基于YOLO-RW模型的機器視覺原木端面識別定位

曾小山,張小波

(江西環(huán)境工程職業(yè)學(xué)院 汽車機電學(xué)院,江西 贛州 341002)

0 引言

露天堆放的原木受到存放時間、存儲地點、天氣和光線等多種因素的影響,導(dǎo)致部分原木端面出現(xiàn)了裂縫和霉菌等缺陷。此外,一些原木在采伐時遭受了切割和割傷等情況,給原木端面圖像的采集和檢測帶來了很大的困難,影響了圖像的正確識別效果。

針對上述問題,相關(guān)人員進(jìn)行了一些有益的探索和研究[1-5]。例如,以原木剖面圖為實例,欒新等[1]設(shè)計了一種分層分類器,該分類器可以單獨識別目標(biāo),成功解決了不規(guī)則端面的模式匹配問題。梅振榮[2]則采用最小二乘法橢圓擬合的方案,解決了原木端面的處理和徑級識別問題。林麗華[3]對多尺度小波變換邊緣檢測算法進(jìn)行了改進(jìn),主要針對原木圖像質(zhì)量進(jìn)行了優(yōu)化,優(yōu)化后的算法在保證原木輪廓邊緣完整性和連續(xù)性的同時,大幅提高了原木圖像的質(zhì)量。霍東旭[5]采用了基于Canny算法的邊緣檢測方法對原木圖像進(jìn)行處理,通過去除噪聲和計算邊緣振幅,成功地檢測出更多原木端面的邊緣細(xì)節(jié),優(yōu)化后的方法顯著提高了原木端面圖像的清晰度和邊緣識別率。趙亞鳳等[6]采用自適應(yīng)閾值分割、隨機森林分類器的訓(xùn)練和預(yù)測以及圖像增強算法,成功解決了在有陰影的圖像中進(jìn)行分割的問題。這種方法不僅能夠有效地進(jìn)行陰影消除,還可以提高圖像的識別準(zhǔn)確率。然而,以上方案的算法復(fù)雜度較高,導(dǎo)致原木端面識別的效率不高,同時在圖像信息處理時可能會出現(xiàn)信息不完整的情況,從而可能導(dǎo)致檢測遺漏并降低系統(tǒng)的可靠性。此外,自適應(yīng)閾值響應(yīng)滯后等問題也會影響系統(tǒng)的性能。

目前,深度學(xué)習(xí)技術(shù)在圖像處理領(lǐng)域取得了巨大進(jìn)展,其中基于You Only Look Once(YOLO)模型的目標(biāo)檢測方法得到了廣泛的應(yīng)用。本研究提出一種名為YOLO-Raw Wood (YOLO-RW)的新型深度學(xué)習(xí)模型,專門應(yīng)用于原木木材材積圖像的端面識別和定位。YOLO-RW模型結(jié)合了各個版本的YOLO模型的優(yōu)缺點,并在數(shù)據(jù)增強、模型結(jié)構(gòu)和損失函數(shù)等方面進(jìn)行了優(yōu)化,從而提高了模型的精度和魯棒性。通過試驗,本模型能夠有效地緩解原木端面的裂紋、霉菌、切割痕跡、復(fù)雜背景以及陰影等干擾因素,大幅提升了圖像中的原木端面目標(biāo)識別準(zhǔn)確率,為實現(xiàn)原木材積的自動檢測奠定了基礎(chǔ)。

1 YOLO模型介紹

YOLO是一種基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測模型,將目標(biāo)檢測問題看作是一個回歸問題,通過一個神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)直接預(yù)測出目標(biāo)的類別和位置。YOLO算法在物體檢測上具有速度快、檢測效果好等優(yōu)點,因此在目標(biāo)檢測領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。YOLO從v1到v7版本進(jìn)行了多次改進(jìn)[7],下面將對其進(jìn)行簡要介紹。

YOLOv1 (You Only Look Once version 1, YOLOv1)由Joseph Redmon等在2015年提出。YOLOv1的核心思想是將目標(biāo)檢測問題轉(zhuǎn)化為一個回歸問題,即將物體的位置和類別信息直接預(yù)測出來,而不是先進(jìn)行區(qū)域提取,再對提取的區(qū)域進(jìn)行分類和回歸。YOLOv1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Fully Convolutional Networks ,FCN)構(gòu)成,由輸入層、卷積層、下采樣層、全連接層和輸出層組成。其中,卷積層和下采樣層用于提取特征,全連接層用于將特征映射到輸出層,輸出層負(fù)責(zé)輸出檢測結(jié)果。相比傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測方法,YOLOv1 具有檢測速度快、準(zhǔn)確率高的優(yōu)點,但也存在定位誤差較大、對小目標(biāo)檢測效果較差等缺點。

YOLOv2(You Only Look Once version2)是2017年提出的目標(biāo)檢測算法。相比YOLOv1,其解決了召回率和定位精度不足的問題。YOLOv2使用Anchor機制和K-means聚類,提高了召回率,并將淺層特征與深層特征相連,有助于對小尺寸目標(biāo)的檢測。YOLO9000能夠?qū)崟r檢測超過9 000種物體,主要基于YOLOv2。其速度更快、精度更高,可以適應(yīng)多種尺寸的圖像輸入。

YOLOv3 (You Only Look Once version 3)是YOLO系列的第三代目標(biāo)檢測算法,由Joseph Redmon 等在2018年提出。相較于YOLOv2,YOLOv3在提高檢測準(zhǔn)確性的同時,進(jìn)一步提高了檢測速度,通過卷積模塊、主干網(wǎng)絡(luò)、批量歸一化、交叉熵?fù)p失函數(shù)、預(yù)測框調(diào)整和多尺度預(yù)測等方法,YOLOv3在檢測準(zhǔn)確性和速度上都有了顯著提高,成為目標(biāo)檢測領(lǐng)域的一個重要算法。

YOLOv4(You Only Look Once version4)于2020年由Alexey Bochkovskiy等提出,相較于前一版YOLOv3,其采用CSPNet骨干網(wǎng)絡(luò)、多尺度訓(xùn)練策略、多樣化的數(shù)據(jù)增強、高斯混合損失函數(shù)、預(yù)訓(xùn)練模型、Bag of Freebies和Bag of Specials等技術(shù)進(jìn)行改進(jìn),從而在檢測準(zhǔn)確率和速度上均有了顯著提升,同時具有更好的泛化能力。

YOLOv5(You Only Look Once version5)由Ultralytics于2020年提出。相較于YOLOv4,YOLOv5采用了輕量級的模型結(jié)構(gòu),引入了大量的模型優(yōu)化技術(shù),包括自適應(yīng)多尺度訓(xùn)練、優(yōu)化的anchor boxes、流式數(shù)據(jù)加載和緩存和NVIDIA Apex混合精度訓(xùn)練等,從而在檢測準(zhǔn)確率、速度和模型大小等方面均有顯著提升,成為目標(biāo)檢測領(lǐng)域中一種性能優(yōu)秀的算法。

YOLOv7(You Only Look Once version 7)最大的貢獻(xiàn)是用原始的視覺幾何組(Visual Geometry Group,VGG)網(wǎng)絡(luò)代替ResNet[9-10]網(wǎng)絡(luò),在訓(xùn)練時,使用ResNet-style的多分支模型,在測試時,轉(zhuǎn)化成VGG-style的單線路模型,主要的方法是在測試時,將訓(xùn)練時的多分支模型進(jìn)行合并得到一條單線路模型,即將1× 1卷積、BN(批標(biāo)準(zhǔn)化)與3×3卷積進(jìn)行合并。而YOLOv6與YOLOv7的發(fā)行時間非常接近,這里不過多闡述。

YOLO從v1版本到v7版本進(jìn)行了大量的更改,其中包括主干網(wǎng)絡(luò)的更改、卷積模塊的更改、損失函數(shù)的更改和訓(xùn)練的策略等。然而現(xiàn)有版本的YOLO對于木材端面檢測仍然存在不少問題:低版本的YOLO模型識別率不高,高版本對于訓(xùn)練樣本數(shù)量高,對于僅有較少量樣本的木材端面圖像集難以適用,且高版本的YOLO運行要求也高,一定程度限制其使用范圍。因此,如何選擇合適的結(jié)構(gòu)用于檢測自己特定的數(shù)據(jù)集并達(dá)到良好的識別效果是一個很有挑戰(zhàn)的問題,本研究面向木材端面檢測需求,結(jié)合YOLO系列模型的特點,從數(shù)據(jù)增強、特征融合和損失函數(shù)優(yōu)化等多方面入手,提出一種適用于原木端面檢測的新模型。

2 YOLO-RW改進(jìn)算法設(shè)計

2.1 識別對象分析

本研究木材堆放圖像的采集地點為江西省贛州市上猶縣某國營林場及龍南市某鄉(xiāng)鎮(zhèn)木材檢驗所,復(fù)雜原木端面拍攝圖像如圖1所示。由圖1可知,木材端面的輪廓攝影距離近,在光線充分照射的情況下能夠維持基本的顏色和形狀特征,但木材堆積的密集度和木材的保管時間過長會導(dǎo)致木材端面的腐蝕、裂紋等缺陷,從而使木材端面的形狀特征不規(guī)則且不完整。

圖1 復(fù)雜原木堆積圖像Fig.1 Complex log stacking image

在木材端面徑級識別方法中,傳統(tǒng)的R-G(紅-綠)色差分割方法難以在圖像中含有大量木材端面輪廓的情況下完全分離木材輪廓。雖然支持向量機可以對密集堆放的原木端面進(jìn)行檢測識別和分類,但是由于正負(fù)樣本的限制,無法適應(yīng)所有環(huán)境中的原木輪廓徑級識別。因此,本研究通過數(shù)據(jù)增強、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等方法,對原木端面圖像進(jìn)行處理,并通過端到端的整體訓(xùn)練使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)地學(xué)習(xí)原木端面輪廓所需要的特征,從而實現(xiàn)在復(fù)雜環(huán)境下精確識別原木端面輪廓。

2.2 YOLO-RW主干網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

基于對YOLO模型內(nèi)容的闡述,受數(shù)據(jù)集中圖像數(shù)量較小的限制,原木檢測任務(wù)并不適合過于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)(YOLOv6,YOLOv7等),而早期的YOLO版本(YOLOv1,YOLOv2等)對于目前的深度學(xué)習(xí)框架性能不佳。因此本研究采用YOLOv3的主干網(wǎng)絡(luò)框架并作大量的簡化和改進(jìn),模型的整體流程如圖2所示。

圖2 YOLO-RW模型結(jié)構(gòu)Fig.2 YOLO-RW model structure

YOLO-RW由3部分組成:下采樣模塊、融合模塊和預(yù)測模塊,其中,下采樣模塊使用3×3的卷積層、批歸一化層、激活函數(shù)層和若干組ResNet Block組成,這一模塊將輸入圖像下采樣到52×52大小的特征圖,如圖2右下角所示。接著,下采樣至26×26大小的特征圖與13×13大小的特征圖,再經(jīng)過融合模塊進(jìn)行特征融合,該模塊的設(shè)計基于注意力特征融合(Attentional Feature Fusion,AFF)[16],將不同維度的特征融合到一起。具體來說,給定2個不同尺寸度的特征圖(x,y),低維度特征圖y經(jīng)過卷積核為3×3,步長為2的卷積層進(jìn)行下采樣,再經(jīng)過一層1×1的卷積層獲得低維特征圖,而高維特征圖x經(jīng)過一層全局平均池化層獲得全局特征,經(jīng)過3×3的卷積層與ReLU激活層,最后再經(jīng)過一層1×1的卷積層獲得高維全局特征圖,將2種特征相加,再經(jīng)過一層sigmoid層,分別與原特征x、y相乘,得到最終的融合特征,具體流程如圖2左下角所示。之后將得到的3種維度的特征圖分別經(jīng)過一層3×3的卷積層,得到最終的預(yù)測特征,該特征的維度與yolov3中的結(jié)果相同,最后根據(jù)預(yù)測結(jié)果得到輸出圖像。

2.3 YOLO-RW損失函數(shù)設(shè)計

通過對各類損失的研究與試驗,YOLO-RW共有3種損失,置信度損失、分類損失以及定位損失。其中,置信度損失使用二元交叉熵?fù)p失,見式(1)。

(1)

分類損失同樣使用二元交叉熵?fù)p失,具體損失見式(2)。

(2)

(3)

因此,模型的總損失見式(4)。

L(o,c,O,C,l,g)=λ1Lconf(o,c)+λ2Lcla(O,C)。

(4)

式中,λ1、λ2、λ3為損失的權(quán)重,用來平衡各個損失,在YOLO-RW中,分別將其設(shè)置為1、0.1和0.1。在后面的消融試驗中,將證明上述損失函數(shù)組合使得模型具有最佳的檢測效果。

3 試驗

3.1 評價方法

機器視覺目標(biāo)檢測是一項非常重要的任務(wù),需要在圖像的復(fù)雜信息中準(zhǔn)確地找到預(yù)定的目標(biāo),并通過算法獲取目標(biāo)的大小和位置信息。為了評估算法的優(yōu)劣,常用的機器視覺技術(shù)指標(biāo)包括精度、召回率、平均精度均值和交并比等。本研究將采用客觀的評估標(biāo)準(zhǔn)來評估原木端面輪廓識別的準(zhǔn)確性,并使用上述指標(biāo)對訓(xùn)練后的模型進(jìn)行評估。同時,將尋找適當(dāng)?shù)拈撝礫11],通過預(yù)測的置信度來篩選最佳目標(biāo)。這些評估方法將有助于衡量算法性能和提高目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性。

(5)

(6)

(7)

式中:Precision為準(zhǔn)確率;Recall為召回率;mAP為平均精度;TP(True Positive)為檢測結(jié)果正確,并且結(jié)果呈現(xiàn)陽性;FP(False Positive)為檢測結(jié)果錯誤,并且結(jié)果呈現(xiàn)陽性;FN(False Negative)為檢測結(jié)果錯誤,并且結(jié)果呈現(xiàn)陰性;μ為閾值;k為樣本數(shù)量。

首先,考慮模型的整體性能,通過多次迭代優(yōu)化,篩選出平均精度(mAP)值最高的模型。接著,需要在迭代出的模型中對閾值這個參數(shù)采取足夠的關(guān)注度,并適時地對其數(shù)值加以改變,這樣做的目的是必須考量準(zhǔn)確率、召回率和IoU這三者之間的權(quán)值關(guān)系,使之能夠自適應(yīng)地檢測當(dāng)前環(huán)境下的原木端面。對于準(zhǔn)確率和召回率,需要在堆積的原木中識別每一根原木的端面,因此應(yīng)當(dāng)優(yōu)先選擇準(zhǔn)確率。對于IoU,本研究只需要每一根原木端面的中心點,所以對IoU要求不會特別嚴(yán)格。

3.2 原木端面圖像數(shù)據(jù)集

根據(jù)原木端面的物理及形狀等特點,在選擇神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練素材時,需分別考慮4種特征(端面完整、割傷、形狀不規(guī)則和有陰影)的原木端面圖像,在林場及木材檢查站拍攝原木堆積場景圖像256張。各個圖像的占比見表1。

表1 各類原木圖像占比Tab.1 The proportion of images of various types of logs

圖像的標(biāo)注情況如圖3所示,由圖3可以看出,圖像的分辨率各不相同,并且不同的圖像間存在著背景復(fù)雜、原木密集和色彩單一等特點。因此,為了能夠全面地提取到不同特點圖像的特征,防止過擬合,需要補充訓(xùn)練樣本的數(shù)據(jù)量,因此需對圖像進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)增強操作。

圖3 數(shù)據(jù)集樣本標(biāo)記 Fig.3 Dataset sample labeling

3.3 原木端圖像集的數(shù)據(jù)增強

數(shù)據(jù)增強是一種數(shù)據(jù)預(yù)處理技術(shù),通過對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種變換和扭曲,生成更多、更豐富的數(shù)據(jù)樣本,從而提高模型的泛化能力和魯棒性。對于原木檢測任務(wù)而言,存在以下問題。1)數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)小于YOLO模型所需的數(shù)據(jù)量,這會導(dǎo)致模型過擬合。2)檢測目標(biāo)過于密集,模型訓(xùn)練容易陷入局部最優(yōu)解,影響模型精度。3)模型難以泛化。因此,選擇一種合適的數(shù)據(jù)增強方法顯得非常重要。

本試驗對原木數(shù)據(jù)集進(jìn)行了翻轉(zhuǎn)、調(diào)高對比度與飽和度、旋轉(zhuǎn)、隨機裁剪和縮放等操作,為保證圖像的原始比例,并使得圖像能夠適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入,增強后的圖像進(jìn)行了等比例的縮放,缺失的位置由黑色像素填充,如圖4所示。

為能夠讓模型提取到復(fù)雜圖像分布的特征,對不同的原木圖像進(jìn)行裁剪與拼接作為一種圖像增強方法,具體選定4張原木圖像,在每一張圖像上隨機裁剪208×208像素大小的子圖,并將裁剪到的4張子圖拼接成1張圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù),結(jié)果如圖5所示。

圖5 原木圖像拼接增強Fig.5 Log image stitching and enhancement

另外,還使用了添加高斯噪聲[11]等簡單的圖像增強方法。最終,將所得到的256原木圖像增強至2 048張圖像。這種增強方法的有效性將在后面的消融試驗中進(jìn)行驗證。

3.4 模型參數(shù)優(yōu)化試驗

訓(xùn)練的模型需要對圖片中的原木端面進(jìn)行檢測、定位及分類,采用mAP值對目標(biāo)進(jìn)行性能評價,通過訓(xùn)練找到mAP值最高的模型,然后仔細(xì)分析,當(dāng)模型的閾值發(fā)生改變時,其準(zhǔn)確率、召回率和IoU是如何跟隨閾值的變化而變化,以確定模型的最佳閾值。

針對如何找到一個平均精度(mAP)值最高的模型這個問題,最直接的方法就是對模型進(jìn)行大量的迭代訓(xùn)練,每一個模型的輸出應(yīng)當(dāng)設(shè)置好合適的迭代次數(shù),本研究根據(jù)實際情況,設(shè)置迭代次數(shù)為1萬次,并且輸出模型頻率是一個模型/百次迭代,因此可獲得100個訓(xùn)練模型,然后在這些模型中尋找mAP值最高的那個模型,并把該模型確定為最終模型。試驗結(jié)果如圖6所示,由圖6可以看出,當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到4 500次時mAP已趨于穩(wěn)定,不再發(fā)生變化,mAP的最大值是87.67%,即為最優(yōu)模型。

圖6 平均精度曲線Fig.6 Average accuracy curve

在圖7的準(zhǔn)確率-召回率曲線圖像中,其曲線在坐標(biāo)系第一象限占據(jù)的區(qū)域面積很大,表明該模型對原木端面的識別定位及分類效果較佳。

圖7 準(zhǔn)確度-召回率曲線Fig.7 Precision recall curve

最優(yōu)模型選取出來后,考慮到模型實際使用的閾值,采用預(yù)設(shè)的閾值對其進(jìn)行篩選。在原木端面識別系統(tǒng)中,設(shè)定本研究中模型的優(yōu)先級由大到小為:準(zhǔn)確率、召回率、IoU。另外,為了同時兼顧準(zhǔn)確率和召回率,采用F1分?jǐn)?shù)(F1-score,式中用F1-score表示)作為分類的評估衡量指標(biāo)[13]。

(8)

試驗結(jié)果如圖8所示,置信度閾值(Threshold confidence level)是一個小于1的數(shù),圖8中用橫坐標(biāo)表示,其大小范圍為0～1。Precision、IoU、F1-score及Recall這4個參數(shù)的大小也不超過1,用百分?jǐn)?shù)形式表征。 由圖8可知,當(dāng)閾值等于0.50時,模型的各個指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異,說明此時的模型處于最優(yōu)狀態(tài)。

圖8 不同閾值下的準(zhǔn)確率、召回率、F1分?jǐn)?shù)和交并比Fig.8 Precision, Recall, F1-score, and IoU under different thresholds

3.5 模型性能分析

選定的模型采用端到端的聯(lián)合方式進(jìn)行了訓(xùn)練[13]。在訓(xùn)練的具體參數(shù)方面,主要對初始學(xué)習(xí)率、權(quán)重衰減率和動量因子等幾個重要參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和設(shè)定,通過訓(xùn)練,這些參數(shù)的值分別為1×10-3、5×10-4、0.9。圖片像素大小為416×416像素。每個GPU用于處理單個圖像,當(dāng)模型的精度達(dá)到收斂時,模型將停止訓(xùn)練。需要注意的是,模型需要及時測試比對。模型的最終輸出結(jié)果,必須將識別原木端面目標(biāo)的概率作為重要指標(biāo),僅保持概率值為0.8以上的區(qū)域。

模型能否準(zhǔn)確提取圖像中有價值的數(shù)據(jù)信息是一個非常重要的環(huán)節(jié),為此,基于無監(jiān)督的K-means聚類算法計算當(dāng)前數(shù)據(jù)錨的預(yù)訓(xùn)練數(shù)值。并用歐氏距離作為衡量數(shù)據(jù)對象間相似度的指標(biāo)。模型訓(xùn)練共耗時4 h,一共為訓(xùn)練次數(shù)12 000次,其損失值變化情況如圖9所示。

圖9 損失值變化曲線圖Fig.9 Loss variation curve

由圖9可知,模型在初始迭代期間(前1×103次迭代)快速擬合,損失值迅速變小,迭代次數(shù)達(dá)到4×103次后,損耗值趨于穩(wěn)定,迭代次數(shù)越多并不意味著模型的好壞,反之過多的訓(xùn)練可能導(dǎo)致過度擬合。

YOLO-RW模型經(jīng)過12萬次迭代后,對原木端面的檢測效果如圖10所示,可見模型對原木端面存在裂紋、凹凸不平、端面輪廓不規(guī)則和圖像背景復(fù)雜等情況有很好的識別能力。由于在模型訓(xùn)練過程中對數(shù)據(jù)集進(jìn)行了增強處理,該模型在光線強弱變化較大的應(yīng)用場景以及其他復(fù)雜的場景中也具有很好的適應(yīng)性。圖10為復(fù)雜情景下YOLO-RW的識別效果,由圖10可以看到,在具有復(fù)雜背景的情況下(圖10(a)),模型依然能夠準(zhǔn)確地識別到原木的位置并進(jìn)行較為準(zhǔn)確的預(yù)測。在大量不規(guī)則的原木中,模型也可以識別到原木的準(zhǔn)確位置,即使在較難識別的區(qū)域中(圖10(b)中右下角),模型可以給出預(yù)測結(jié)果,這種結(jié)果可以有效地提高模型的召回率。在更加綜合的圖像中圖(10(c)),模型依然保持著良好的效果,這些結(jié)果體現(xiàn)了YOLO-RW強大的識別能力以及泛化能力。

圖10 復(fù)雜情況下YOLO-RW識別效果Fig.10 YOLO-RW recognition effect in complex situations

3.6 消融和對比試驗

圖11為所提出的方法與不同檢測方法的結(jié)果,為了從多方面體現(xiàn)所提出模型的優(yōu)越性,選取了YOLOv3、YOLOv5、文獻(xiàn)[14]以及文獻(xiàn)[15]4個模型作為結(jié)果對比的基準(zhǔn)模型,從圖11中的識別對比結(jié)果和圖12給出的各模型召回率可知,YOLOv3檢測到的結(jié)果較少,表明其召回率較低,YOLOv5雖然檢測到了非常多的結(jié)果,但卻存在許多錯誤的判斷,這是由于YOLOv5在原木檢測任務(wù)中模型過于復(fù)雜,出現(xiàn)了過擬合,而文獻(xiàn)[15]與文獻(xiàn)[16]在不規(guī)則的原木圖像下表現(xiàn)均不佳。由此可證明本研究所提出的YOLO-RW在端面檢測正例的召回率明顯高于其他基準(zhǔn)模型。

圖11 不同模型的原木端面檢測對比結(jié)果Fig.11 Comparison results of log end face detection for different models

圖12 不同模型召回率對比結(jié)果Fig.12 Comparison results of recall rates between different models

此外,為了定量地分析各個模型的檢測結(jié)果,使用30張測試樣本,共840個原木端面進(jìn)行檢測,其中端面完好的原木79個,復(fù)雜背景下的原木247個,霉變端面216個,不規(guī)則形狀端面298個。各個模型的檢測出的個數(shù)結(jié)果見表2。由表2中可以看出,YOLOv5在各種端面的檢測中都優(yōu)于YOLOv3,需要注意的是,雖然YOLOv5檢測出了更多的原木數(shù),但其檢測錯誤的數(shù)量也同樣多,這是由于網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜產(chǎn)生的過擬合現(xiàn)象,而本研究所提出的模型在各種端面的檢測任務(wù)中都獲得了最理想的結(jié)果。

表2 不同模型正確檢測出原木端面數(shù)量對比Tab.2 Comparison of correctly detected number of log end faces by different models

為進(jìn)一步證明研究中所提出的每項優(yōu)化措施合理性以及優(yōu)越性,進(jìn)行了消融試驗,以目前效果最好的YOLOv7作為基準(zhǔn),分別對所提出的融合模塊、損失函數(shù)以及數(shù)據(jù)增強方法進(jìn)行控制變量,對30張圖的840個原木進(jìn)行檢測率的分析,其結(jié)果見表3。

表3 模型優(yōu)化措施影響檢測率的消融試驗Tab.3 Ablation tests in which model optimization measures affect the detection rate

從表3中可以看出,同時使用本研究所提出的方法時檢測效率最高,其中損失函數(shù)對結(jié)果的影響較小,其次是特征融合,而數(shù)據(jù)增強產(chǎn)生的影響較大。

4 結(jié)論

原木木材端面識別與定位是木材材積檢測系統(tǒng)中最關(guān)鍵的步驟之一,原木木材由于存放場地、存放時間等因素,原木端面會存在伐痕、開裂、凹凸不平和陰影等缺陷,從而導(dǎo)致原木木材材積的智能檢測可靠性和穩(wěn)定性不高。為此,本研究提出一種專門應(yīng)用于原木木材材積圖像的識別YOLO-RW模型,該模型綜合分析了各個版本的YOLO模型的優(yōu)缺點,并通過數(shù)據(jù)增強、特征融合和損失函數(shù)等方面進(jìn)行優(yōu)化,從而得到了適合原木檢測的端到端新模型。與其他原木檢測基準(zhǔn)模型相比,本研究提出的方法具有更高的精度和魯棒性。最后,采用mAP值對目標(biāo)進(jìn)行性能評估,通過訓(xùn)練找到mAP值最高的模型,確定模型的最優(yōu)閾值。試驗表明該模型的檢測精度高、速度快,在復(fù)雜環(huán)境下可靠性和穩(wěn)定性均表現(xiàn)優(yōu)異。然而,YOLO-RW模型仍存在不足,具體為模型需要耗費大量的計算資源,這導(dǎo)致系統(tǒng)功耗和系統(tǒng)穩(wěn)定性難以兼顧,對此,將對模型做進(jìn)一步研究和驗證,降低模型的復(fù)雜度,以期減少其對系統(tǒng)資源的消耗,提升模型的穩(wěn)定性和可應(yīng)用性。