轻量化YOLOv8番茄检测方法.pdf

第 46 卷第 2 期 2025 年 6 月 淮北师范大学学报 自然科学版 Journal of Huaibei Normal University Natural Sciences Vol 46 No 2 Jun 2025 轻量化 YOLOv 8 番茄检测方法 徐兰兰 1 2 孙丙宇 2 房永峰 2 3 1 安徽建筑大学 电子与信息工程学院 安徽 合肥 230022 2 中国科学院 合肥物质科学研究院 安徽 合肥 230031 3 中国科学技术大学 研究生院科学岛分院 安徽 合肥 230026 摘 要 针对番茄自 动采摘受光 线和果实遮 挡因素影响 较大 终端采摘设 备算力不足 问题 提出一种轻 量化 YO LOv 8 方法 在 Neck 模块采用 BiFusion 结构 使用 RepBlock 替换 C 2f 层 提高复杂环境下番茄检测精度 使用 Du alConv 模 块 替 换 检 测 头 中 卷 积 减 少 部 分 参 数 利 用 LAMP layer adaptive magnitude based pruning 进 行 剪 枝 提 高 算 法 实 时 响 应 速 度 改 进 后 算 法 mAP mean average precision 比 原 模 型 提 高 3 6 模 型 大 小 由 原 来 6 2 M 变成 1 1 M 在 CPU 中检测速度提升 16 6 可更好部署在移动设备中 关键词 YOLOv 8 BiFusion RepBlock 轻量化 模型剪枝 中图分类号 T P 391 4 文献标志码 A 文章编号 2095 0691 2025 02 0054 06 0 引言 番 茄 因 其 口 感 和 营 养 价 值 成 为 一 些 地 区 主 要 经 济 来 源 1 人 工 采 摘 工 作 量 逐 渐 跟 不 上 需 求 2 使 用 农业机器人进行高效采摘成为研究重点 Yuan 等 3 用 SDD 模 型 对 樱 桃 番 茄 进 行 检 测 但 该 模 型 过 大 不 利 于 搭 载 在 移 动 设 备 中 Zheng 等 4 利 用 YOLOv 4 模 型 改 进 骨 干 网 络 和 SPP 模 块 在 复 杂 环 境 下 对 番 茄 进 行 检 测 精 度 高 但 检 测 速 度 慢 Hou 等 5 利 用 YOLOv 7 模 型 改 进 其 卷 积 网 络 对 遮 挡 番 茄 进 行 检 测 该 模 型 每 秒 帧 数 为 178 56 不 够 实 时 这 些 改 进模型显著提高番茄检测精度 但由于模型参数量过大 导致检测效率过低 苗 荣 慧 等 6 利 用 YOLOv 7 模 型 进 行 轻 量 化 改 进 对 番 茄 成 熟 度 进 行 识 别 但 并 未 考 虑 不 同 光 照 对 番 茄 识 别 的 影 响 不 利 于 搭 载 在 采 摘 设 备 中 Gao 等 7 利 用 YOLOv 4 模 型 检 测 猕 猴 桃 对 新 网 络 参 数 进 行 减 小 提 高 模 型 泛 化 能 力 但 是 检 测 精 度 不 够 Fu 等 8 利 用 YOLOv 4 网 络 模 型 对 香 蕉 进 行 检 测 通 过 在 剪 枝 网 络 结 构 中 添 加 YOLO 头 层 探 索 四 尺 度 预 测 结 构 对 剪 枝 网 络 影 响 模 型 大 小 为 144 M 不 够 轻 量 化 涂 智 荣 等 9 提 出 改 进 YOLOv 7 轻 量 化 百 香 果 检 测 方 法 通 过 使 用 全 维 动 态 卷 积 和 提 出 GMConv 轻 量 化 模 块 模 型 参数量减少 32 这些改进模型主体围绕着轻量化进行 但是轻量化程度不够 针 对 上 述 问 题 拟 通 过 在 Neck 中 提 出 新 的 BFRep 结 构 提 升 对 复 杂 场 景 和 多 尺 度 目 标 处 理 能 力 引 入 DualConv 模 块 将 检 测 头 中 2 个 卷 积 层 融 合 成 更 简 洁 的 模 块 以 减 少 参 数 同 时 对 模 型 进 行 剪 枝 操 作 以 期 增强轻量化模型在复杂环境中番茄检测精度 1 改进 YOLOv 8 网络结构 原 YOLOv 8 算 法 Neck 部 分 借 鉴 PAN path aggregation network FPN feature pyramid network 架 构 采 用 单 向 特 征 融 合 和 横 向 连 接 10 网 络 结 构 相 对 复 杂 同 时 Neck 模 块 中 C 2f 将 不 同 层 级 特 征 图 进 行 融 合 11 会 使 更 多 存 储 空 间 和 计 算 资 源 被 消 耗 改 进 如 图 1 所 示 提 出 BFRep 结 构 将 网 络 结 构 中 11 层 和 14 收稿日期 2024 10 14 基金项目 中国科学院合肥物质研究院院长基金项目 YZJJKX 202401 作者简介 徐兰兰 1998 女 安徽合肥人 硕士生 研究方向为目标检测 通信作者 孙丙宇 1974 男 安徽淮北人 博士 教授 研究方向为模式识别 智能决策 第 2 期 徐兰兰等 轻量化 YOLOv 8 番茄检测方法 层 替 换 为 BiFusion 在 11 层 融 合 4 6 10 层 在 14 层 融 合 2 4 13 层 同 时 将 Neck 中 C 2f 替 换 为 RepBlock Head 检测头中也替换为更加轻量化 DualConv 结构 改进网络结构更适合部署在移动设备中 Conv Conv C2f C2f C2f C2f Conv Conv Conv SPPF Conv BiFusion Conv Conv Conv RepBlock BiFusion RepBlock Concat RepBlock Concat RepBlock DualConv DualConv DualConv Head BackBone Neck 图 1 改进 YOLOv 8 网络结构 1 1 改进 Neck 模块 BiFusion 使 用 1 1 Conv 来 降 低 相 同 尺 度 特 征 图 维 数 对 于 较 大 特 征 图 首 先 使 用 1 1 Conv 减 少 同 尺 度 特 征 图 维 数 其 次 再 用 这 个 卷 积 减 少 大 规 模 特 征 图 维 数 接 着 使 用 步 长 为 2 的 3 3 Conv 进 行 下 采 样 再 用 2 2 转 置 卷 积 对 小 尺 度 特 征 图 进 行 上 采 样 对 于 较 大 特 征 图 使 用 3 3 转 置 卷 积 进 行 上 采 样 最 后 将 得 到 三 部 分 特 征 图 连 接 起 来 后 再 次 降 维 这 种 双 向 特 征 融 合 技 术 不 仅 自 下 而 上 融 合 了 深 层 网 络 特 征 和 浅 层 网 络 特 征 还 能 自 上 而 下 将 信 息 与 空 间 信 息 进 行 融 合 12 使 定 位 信 息 更 加 准 确 当 番 茄 处 在 光 线不好 存在遮挡等复杂环境下也能提高其被检测精度 RepBlock 模 块 将 分 支 参 数 重 参 数 化 到 一 个 主 分 支 上 13 在 推 理 过 程 中 由 RepConv 和 ReLU rectified linear unit 组 成 使 用 单 分 支 结 构 在 训 练 过 程 中 则 由 RepVGG block 和 ReLU 组 成 使 用 多 分 支 结 构 RepConv 利 用 2 种 不 同 大 小 分 支 3 3 SimConv 和 1 1 SimConv 当 RepVGG 模 块 集 成 到 RepBlock 框 架 中 时 步 幅 设 置 为 1 由 3 3 Conv 2 d 1 1 Conv 2d 和 身 份 分 支 构 建 输 入 首 先 由 核 分 别 为 3 3 1 1 和 iden tity 卷 积 层 处 理 然 后 是 批 量 归 一 化 BN 层 归 一 化 后 输 出 通 过 元 素 级 加 法 运 算 组 合 在 一 起 并 通 过 ReLU 激 活 函 数 传 递 这 种 操 作 能 有 效 减 少 参 数 同 时 保 证 检 测 精 度 不 变 便 于 部 署 在 算 力 有 限 移 动 番 茄 采摘设备上 1 2 改进检测头 DualConv 模 块 结 合 3 3 和 1 1 卷 积 核 对 相 同 输 入 特 征 图 通 道 进 行 处 理 DualConv 使 用 组 卷 积 技 术 高 效 地 组 织 卷 积 滤 波 器 14 如 图 2 所 示 M 是 输 入 通 道 的 数 量 N 是 输 出 特 征 图 深 度 G 是 组 卷 积 和 双 卷 积 中 组 数 组 卷 积 中 输 入 特 征 图 被 分 为 若 干 组 每 组 通 道 分 别 执 行 卷 积 操 作 将 各 组 输 出 结 果 组 合 生 成 最 终 特 征 图 3 3 卷 积 仅 在 特 征 图 通 道 维 度 上 移 动 覆 盖 所 有 通 道 则 是 1 1 卷 积 这 样 3 3 组 卷 积 和 1 1 逐 点 卷 积 能 够 在 同 一 输 入 特 征 图 上 协 同 工 作 简 化 了 与 现 有 网 络 结 构 的 融 合 由 于 在 输 入 特 征 图 上 持续应用 1 1 卷积可以保留原始信息 进而能够辅助深层卷积层提取特征更加高效 同时有效减少参数 55