CN112733622B - 一种禾本科植物分蘖数量计数方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种禾本科植物分蘖数量计数方法，包括以下步骤：（1）数据采集与标注：采集禾本科植物分蘖RGB图像，并进行多边形标注；（2）生成数据集:将步骤（1）进行多边形标注后的数据转换成COCO格式的实例分割数据集，并将该实例分割数据集按0.8:0.1:0.1的比例随机划分为训练集、验证集与测试集；（3）构建一种基于可旋转矩形框的Mask R‑CNN实例分割网络（4）模型训练：指定步骤（2）中的训练集与验证集使用SGD优化器训练；（5）模型推理：将步骤（2）中的测试集内的数据输入到步骤（3）的Mask R‑CNN实例分割网络中进行推理。本发明有效提升实例分割算法的召回率与精确率，提高分蘖计数准确率。

Description

一种禾本科植物分蘖数量计数方法
技术领域
本发明涉及图像识别技术领域，更具体地，涉及一种禾本科植物分蘖数量计数方法。
背景技术
分蘖是禾本科植物特殊的分枝特性，也是一种重要的农艺性状之一，可直接影响禾本科植物产量与种子产量。分蘖性状是禾本科植物研究领域的热门方向，分蘖数量计数对该性状研究具有重要指导意义。
目前，分蘖数量计数方式有如下几种方法：传统的人工计数方法，效率较低；基于地面激光雷达的计数方式，成本较高；基于通用目标检测与实例分割的方式，采用的是原始矩形框的标注方式，不包含角度信息，对于分蘖数量计数的场景，存在单个矩形框对应多个同类目标的问题，导致召回率、精确率较低，计数效果不佳。
发明内容
本发明针对背景技术存在的不足，采用图像识别的方式，根据禾本科植物分蘖以靠近地面的茎基部为中心点向四周发散的生长特性，提供了一种基于可旋转矩形框的MaskR-CNN实例分割网络的禾本科植物分蘖数量计数方法，有效提升实例分割算法的召回率与精确率，提高分蘖计数准确率。
为解决上述问题，提供一种禾本科植物分蘖数量计数方法，包括以下步骤：
（1）数据采集与标注：采集禾本科植物分蘖RGB图像，并通过labelme工具对所述禾本科植物分蘖RGB图像的分蘖枝条进行多边形标注；所述多边形标注的方式为沿每根分蘖枝条轮廓进行细分标注，并获得原始的矩形框；
（2）生成数据集:将步骤（1）进行多边形标注后的数据转换成COCO格式的实例分割数据集，并将该实例分割数据集按0.8:0.1:0.1的比例随机划分为训练集、验证集与测试集；
（3）构建一种基于可旋转矩形框的Mask R-CNN实例分割网络：将步骤（1）的多边形标注通过Mask R-CNN训练将原始的矩形框转换为可旋转矩形框；所述Mask R-CNN训练包括RPN候选框生成阶段、矩形框损失计算阶段、Mask损失计算阶段；
（4）模型训练：指定步骤（2）中的训练集与验证集使用SGD优化器训练，并在训练过程中进行动态数据增强，构建多任务损失函数；
（5）模型推理：步骤（4）模型训练完成后，将步骤（2）中的测试集内的数据依次进行预处理后，输入到步骤（3）的Mask R-CNN实例分割网络中进行推理，推理结果是禾本科植物分蘖每根枝条的边缘得到拟合的多边形点集，且基于每个多边形点集，生成一个可旋转的矩形框，所述矩形框的数量即为禾本科植物分蘖数量。
特别的，所述步骤（1）中采集禾本科植物分蘖RGB图像的方法为通过相机以茎基部为中心并以俯视角度拍摄获得。
特别的，所述步骤（3）中将原始的矩形框转换为可旋转矩形框的方法为通过OpenCV的minAreaRect函数进行计算得出多边形区域标注的最小外接矩形框，即得到可旋转矩形框。
特别的，所述步骤（4）中的动态数据增强的方式包括旋转、翻转、随机调整亮度、对比度。
特别的，所述步骤（4）中的多任务损失函数为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
；其中，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE004
表示多任务损失函数；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE006
表示分类损失，用于计算预测标签与目标标签的交叉熵分类损失，预测标签、目标标签为分蘖枝条的标注名称branch以及其他负样本名称；步骤（3）中矩形框损失计算阶段中计算出来的可旋转矩形框损失；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE008
表示步骤（3）中Mask损失计算阶段计算出来的Mask损失。
特别的，所述步骤（4）中，所述SGD优化器的学习率设置为0.01且按指数方式衰减。
本发明的有益效果：
本发明针对禾本科植物分蘖以靠近地面的茎基部为中心点向四周发散的生长特性，构建一种基于可旋转矩形框的Mask R-CNN实例分割网络，与现有禾本科植物分蘖数量计数方法相比，成本较低，适应多种分蘖数量计数的场景，避免传统目标检测与实例分割在禾本科植物分蘖数量计数场景下存在的目标标注区域重叠而引发的前景类别混淆问题，能够有效提升召回率与精确率，进而提升分蘖数量计数的准确率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的计数方法流程图；
图2为本发明实施例中生成的可旋转矩形框示例；
图3为本发明实施例中构建可旋转矩形框的Mask R-CNN实例分割网络示例。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
如图1所示，本实施例的一种禾本科植物分蘖数量计数方法，包括以下步骤：
（1）数据采集与标注：通过相机以茎基部为中心并以俯视角度拍摄获得禾本科植物分蘖RGB图像，并通过labelme工具对禾本科植物分蘖RGB图像的分蘖枝条进行多边形标注，多边形标注的方式为沿每根分蘖枝条轮廓进行细分标注，并获得原始的矩形框。
（2）生成数据集：将标注好的数据，转化成COCO格式的实例分割数据集，并将数据集按0.8:0.1:0.1的比例随机划分为训练集、验证集与测试集，其中，训练集用于训练模型，验证集用于训练过程中验证模型指标，测试集用于测试训练后得到的模型；
（3）构建一种基于可旋转矩形框的Mask R-CNN实例分割网络：将多边形标注转换为可旋转矩形框，替换原始的矩形框。构造可旋转矩形框的目的是解决传统目标检测与实例分割在禾本科植物分蘖数量计数场景下存在的目标标注区域重叠而引发的前景类别混淆问题。可旋转矩形框如图2所示，训练时可根据多边形区域标注自动生成，由原始的矩形框
Figure DEST_PATH_IMAGE010
调整为可旋转矩形框，其中，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE012
表示传统矩形框中心点坐标，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE014
表示传统矩形框宽度，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE016
表示传统矩形框高度；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE018
表示可旋转矩形框中心点坐标，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE020
表示可旋转矩形框宽度，表示可旋转矩形框高度，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE022
表示可旋转矩形框旋转角度，可通过OpenCV的minAreaRect函数进行计算得出多边形区域标注的最小外接矩形框，即得到可旋转矩形框。Mask R-CNN训练时Mask R-CNN有三个阶段需将矩形框转换成可旋转矩形框。如图3所示，分别是RPN候选框生成阶段、矩形框损失计算阶段、Mask损失计算阶段。其中，RPN候选框生成阶段是将锚点框与目标框分别进行转换，锚点框由5种尺寸组成，每种尺寸分别包含3种宽高比，共15组，用作目标框回归时的固定参考框，判断两者直接的偏离情况，目标框为目标实际的矩形框，对转换后的锚点框与目标框进行IoU计算；矩形框损失计算阶段是将候选框与目标框分别进行转换，候选框为图3所示Mask R-CNN实例分割网络中的class box部分，为最终生成的候选矩形框，目标框为目标实际的矩形框，对转换后的锚点框与目标框进行IoU计算；Mask损失计算阶段则将候选框与目标框分别进行转换，候选框为图3所示Mask R-CNN实例分割网络最右侧图片的矩形框部分,对转换后的候选框与目标框进行IoU计算。
（4）模型训练：指定训练集与验证集，使用SGD优化器训练，学习率设置为0.01，按指数方式衰减；训练过程进行动态数据增强，动态数据增强包括旋转、翻转、随机调整亮度、对比度等，降低过拟合风险；构建多任务损失函数，如公式(1)所示，其中，表示多任务损失函数，由、
Figure DEST_PATH_IMAGE024
、/>
Figure 291631DEST_PATH_IMAGE008
三种任务的损失组成；/>
Figure 703152DEST_PATH_IMAGE006
表示分类损失，用于计算预测标签与目标标签的交叉熵分类损失，预测标签、目标标签为分蘖枝条的标注名称branch以及其他负样本名称，如neg1、neg2；/>
Figure 376579DEST_PATH_IMAGE024
表示步骤（3）中矩形框损失计算阶段中计算出来的可旋转矩形框损失；/>
Figure 236257DEST_PATH_IMAGE008
表示步骤（3）中Mask损失计算阶段计算出来的Mask损失。
Figure DEST_PATH_IMAGE002A
（1）；
（5）模型推理：训练完成后，将测试集中的图片依次进行预处理后，输入到步骤（3）中的Mask R-CNN实例分割网络中进行推理，推理结果是禾本科植物分蘖每根枝条的边缘得到拟合的多边形点集，且基于每个多边形点集，生成一个可旋转的矩形框，矩形框数量即为禾本科植物分蘖数量。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是专利所有者可以在所附权利要求的范围之内做出各种变形或修改，只要不超过本发明的权利要求所描述的保护范围，都应当在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种禾本科植物分蘖数量计数方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）数据采集与标注：采集禾本科植物分蘖RGB图像，并通过labelme工具对所述禾本科植物分蘖RGB图像的分蘖枝条进行多边形标注；所述多边形标注的方式为沿每根分蘖枝条轮廓进行细分标注，并获得原始的矩形框；
（2）生成数据集:将步骤（1）进行多边形标注后的数据转换成COCO格式的实例分割数据集，并将该实例分割数据集按0.8:0.1:0.1的比例随机划分为训练集、验证集与测试集；
（3）构建一种基于可旋转矩形框的Mask R-CNN实例分割网络：将步骤（1）的多边形标注通过Mask R-CNN训练将原始的矩形框转换为可旋转矩形框；所述Mask R-CNN训练包括RPN候选框生成阶段、矩形框损失计算阶段、Mask损失计算阶段；
（4）模型训练：指定步骤（2）中的训练集与验证集使用SGD优化器训练，并在训练过程中进行动态数据增强，构建多任务损失函数；
（5）模型推理：步骤（4）模型训练完成后，将步骤（2）中的测试集内的数据依次进行预处理后，输入到步骤（3）的Mask R-CNN实例分割网络中进行推理，推理结果是禾本科植物分蘖每根枝条的边缘得到拟合的多边形点集，且基于每个多边形点集，生成一个可旋转的矩形框，所述矩形框的数量即为禾本科植物分蘖数量。
2.根据权利要求1所述的一种禾本科植物分蘖数量计数方法，其特征在于：所述步骤（1）中采集禾本科植物分蘖RGB图像的方法为通过相机以茎基部为中心并以俯视角度拍摄获得。
3.根据权利要求1所述的一种禾本科植物分蘖数量计数方法，其特征在于：所述步骤（3）中将原始的矩形框转换为可旋转矩形框的方法为通过OpenCV的minAreaRect函数进行计算得出多边形区域标注的最小外接矩形框，即得到可旋转矩形框。
4.根据权利要求1所述的一种禾本科植物分蘖数量计数方法，其特征在于：所述步骤（4）中的动态数据增强的方式包括旋转、翻转、随机调整亮度、对比度。
5.根据权利要求1所述的一种禾本科植物分蘖数量计数方法，其特征在于：所述步骤（4）中的多任务损失函数为
Figure 811657DEST_PATH_IMAGE002
；其中，/>
Figure DEST_PATH_IMAGE003
表示多任务损失函数；/>
Figure 902366DEST_PATH_IMAGE004
表示分类损失，用于计算预测标签与目标标签的交叉熵分类损失，预测标签、目标标签为分蘖枝条的标注名称branch以及其他负样本名称；步骤（3）中矩形框损失计算阶段中计算出来的可旋转矩形框损失；/>
Figure DEST_PATH_IMAGE005
表示步骤（3）中Mask损失计算阶段计算出来的Mask损失。
6.根据权利要求1所述的一种禾本科植物分蘖数量计数方法，其特征在于：所述步骤（4）中，所述SGD优化器的学习率设置为0.01且按指数方式衰减。
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