基于改進的YOLO系列算法的溫室葫蘆科果實實時檢測

水果和蔬菜通常對人類健康很重要，因為它們富含許多營養素，包括鉀、葉酸、維生素 C、膳食纖維等。隨著日益增長的果蔬需求，農業機器人成為收獲、修剪、

局部噴施等栽培任務中的熱門手段，這促進了果蔬檢測圖像分析和計算機視覺方法的發展。然而，復雜溫室環境下的葫蘆科果實時檢測算法存在諸多挑戰，

如葉片遮擋、果實重疊、逆光、正光等等都是其中的挑戰之一。與此同時，果實檢測算法被期望具有通用性、輕量級、準確和快速的特點。

為此，本研究提出了一種改進的YOLO序列檢測算法用于溫室葫蘆科果實檢測，并與YOLOv4、YOLOv5算法進行了比較。研究采用高光譜相機采集了苦瓜、黃瓜、甜瓜和博洋蜜瓜的果實圖像（共2469張，分別為665、664、404和736張），其中包含葉片遮擋、果實重疊、枝干遮擋、背光、正光等各種環境條件的圖像（如圖1所示），

并將其隨即劃分為訓練集80%、驗證集15%和測試集5%。由于輕量級的YOLOv4、YOLOv5檢測速度快，本研究以此作為框架，在此基礎上，Neck網絡

（如圖3所示）采用路徑聚合網絡(PANet)和特征金字塔網絡(FPN)分別將YOLOv4和YOLOv5的骨干殘差塊排列從1、2、8、8、4改進為2、3、4、3、2，F、3、9、9、3改進為F、3、4、3、2（如圖2和表1所示）。結果表明，與YOLOv4和YOLOv5的Backbone相比，改進后的Backbone的檢測精度更高，速度更快。添加PANet的頸部的準確度高于FPN，但FPN的檢測時間較少。在所測試的改進算法中，YOLOv4RPANet檢測結果的平均準確率為91.5%，平均檢測時間為5.0 ms，優于YOLOv4和YOLOv5（如表2所示）。盡管存在差異，其他改進的YOLO系列檢測算法也是輕量級的，在更好的泛化性、實時檢測果實以及偽標簽生成器方面具有巨大前景，適用于采摘/收獲機器人。

                           圖1 各種條件下的果實圖像：(a)被葉片遮擋；(b)重疊；(c)被枝干遮擋；(d)b背光；(e)正光；(f)YOLO注釋規則，包含對象類、坐標、高度和寬度。

                                                                             圖2 研究采用的改進(a)YOLOv5和 (b)YOLOv4 Backbone的果實檢測算法。

                                                                                                     圖3 (a)FPN和(b)PANet的Neck網絡。

                                                                                                   表1 研究所采用的訓練模型的總結

                                                                                                            表2 YOLO系列檢測算法的平均結果