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标题: 基于深度学习的稻田害虫智能检测系统详解 [打印本页]

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作者: 九天猎人    时间: 2024-7-30 07:08
标题: 基于深度学习的稻田害虫智能检测系统详解
基于深度学习的稻田虫害检测系统（UI界面+YOLOv8/v7/v6/v5代码+训练数据集）

弁言

在农业领域，稻田虫害检测是确保稻米产量和质量的紧张环节。传统的人工检测方法效率低、成本高，而基于深度学习的主动化检测系统可以进步检测效率和准确性。本文将具体先容如何构建一个基于深度学习的稻田虫害检测系统，包罗环境搭建、数据收集与处理、模子训练、系统实现以及用户界面设计，并提供现实的代码示例。
系统概述

本系统的实现步调包罗：

• 环境搭建
  
• 数据收集与处理
  
• 模子训练
  
• 系统实现
  
• 用户界面设计
  

环境搭建

首先，需要搭建一个适合深度学习开发的环境。本文利用Python 3.8或以上版本，并依赖于多个深度学习和图像处理库。
安装须要的库

利用以下命令安装所需库：

1. pip install numpy pandas matplotlib opencv-python torch torchvision ultralytics pyqt5

复制代码

数据收集与处理

数据收集

收集包罗稻田虫害的图像和视频数据集。可以利用公开的数据集，如PestMonitor Dataset，或者通过实地拍摄获取。确保数据集包罗各种不同虫害类型和不同生长阶段的图像。
数据处理

将图像数据整理到指定的文件夹结构，并标注虫害的位置。以下是示例的文件夹结构：

1. datasets/
2.     ├── images/
3.     │   ├── train/
4.     │   │   ├── image1.jpg
5.     │   │   ├── image2.jpg
6.     │   ├── val/
7.     │   │   ├── image1.jpg
8.     │   │   ├── image2.jpg
9.     ├── labels/
10.         ├── train/
11.         │   ├── image1.txt
12.         │   ├── image2.txt
13.         ├── val/
14.             ├── image1.txt
15.             ├── image2.txt

复制代码

每个标签文件的内容如下：

1. class x_center y_center width height

复制代码

其中，class表示类别编号（如稻飞虱、螟虫等），x_center、y_center为归一化后的中心坐标，width和height为归一化后的宽度和高度。
数据增强

为了进步模子的泛化本领，可以对数据进行增强处理。常见的数据增强方法包罗旋转、缩放、平移、镜像等。

1. import albumentations as A
2. from albumentations.pytorch import ToTensorV2
3. import cv2
4. import os
6. # 定义数据增强变换
7. transform = A.Compose([
8.     A.RandomRotate90(),
9.     A.Flip(),
10.     A.Transpose(),
11.     A.OneOf([
12.         A.IAAAdditiveGaussianNoise(),
13.         A.GaussNoise(),
14.     ], p=0.2),
15.     A.OneOf([
16.         A.MotionBlur(p=0.2),
17.         A.MedianBlur(blur_limit=3, p=0.1),
18.         A.Blur(blur_limit=3, p=0.1),
19.     ], p=0.2),
20.     A.ShiftScaleRotate(shift_limit=0.0625, scale_limit=0.2, rotate_limit=45, p=0.2),
21.     A.OneOf([
22.         A.OpticalDistortion(p=0.3),
23.         A.GridDistortion(p=0.1),
24.         A.IAAPiecewiseAffine(p=0.3),
25.     ], p=0.2),
26.     A.OneOf([
27.         A.CLAHE(clip_limit=2),
28.         A.IAASharpen(),
29.         A.IAAEmboss(),
30.         A.RandomBrightnessContrast(),
31.     ], p=0.3),
32.     A.HueSaturationValue(p=0.3),
33.     ToTensorV2()
34. ])
36. # 处理图像
37. def augment_images(image_folder, output_folder):
38.     os.makedirs(output_folder, exist_ok=True)
39.     for filename in os.listdir(image_folder):
40.         image_path = os.path.join(image_folder, filename)
41.         image = cv2.imread(image_path)
42.         augmented = transform(image=image)
43.         augmented_image = augmented["image"].numpy().transpose(1, 2, 0)
44.         output_path = os.path.join(output_folder, filename)
45.         cv2.imwrite(output_path, augmented_image)
47. # 应用数据增强
48. augment_images('datasets/images/train', 'datasets/images/train_augmented')

复制代码

模子训练

利用YOLO模子进行训练。
配置文件

创建一个配置文件config.yaml：

1. path: datasets
2. train: images/train
3. val: images/val
4. test: images/test
6. nc: 5  # 类别数，例如5种常见的稻田虫害
7. names: ['rice_leaf_folder', 'rice_hispa', 'brown_plant_hopper', 'white_backed_plant_hopper', 'rice_stem_borer']  # 类别名称

复制代码

训练代码

利用以下代码训练模子：

1. from ultralytics import YOLO
3. # 加载模型
4. model = YOLO('yolov8n.pt')
6. # 训练模型
7. model.train(data='config.yaml', epochs=50, imgsz=640, batch=16, lr0=0.01)

复制代码

训练过程会生成模子权重文件best.pt，该文件包罗了训练好的模子参数。
系统实现

训练好的模子可以用于及时稻田虫害检测。利用OpenCV读取视频流，并调用YOLO模子进行检测。
检测代码

1. import cv2
2. from ultralytics import YOLO
4. # 加载训练好的模型
5. model = YOLO('best.pt')
7. # 打开视频流
8. cap = cv2.VideoCapture('rice_field_video.mp4')
10. while cap.isOpened():
11.     ret, frame = cap.read()
12.     if not ret:
13.         break
15.     # 检测虫害
16.     results = model(frame)
17.     for result in results:
18.         bbox = result['bbox']
19.         label = result['label']
20.         confidence = result['confidence']
22.         # 画框和标签
23.         cv2.rectangle(frame, (bbox[0], bbox[1]), (bbox[2], bbox[3]), (0, 255, 0), 2)
24.         cv2.putText(frame, f'{label} {confidence:.2f}', (bbox[0], bbox[1] - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.9, (0, 255, 0), 2)
26.     # 显示结果
27.     cv2.imshow('Rice Field Pest Detection', frame)
28.     if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
29.         break
31. cap.release()
32. cv2.destroyAllWindows()

复制代码

用户界面设计

为了进步系统的易用性，我们设计了一个用户友爱的界面。利用PyQt5实现用户界面，提供图像或视频播放和检测结果表现。
界面代码

以下是一个简朴的PyQt5界面代码示例：

1. import sys
2. from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QWidget, QVBoxLayout, QLabel, QPushButton, QFileDialog
3. from PyQt5.QtGui import QPixmap, QImage
4. import cv2
5. from ultralytics import YOLO
7. class PestDetectionUI(QWidget):
8.     def __init__(self):
9.         super().__init__()
10.         self.initUI()
11.         
12.         self.model = YOLO('best.pt')
13.         
14.     def initUI(self):
15.         self.setWindowTitle('Pest Detection System')
16.         
17.         self.layout = QVBoxLayout()
18.         
19.         self.label = QLabel(self)
20.         self.layout.addWidget(self.label)
21.         
22.         self.button = QPushButton('Open Image or Video', self)
23.         self.button.clicked.connect(self.open_file)
24.         self.layout.addWidget(self.button)
25.         
26.         self.setLayout(self.layout)
27.    
28.     def open_file(self):
29.         options = QFileDialog.Options()
30.         file_path, _ = QFileDialog.getOpenFileName(self, "Open File", "", "All Files (*);;MP4 Files (*.mp4);;JPEG Files (*.jpg);;PNG Files (*.png)", options=options)
31.         
32.         if file_path:
33.             if file_path.endswith('.mp4'):
34.                 self.detect_pest_video(file_path)
35.             else:
36.                 self.detect_pest_image(file_path)
37.    
38.     def detect_pest_image(self, file_path):
39.         frame = cv2.imread(file_path)
40.         results = self.model(frame)
41.         for result in results:
42.             bbox = result['bbox']
43.             label = result['label']
44.             confidence = result['confidence']
45.                
46.             cv2.rectangle(frame, (bbox[0], bbox[1]), (bbox[2], bbox[3]), (0, 255, 0), 2)
47.             cv2.putText(frame, f'{label} {confidence:.2f}', (bbox[0], bbox[1] - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.9, (0, 255, 0), 2)
49.         height, width, channel = frame.shape
50.         bytesPerLine = 3 * width
51.         qImg = QImage(frame.data,
53. width, height, bytesPerLine, QImage.Format_RGB888).rgbSwapped()
54.         self.label.setPixmap(QPixmap.fromImage(qImg))
55.    
56.     def detect_pest_video(self, file_path):
57.         cap = cv2.VideoCapture(file_path)
58.         
59.         while cap.isOpened():
60.             ret, frame = cap.read()
61.             if not ret:
62.                 break
63.             
64.             results = self.model(frame)
65.             for result in results:
66.                 bbox = result['bbox']
67.                 label = result['label']
68.                 confidence = result['confidence']
69.                
70.                 cv2.rectangle(frame, (bbox[0], bbox[1]), (bbox[2], bbox[3]), (0, 255, 0), 2)
71.                 cv2.putText(frame, f'{label} {confidence:.2f}', (bbox[0], bbox[1] - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.9, (0, 255, 0), 2)
72.             
73.             height, width, channel = frame.shape
74.             bytesPerLine = 3 * width
75.             qImg = QImage(frame.data, width, height, bytesPerLine, QImage.Format_RGB888).rgbSwapped()
76.             
77.             self.label.setPixmap(QPixmap.fromImage(qImg))
78.             QApplication.processEvents()
79.         
80.         cap.release()
82. if __name__ == '__main__':
83.     app = QApplication(sys.argv)
84.     ex = PestDetectionUI()
85.     ex.show()
86.     sys.exit(app.exec_())

复制代码

总结

本文具体先容了如何构建一个基于深度学习的稻田虫害检测系统，从环境搭建、数据收集与处理、模子训练、系统实现到用户界面设计。这不仅有助于进步农业生产效率，还可以为农作物病虫害防治提供有力支持。
基于深度学习的稻田虫害检测系统（UI界面+YOLOv8/v7/v6/v5代码+训练数据集）

弁言

在农业领域，稻田虫害检测是确保稻米产量和质量的紧张环节。传统的人工检测方法效率低、成本高，而基于深度学习的主动化检测系统可以进步检测效率和准确性。本文将具体先容如何构建一个基于深度学习的稻田虫害检测系统，包罗环境搭建、数据收集与处理、模子训练、系统实现以及用户界面设计，并提供现实的代码示例。
系统概述

本系统的实现步调包罗：

• 环境搭建
  
• 数据收集与处理
  
• 模子训练
  
• 系统实现
  
• 用户界面设计
  

环境搭建

首先，需要搭建一个适合深度学习开发的环境。本文利用Python 3.8或以上版本，并依赖于多个深度学习和图像处理库。
安装须要的库

利用以下命令安装所需库：

1. pip install numpy pandas matplotlib opencv-python torch torchvision ultralytics pyqt5

复制代码

数据收集与处理

数据收集

收集包罗稻田虫害的图像和视频数据集。可以利用公开的数据集，如PestMonitor Dataset，或者通过实地拍摄获取。确保数据集包罗各种不同虫害类型和不同生长阶段的图像。
数据处理

将图像数据整理到指定的文件夹结构，并标注虫害的位置。以下是示例的文件夹结构：

1. datasets/
2.     ├── images/
3.     │   ├── train/
4.     │   │   ├── image1.jpg
5.     │   │   ├── image2.jpg
6.     │   ├── val/
7.     │   │   ├── image1.jpg
8.     │   │   ├── image2.jpg
9.     ├── labels/
10.         ├── train/
11.         │   ├── image1.txt
12.         │   ├── image2.txt
13.         ├── val/
14.             ├── image1.txt
15.             ├── image2.txt

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每个标签文件的内容如下：

1. class x_center y_center width height

复制代码

其中，class表示类别编号（如稻飞虱、螟虫等），x_center、y_center为归一化后的中心坐标，width和height为归一化后的宽度和高度。
数据增强

为了进步模子的泛化本领，可以对数据进行增强处理。常见的数据增强方法包罗旋转、缩放、平移、镜像等。

1. import albumentations as A
2. from albumentations.pytorch import ToTensorV2
3. import cv2
4. import os
6. # 定义数据增强变换
7. transform = A.Compose([
8.     A.RandomRotate90(),
9.     A.Flip(),
10.     A.Transpose(),
11.     A.OneOf([
12.         A.IAAAdditiveGaussianNoise(),
13.         A.GaussNoise(),
14.     ], p=0.2),
15.     A.OneOf([
16.         A.MotionBlur(p=0.2),
17.         A.MedianBlur(blur_limit=3, p=0.1),
18.         A.Blur(blur_limit=3, p=0.1),
19.     ], p=0.2),
20.     A.ShiftScaleRotate(shift_limit=0.0625, scale_limit=0.2, rotate_limit=45, p=0.2),
21.     A.OneOf([
22.         A.OpticalDistortion(p=0.3),
23.         A.GridDistortion(p=0.1),
24.         A.IAAPiecewiseAffine(p=0.3),
25.     ], p=0.2),
26.     A.OneOf([
27.         A.CLAHE(clip_limit=2),
28.         A.IAASharpen(),
29.         A.IAAEmboss(),
30.         A.RandomBrightnessContrast(),
31.     ], p=0.3),
32.     A.HueSaturationValue(p=0.3),
33.     ToTensorV2()
34. ])
36. # 处理图像
37. def augment_images(image_folder, output_folder):
38.     os.makedirs(output_folder, exist_ok=True)
39.     for filename in os.listdir(image_folder):
40.         image_path = os.path.join(image_folder, filename)
41.         image = cv2.imread(image_path)
42.         augmented = transform(image=image)
43.         augmented_image = augmented["image"].numpy().transpose(1, 2, 0)
44.         output_path = os.path.join(output_folder, filename)
45.         cv2.imwrite(output_path, augmented_image)
47. # 应用数据增强
48. augment_images('datasets/images/train', 'datasets/images/train_augmented')

复制代码

模子训练

利用YOLO模子进行训练。
配置文件

创建一个配置文件config.yaml：

1. path: datasets
2. train: images/train
3. val: images/val
4. test: images/test
6. nc: 5  # 类别数，例如5种常见的稻田虫害
7. names: ['rice_leaf_folder', 'rice_hispa', 'brown_plant_hopper', 'white_backed_plant_hopper', 'rice_stem_borer']  # 类别名称

复制代码

训练代码

利用以下代码训练模子：

1. from ultralytics import YOLO
3. # 加载模型
4. model = YOLO('yolov8n.pt')
6. # 训练模型
7. model.train(data='config.yaml', epochs=50, imgsz=640, batch=16, lr0=0.01)

复制代码

训练过程会生成模子权重文件best.pt，该文件包罗了训练好的模子参数。
系统实现

训练好的模子可以用于及时稻田虫害检测。利用OpenCV读取视频流，并调用YOLO模子进行检测。
检测代码

1. import cv2
2. from ultralytics import YOLO
4. # 加载训练好的模型
5. model = YOLO('best.pt')
7. # 打开视频流
8. cap = cv2.VideoCapture('rice_field_video.mp4')
10. while cap.isOpened():
11.     ret, frame = cap.read()
12.     if not ret:
13.         break
15.     # 检测虫害
16.     results = model(frame)
17.     for result in results:
18.         bbox = result['bbox']
19.         label = result['label']
20.         confidence = result['confidence']
22.         # 画框和标签
23.         cv2.rectangle(frame, (bbox[0], bbox[1]), (bbox[2], bbox[3]), (0, 255, 0), 2)
24.         cv2.putText(frame, f'{label} {confidence:.2f}', (bbox[0], bbox[1] - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.9, (0, 255, 0), 2)
26.     # 显示结果
27.     cv2.imshow('Rice Field Pest Detection', frame)
28.     if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
29.         break
31. cap.release()
32. cv2.destroyAllWindows()

复制代码

用户界面设计

为了进步系统的易用性，我们设计了一个用户友爱的界面。利用PyQt5实现用户界面，提供图像或视频播放和检测结果表现。
界面代码

以下是一个简朴的PyQt5界面代码示例：

1. import sys
2. from PyQt5.QtWidgets import QApplication, QWidget, QVBoxLayout, QLabel, QPushButton, QFileDialog
3. from PyQt5.QtGui import QPixmap, QImage
4. import cv2
5. from ultralytics import YOLO
7. class PestDetectionUI(QWidget):
8.     def __init__(self):
9.         super().__init__()
10.         self.initUI()
11.         
12.         self.model = YOLO('best.pt')
13.         
14.     def initUI(self):
15.         self.setWindowTitle('Pest Detection System')
16.         
17.         self.layout = QVBoxLayout()
18.         
19.         self.label = QLabel(self)
20.         self.layout.addWidget(self.label)
21.         
22.         self.button = QPushButton('Open Image or Video', self)
23.         self.button.clicked.connect(self.open_file)
24.         self.layout.addWidget(self.button)
25.         
26.         self.setLayout(self.layout)
27.    
28.     def open_file(self):
29.         options = QFileDialog.Options()
30.         file_path, _ = QFileDialog.getOpenFileName(self, "Open File", "", "All Files (*);;MP4 Files (*.mp4);;JPEG Files (*.jpg);;PNG Files (*.png)", options=options)
31.         
32.         if file_path:
33.             if file_path.endswith('.mp4'):
34.                 self.detect_pest_video(file_path)
35.             else:
36.                 self.detect_pest_image(file_path)
37.    
38.     def detect_pest_image(self, file_path):
39.         frame = cv2.imread(file_path)
40.         results = self.model(frame)
41.         for result in results:
42.             bbox = result['bbox']
43.             label = result['label']
44.             confidence = result['confidence']
45.                
46.             cv2.rectangle(frame, (bbox[0], bbox[1]), (bbox[2], bbox[3]), (0, 255, 0), 2)
47.             cv2.putText(frame, f'{label} {confidence:.2f}', (bbox[0], bbox[1] - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.9, (0, 255, 0), 2)
49.         height, width, channel = frame.shape
50.         bytesPerLine = 3 * width
51.         qImg = QImage(frame.data,
53. width, height, bytesPerLine, QImage.Format_RGB888).rgbSwapped()
54.         self.label.setPixmap(QPixmap.fromImage(qImg))
55.    
56.     def detect_pest_video(self, file_path):
57.         cap = cv2.VideoCapture(file_path)
58.         
59.         while cap.isOpened():
60.             ret, frame = cap.read()
61.             if not ret:
62.                 break
63.             
64.             results = self.model(frame)
65.             for result in results:
66.                 bbox = result['bbox']
67.                 label = result['label']
68.                 confidence = result['confidence']
69.                
70.                 cv2.rectangle(frame, (bbox[0], bbox[1]), (bbox[2], bbox[3]), (0, 255, 0), 2)
71.                 cv2.putText(frame, f'{label} {confidence:.2f}', (bbox[0], bbox[1] - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.9, (0, 255, 0), 2)
72.             
73.             height, width, channel = frame.shape
74.             bytesPerLine = 3 * width
75.             qImg = QImage(frame.data, width, height, bytesPerLine, QImage.Format_RGB888).rgbSwapped()
76.             
77.             self.label.setPixmap(QPixmap.fromImage(qImg))
78.             QApplication.processEvents()
79.         
80.         cap.release()
82. if __name__ == '__main__':
83.     app = QApplication(sys.argv)
84.     ex = PestDetectionUI()
85.     ex.show()
86.     sys.exit(app.exec_())

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总结

本文具体先容了如何构建一个基于深度学习的稻田虫害检测系统，从环境搭建、数据收集与处理、模子训练、系统实现到用户界面设计。通过提供具体的步调和代码示例，读者可以轻松地实现自己的检测系统。这不仅有助于进步农业生产效率，还可以为农作物病虫害防治提供有力支持。

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