性能。

2.2.2 空間注意力

空間注意力集中于圖像的空間位置信息，使得網(wǎng)絡(luò)對(duì)圖像的有效特征進(jìn)行了詳細(xì)分析。它的主要功能是利用大卷積核進(jìn)行卷積操作，在擴(kuò)展感知范圍的同時(shí)，對(duì)物體的空間位置信息進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的精確定位?？臻g注意力的模式結(jié)構(gòu)如圖7中所顯示，首先，在輸入的特征曲線F上，沿信道軸線對(duì)同一位置的像素進(jìn)行最大的池化并平均，從而獲得兩幅H×W×1的特征圖，再用7×7的卷積運(yùn)算和Sigmoid激活功能，從而生成空間注意力MS［11］。

2.3 改進(jìn)的YOLOX-S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

YOLOX-S算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，大致分為3個(gè)部分，包括主干特征提取網(wǎng)絡(luò)CSPDarknet，它在特征提取上有重要的作用，然后是加強(qiáng)特征提取網(wǎng)絡(luò)FPN，特征提取后進(jìn)行加強(qiáng)，最后是分類(lèi)器與回歸器YOLO head。首先會(huì)對(duì)輸入進(jìn)來(lái)的圖片進(jìn)行resize的處理，采用Focus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征抽取，在抽取圖像時(shí)，會(huì)對(duì)圖像進(jìn)行高、寬的壓縮，同時(shí)增加通道數(shù)量。然后，使用Resblock body的結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征提取。這里一共使用4次Resblock body的結(jié)構(gòu)。先選取一個(gè)3×3的濾波器，通過(guò)濾波器對(duì)輸入的層進(jìn)行寬和高不同通道的壓縮，對(duì)通道進(jìn)行調(diào)整。在第4次的結(jié)構(gòu)中加入了SPP結(jié)構(gòu)，即使用不同池化和的不同池化進(jìn)行特征提取，如圖6中的3個(gè)池化和分別為5、9、13。在使用卷積方法來(lái)減少通道數(shù)目之前，進(jìn)行池化后得到了一個(gè)結(jié)果，然后將這個(gè)結(jié)果進(jìn)行迭代。主干特征提取網(wǎng)絡(luò)CSPDarknet起到重要作用，經(jīng)過(guò)它可以得到3個(gè)有效特征層，對(duì)玉米病害的RGB三色圖進(jìn)行3、4、5次壓縮，結(jié)果的shape分別為（80×80×256）、（40×40×512）、（20×20×1 024）。然后會(huì)利用這3個(gè)有效特征層進(jìn)行加強(qiáng)特征提取網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建［12］。在加強(qiáng)特征提取網(wǎng)絡(luò)中，本質(zhì)上是進(jìn)行特征融合，在融合的過(guò)程中，會(huì)出現(xiàn)上下取樣的特征融合。采用CSPDarknet和 FPN技術(shù)，在卷積學(xué)習(xí)過(guò)程中得到3種不同的有效特征層。將各特征點(diǎn)視為一系列有通道數(shù)的特征點(diǎn)，用YOLO-s頭判定所述特征點(diǎn)，并判定所述特征點(diǎn)是否存在對(duì)象與所述特征點(diǎn)相對(duì)應(yīng)。所以，YOLOX-S網(wǎng)絡(luò)的整體工作是提取特征點(diǎn)，強(qiáng)化特征點(diǎn)，并對(duì)特征點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的目標(biāo)狀態(tài)進(jìn)行預(yù)測(cè)。改進(jìn)YOLOX-S目標(biāo)檢測(cè)算法模型融合了4個(gè)注意力機(jī)制模塊，在骨干網(wǎng)絡(luò)提取出來(lái)3個(gè)有效特征層，然后分別加入了注意力機(jī)制，同時(shí)在采樣后的結(jié)果加入注意力機(jī)制，加入的注意力機(jī)制均為CBAM模塊。改進(jìn)后的YOLOX-S網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖8所示。

2.4 特征提取與特征融合

首先，利用CSPDarknet對(duì)玉米病害圖像進(jìn)行一次特征提取，提取的圖像特征命名為“特征層”，即圖像的特征集合。在骨干中，獲取了3個(gè)特征層，用于下一步網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建，這3個(gè)特征層稱(chēng)之為“有效特征層”；還使用了Focus網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，具體的操作：在一幅圖像中，每個(gè)像素獲取1個(gè)數(shù)值，得到4個(gè)單獨(dú)的特征層，再疊加4個(gè)特征層，寬、高信息就會(huì)聚集在通道信息上，而輸入通道則擴(kuò)大了4倍。然后進(jìn)行卷積和一系列剩余結(jié)構(gòu)的計(jì)算。殘差分為主干和側(cè)枝，主干枝為1×1的卷積，再進(jìn)行3×3的卷積，其余的殘差不用任何加工，直接相加。BN層就像是Resnet上的殘差值，有效地解決了由于深度加深而導(dǎo)致的梯度消失、梯度爆炸等問(wèn)題［13］。

在YOLOX-S的網(wǎng)絡(luò)模型中 加強(qiáng)特征提取網(wǎng)

絡(luò)是FPN，在網(wǎng)絡(luò)主要部分中采集到的3個(gè)有效的特征層會(huì)在該區(qū)域中進(jìn)行特征的融合，從而達(dá)到對(duì)各種特征的綜合。在 FPN部分，利用已有的特征層來(lái)進(jìn)行后續(xù)的特征抽取，然后將不同類(lèi)型的特征層進(jìn)行特征融合，由上到下將上層的特征信息進(jìn)行上取樣，然后進(jìn)行下取樣，輸出3個(gè) YOLO? Head。

2.5 結(jié)果預(yù)測(cè)

該方法利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的head部分對(duì)圖像結(jié)果進(jìn)行預(yù)測(cè)，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的每一幅圖像分成S×S網(wǎng)格，然后根據(jù)這些S×S網(wǎng)格來(lái)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)。如果目標(biāo)的中心在網(wǎng)格中，那么每個(gè)網(wǎng)格就會(huì)有B個(gè)矩形的邊界（x，y，w，h）和它們的可信度，并進(jìn)行分類(lèi)。置信度是由網(wǎng)格中被檢測(cè)物體的結(jié)果［0，1］的公式（1）限定。0表示最小置信值，1表示最大置信值。

Confidence=Pr（Object）×IoUtruthpred，Pr（Object）∈［0，1］。（1）

3 環(huán)境配置

本研究的所有試驗(yàn)都是在Windows 10的操作系統(tǒng)下進(jìn)行的，采用Intel Xeon CPU E5-2650v4的處理器，使用2張NVIDIA GeForce RTX 2080Ti的GPU進(jìn)行交火，效果大于1張GPU的效率，并配備64 GB的運(yùn)行內(nèi)存。環(huán)境配置時(shí)會(huì)通過(guò)使用CUDA 10.2和cuDNN 7.6.4來(lái)加速模型訓(xùn)練。本研究以Python 3.7為主要語(yǔ)言，并在此基礎(chǔ)上安裝了諸如Numpy 1.20.1、PyQt5等的深度學(xué)習(xí)運(yùn)算程序，建立了一套基于Pytorch的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型，并對(duì)其進(jìn)行了相應(yīng)的優(yōu)化。

4 評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)

YOLOX-S算法可以利用精準(zhǔn)率（P）、召回率（R）與F1值來(lái)評(píng)估評(píng)價(jià)模型的性能。其中，精確率、召回率和F1值越高，說(shuō)明模型的性能越好，具體計(jì)算公式如下。

P=TPTP+FP×100%；（2）

R=TPTP+FN×100%；（3）

F1=2×P×RP+R。（4）

式中：TP表示玉米病害樣本正確識(shí)別圖片數(shù)量；FP表示玉米病害樣本錯(cuò)誤識(shí)別圖片數(shù)量；FN表示未檢測(cè)到的玉米病害樣本圖片數(shù)量，張。平均精度（AP）衡量模型在玉米病害圖像4個(gè)類(lèi)別上訓(xùn)練的好壞，類(lèi)平均精度（mAP）衡量訓(xùn)練出來(lái)的模型在玉米病害圖像4個(gè)類(lèi)別上的好壞。AP和mAP計(jì)算公式如下：

AP=∫10P（R）dR；（5）

mAP=∑ki=1APik。（6）

利用AP公式求出mAP，AP代表精確率、召回率與坐標(biāo)軸所圍繞圖像的面積，所有類(lèi)別的AP就是mAP。圖9為YOLOX-S算法中玉米病害葉片的mAP曲線圖，本次試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)檢測(cè)算法模型對(duì)玉米病害識(shí)別的類(lèi)平均精度可達(dá)98.54%，一般有精確率和召回率作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，其中玉米病害的P-R曲線如圖10所示。

4.1 基于通道和空間注意力機(jī)制的改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)

改進(jìn)后的YOLOX-S模型進(jìn)行如下的操作：首先將玉米病害葉片圖像進(jìn)行不同規(guī)模的卷積操作，這里包括卷積和池化，在CSPDarknet后面生成3個(gè)有效特征層，并將3個(gè)注意力機(jī)制模塊分別添加到下采樣的結(jié)果中，同時(shí)在SPPBottleneck上采樣后的結(jié)果中加入一個(gè)注意力機(jī)制模塊，加入的4個(gè)注意力機(jī)制模塊均為CBAM，且加入的位置也不一樣，CBAM是一種特殊的注意力機(jī)制，將通道注意力和空間注意力機(jī)制相結(jié)合，通過(guò)使用不同的權(quán)重來(lái)調(diào)整信息的重要性，將重點(diǎn)信息乘以較高的權(quán)重，強(qiáng)調(diào)其重要性，這是一種加強(qiáng)版的注意力機(jī)制。在此基礎(chǔ)上，采用了基于最大平均和最大池化的計(jì)算方法，將所得到的2種結(jié)果進(jìn)行相加，得到各通道的權(quán)重（0～1）。在得到該權(quán)重后，將該權(quán)重乘以原來(lái)的特征層，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)通道注意力機(jī)制的分離。CBAM的下半部分是空間注意力機(jī)制，在每個(gè)特征點(diǎn)的通道中，對(duì)每個(gè)特征點(diǎn)的通道進(jìn)行最大值和平均。然后將這2種方法疊加在一起，先通過(guò)一次通道1的卷積來(lái)調(diào)節(jié)通道數(shù)目，再得到一個(gè)Sigmoid，得到每個(gè)特征點(diǎn)的權(quán)重（0～1）。在得到該權(quán)重之后，將該權(quán)重與原始的輸入特征層相乘［14］。圖11顯示了添加注意力機(jī)制前后的例子的比較檢測(cè)圖，圖12是添加了注意力機(jī)制的 mAP圖。

4.2 與經(jīng)典算法的比較

為探究實(shí)時(shí)檢測(cè)的檢測(cè)方法，本研究還訓(xùn)練了YOLO v3、YOLO v4、Faster R-CNN網(wǎng)絡(luò)與該模型性能進(jìn)行對(duì)比，每種模型都訓(xùn)練了150個(gè)以上的epoch，并且都達(dá)到了最大程度的收斂。本研究改進(jìn)的模型為YOLOX-S-C，圖13展示了4種模型的P-R曲線，可以看出，在同一精確率下改進(jìn)后的YOLOX-S-C召回率要高于其他3種網(wǎng)絡(luò)模型。同樣，在同一召回率下，改進(jìn)后的YOLOX-S-C的精度要高于其他網(wǎng)絡(luò)模型。

在測(cè)試集上4種不同網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)性能結(jié)果如表2所示，可以看出，在訓(xùn)練性能方面，YOLOX-S-C比其他3種模型的損失值都要低，這表明了YOLOX-S網(wǎng)絡(luò)模型的收斂效果更好，性能有了明顯提高。在檢測(cè)性能方面，不論是F1值，還是交并比（IoU）、mAP，改進(jìn)后的YOLOX-S-C的值都要高于其他3種網(wǎng)絡(luò)模型。充分說(shuō)明了該模型的召回率、精確率以及模型的識(shí)別效果都更優(yōu)。

為檢驗(yàn)該模型的有效性和局限性，采用同一張圖片對(duì)不同的模型進(jìn)行試驗(yàn)測(cè)試，檢測(cè)結(jié)果如圖14所示。從圖14可以很明顯看出，改進(jìn)后的模型YOLOX-S-C的置信度為0.97，YOLO v4的置信度為0.95，F(xiàn)aster R-CNN的置信度為0.92，YOLO v3的置信度為0.90，加入注意力機(jī)制之后的網(wǎng)絡(luò)模型識(shí)別效果最佳，該模型具有較高的識(shí)別準(zhǔn)確率，并且具有較好的泛化性能。

5 華為開(kāi)發(fā)板Atlas 200DK及其應(yīng)用

Atlas 200DK開(kāi)發(fā)者套件 Atlas 200 Developer Kit（以下簡(jiǎn)稱(chēng)Atlas 200DK）是一個(gè)開(kāi)發(fā)者板形態(tài)產(chǎn)品，它以昇騰310 AI處理器為核心，為開(kāi)發(fā)者提供一站式開(kāi)發(fā)套件，并幫助開(kāi)發(fā)者進(jìn)行AI應(yīng)用程序的快速開(kāi)發(fā)［15］。

5.1 開(kāi)發(fā)平臺(tái)介紹

Atlas 200DK的實(shí)物如圖15所示。

Atlas 200DK的系統(tǒng)框圖如圖16所示。

Atlas 200DK的加速模塊具有較強(qiáng)的 AI智能運(yùn)算能力，能夠?qū)D像、視頻等進(jìn)行各種數(shù)據(jù)的處理和推理。其中，Hi3559 Camera模塊為圖像/音頻接口模塊，用于進(jìn)行圖像和音頻的采集和處理。Atlas 200DK提供了USB網(wǎng)卡與NIC網(wǎng)卡，開(kāi)發(fā)者可通過(guò)USB網(wǎng)卡與用戶PC機(jī)進(jìn)行直連通信，可通過(guò)NIC網(wǎng)卡將Atlas 200DK接入互聯(lián)網(wǎng)。其中，192.168.0.2這個(gè)IP地址是Atlas 200DK中USB網(wǎng)卡默認(rèn)的，而192.168.1.2這個(gè)IP地址是NIC網(wǎng)卡的默認(rèn)，二者有一定的不同。

5.2 運(yùn)行環(huán)境搭建

5.2.1 制作Atlas 200DK開(kāi)發(fā)板啟動(dòng)盤(pán)

通過(guò)SD卡制作功能可以自行制作Atlas 200DK開(kāi)發(fā)者板的系統(tǒng)啟動(dòng)盤(pán)，完成Atlas 200DK操作系統(tǒng)及驅(qū)動(dòng)固件的安裝。將 SD卡插入讀卡器，并將其與使用者 PC的 USB接口相連接，再利用制卡腳本來(lái)完成SD卡的制作。 制卡之前需要進(jìn)行硬件和軟件包的準(zhǔn)備，硬件需要準(zhǔn)備1張SD卡，容量為64 G，制作過(guò)程中將會(huì)對(duì)SD卡做格式化處理。

在官網(wǎng)下載Ubuntu操作系統(tǒng)的鏡像程序包與開(kāi)發(fā)者板驅(qū)動(dòng)包，首先在Ubuntu操作系統(tǒng)的根目錄安裝軟件運(yùn)行的交叉編譯器，配置好相應(yīng)的環(huán)境，然后再創(chuàng)建好制卡工作目錄，接下來(lái)將獲取的Ubuntu操作系統(tǒng)鏡像包、開(kāi)發(fā)者板驅(qū)動(dòng)包上傳到剛才的制卡工作目錄中，然后下載“make_sd_card.py”的制卡口腳本，執(zhí)行制卡指令，python3 make_sd_card.py local /dev/sda為執(zhí)行命令，其中“l(fā)ocal”是以本地的方法生成 SD卡；“/dev/sda”是在終端上顯示“Make SD Card successfully！”時(shí)，SD卡所在 USB裝置的名字。SD卡制卡成功時(shí)終端回顯信息如圖17所示。

完成制卡后，將SD卡插入 Atlas 200 DK開(kāi)發(fā)板卡槽，進(jìn)行通電，上電過(guò)程中要注意指示燈陸續(xù)全部點(diǎn)亮，在第1次開(kāi)機(jī)時(shí)會(huì)進(jìn)行固件的升級(jí)，升級(jí)完成后會(huì)自動(dòng)進(jìn)行重啟的操作。

5.2.2 配置網(wǎng)絡(luò)連接

使用USB連線將Atlas 200DK與主機(jī)Ubuntu系統(tǒng)進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)線進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)信息，二者互相通信的前提是必須將USB網(wǎng)卡的IP 地址配置在同一網(wǎng)段，從而可以在PC機(jī)上SSH登錄到Atlas 200DK；然后開(kāi)發(fā)板通過(guò)網(wǎng)線接入路由器插口，并配置開(kāi)發(fā)板的獲取方式為DHCP，使其可以接入互聯(lián)網(wǎng)。

5.3 開(kāi)發(fā)環(huán)境搭建

5.3.1 配置Ubuntu X86系統(tǒng)

開(kāi)發(fā)套件包安裝前需要下載相關(guān)依賴軟件，必須用root用戶執(zhí)行以下操作，為非root用戶賦權(quán)，以root用戶執(zhí)行apt-get install sudo命令安裝sudo，然后打開(kāi)“/etc/sudoers”文件，添加最后1行為“includedir /etc/sudoers.d”，添加完成后進(jìn)行保存，然后安裝python依賴以及gcc等軟件。

5.3.2 MindStudio與Atlas 200DK的連接

首先需要配置好MindStudio的運(yùn)行環(huán)境，配置好以后需進(jìn)行試運(yùn)行，接著需要打開(kāi)路由器，將開(kāi)發(fā)板通過(guò)網(wǎng)線與路由器相連接，并把USB數(shù)據(jù)線與主機(jī)連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊，然后給開(kāi)發(fā)板上電，等指示燈陸續(xù)亮起以后，可實(shí)現(xiàn)整體與MindStudio通訊，開(kāi)發(fā)板的IP地址是192.168.1.2，MindStudio的端口號(hào)表示默認(rèn)即可，本次試驗(yàn)的端口號(hào)默認(rèn)為22，在第1次登錄時(shí)候需要設(shè)置密碼PASSWORD，統(tǒng)一密碼為Mind123456，到現(xiàn)在整個(gè)環(huán)境搭建連接成功。圖18為華為開(kāi)發(fā)板與MindStudio連接成功界面。

5.4 玉米病害識(shí)別在Atlas 200DK上的實(shí)現(xiàn)

第1步，登錄Ubuntu系統(tǒng)，進(jìn)入根目錄，然后用 scp 命令將待檢測(cè)的玉米病害圖像上傳至華為開(kāi)發(fā)板中對(duì)應(yīng)的工程文件目錄；

第2步，打開(kāi)MobaXterm遠(yuǎn)程登錄軟件，然后使用ssh 命令訪問(wèn)華為開(kāi)發(fā)板；

第3步，進(jìn)入到開(kāi)發(fā)板內(nèi)部，找到所對(duì)應(yīng)的工程文件，執(zhí)行運(yùn)行程序的源文件；

第4步，通過(guò) scp 命令將最終的檢測(cè)結(jié)果拷貝至主機(jī)，完成對(duì)圖片標(biāo)注結(jié)果的查看。

下面是對(duì)玉米病害識(shí)別做的對(duì)比試驗(yàn)，把玉米病害葉片待檢測(cè)圖片先放到GPU目標(biāo)檢測(cè)算法中，運(yùn)行程序，查看識(shí)別效果，查看標(biāo)記框位置，查看置信度，然后原圖像上傳到Atlas 200DK開(kāi)發(fā)板中，運(yùn)行檢測(cè)目標(biāo)，生成檢測(cè)結(jié)果，再次使用scp命令將檢測(cè)結(jié)果傳送到Ubuntu主機(jī)上，與之前的GPU檢測(cè)后的圖像做對(duì)比，發(fā)現(xiàn)識(shí)別效果相同，置信度完全一樣，說(shuō)明此次試驗(yàn)效果很好，試驗(yàn)成功，完成了玉米葉片病害識(shí)別在Atlas 200DK上的總體設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，玉米葉片病害的原圖像、GPU目標(biāo)檢測(cè)算法的檢測(cè)結(jié)果、Atlas 200DK上的檢測(cè)結(jié)果如圖19所示。

6 結(jié)論

本研究提出了一種改進(jìn)型YOLOX-S目標(biāo)檢測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)了對(duì)玉米病害葉片的目標(biāo)檢測(cè)，通過(guò)對(duì)多種注意力機(jī)制的對(duì)比，選擇了CBAM注意力機(jī)制，將其融合到Y(jié)OLOX-S中，增大了感受野，對(duì)應(yīng)的權(quán)重也會(huì)有所增加，提高了檢測(cè)效果，并與其他幾種目標(biāo)檢測(cè)算法做了對(duì)比試驗(yàn)，使得mAP上升到較高的水平，改進(jìn)后的YOLOX-S模型的mAP提升了約0.2百分點(diǎn)。

將改進(jìn)后的YOLOX-S目標(biāo)檢測(cè)算法移植到Atlas 200DK中，基于開(kāi)發(fā)板的特性以及相關(guān)的計(jì)算屬性，完成了玉米葉片病害的檢測(cè)，并對(duì)其效果進(jìn)行了測(cè)試，與GPU開(kāi)發(fā)測(cè)試效果完全一樣，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)檢測(cè)算法的移植，可以發(fā)現(xiàn)GPU算法移植到Atlas 200DK上依然發(fā)揮良好的檢測(cè)性能。

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