AI助力农作物自动采摘，基于嵌入式端超轻量级模型LeYOLO全系列【n/s/m/l】参数模型开发构建作物生产场景下番茄采摘检测计数分析系统

去年十一那会无意间刷到一个视频展示的就是德国机械收割机非常高效自动化地24小时不间断地在超广阔的土地上采摘各种作物，专家设计出来了很多用于采摘不同农作物的大型机械，看着非常震撼，但是我们国内农业的发展还是相对比较滞后的，小的时候拔草是一个人一列蹲在地里就在那埋头拔草，不知道什么时候才能走到地的尽头，小块的分散的土地太多基本上都是只能人工手工来取收割，大点的连片的土地可以用收割机来收割，不过收割机基本都是用来收割小麦的，最近几年好像老家也能看到用于收割玉米的机器了不过相对还是比较少的，玉米的收割我们基本上还是人工来收割的，不仅累效率还低遇上对玉米叶片过敏的就更要命了。。。。闲话就扯到这里了。

有时候经常在想我们的农业机械化自动化什么时候能再向前迈进一大步，回顾德国的工业机械，在视频展示的效果中，其实很关键的主要是两部分，一部分是机器视觉定位检测识别，另一部分是机械臂传动轴，两部分相互配合才能完成采摘工作，在前文中我们开发实践了番茄作物采摘场景下的成熟度检测识别项目，如下：

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv3全系列【yolov3tiny/yolov3/yolov3spp】参数模型开发构建作番茄采摘场景下番茄成熟度检测识别计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv5全系列【n/s/m/l/x】参数模型开发构建作番茄采摘场景下番茄成熟度检测识别计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv7【tiny/l/x】不同系列参数模型开发构建作物番茄采摘场景下番茄成熟度检测识别分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv8全系列【n/s/m/l/x】参数模型开发构建作物番茄采摘场景下番茄成熟度检测识别分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv9全系列【t/s/m/yolov9/c/e】+GELAN全系列【t/s/m/gelan/c/e】参数模型开发构建作物番茄采摘场景下番茄成熟度检测识别分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv10全系列【n/s/m/b/l/x】参数模型开发构建作物番茄采摘场景下番茄成熟度检测识别分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于DETR(DEtection TRansformer)开发构建番茄采摘场景下番茄成熟度检测识别计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于嵌入式端超轻量级模型LeYOLO全系列【n/s/m/l】参数模型开发构建作物番茄采摘场景下番茄成熟度检测识别分析系统》

此后，我们在实验室环境下采集构建了种植的番茄植株数据进行人工标注，想要开发实践番茄检测计数相关的实践，如下：

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv3全系列【yolov3tiny/yolov3/yolov3spp】参数模型开发构建作物生产场景下番茄采摘检测计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv5全系列【n/s/m/l/x】参数模型开发构建作物生产场景下番茄采摘检测计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv7【tiny/l/x】不同系列参数模型开发构建作物生产场景下番茄采摘检测计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv8全系列【n/s/m/l/x】参数模型开发构建作物生产场景下番茄采摘检测计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于DETR(DEtection TRansformer)开发构建作物生产场景下番茄采摘检测计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv9全系列【yolov9/t/s/m/c/e】参数模型开发构建作物生产场景下番茄采摘检测计数分析系统》

《AI助力农作物自动采摘，基于YOLOv10全系列【n/s/m/b/l/x】参数模型开发构建作物生产场景下番茄采摘检测计数分析系统》

传统的YOLOs系列的模型虽然提供了不同参数量级系列的模型，方便部署应用到不同的硬件平台上面去，但是实际在弱算力设备下还是捉襟见肘的，比如：对于树莓派来讲，那YOLOv5系列最为轻量级的n系列的模型也是非常吃力，但是那YOLOv5-lite系列的模型就可以比较轻松地跑起来，这印证了模型轻量化设计的必要性，本文采用的是正是经过轻量化设计了leYOLO模型，首先看下实例效果：

简单看下实例数据情况：

深度神经网络中的计算效率对于目标检测至关重要，尤其是在新模型将速度优先于高效计算（FLOP）的情况下。这种演变在某种程度上已经落后于嵌入式和面向移动的AI对象检测应用程序。这里重点讨论了基于FLOP的高效目标检测计算的神经网络结构的设计选择，并提出了几种优化方法来提高基于YLO的模型的效率。
首先，介绍了一种基于反向瓶颈和信息瓶颈原理的有效主干扩展方法。其次，提出了快速金字塔结构网络（FPAN），旨在促进快速多尺度特征共享，同时减少计算资源。最后提出了一个解耦的网络中网络（DNiN）检测头的设计，以提供快速而轻量级的计算分类和回归任务。
在这些优化的基础上，利用更高效的主干，为对象检测和以YOLO为中心的模型（称为LeYOLO）提供了一种新的缩放范例。在各种资源限制下始终优于现有模型，实现了前所未有的准确性和失败率。值得注意的是，LeYOLO Small在COCO val上仅以4.5次失败（G）获得了38.2%的竞争性mAP分数，与最新最先进的YOLOv9微小模型相比，计算量减少了42%，同时实现了类似的精度。我们的新型模型系列实现了以前未达到的浮点精度比，提供了从超低神经网络配置（<1 GFLOP）到高效但要求苛刻的目标检测设置（>4 GFLOP）的可扩展性，对于0.66、1.47、2.53、4.51、5.8和8.4浮点（G），具有25.2、31.3、35.2、38.2、39.3和41 mAP。

Models	mAP	Image Size	FLOP (G)
LeYOLONano	25.2	320	0.66
LeYOLONano	31.3	480	1.47
LeYOLOSmall	35.2	480	2.53
LeYOLOSmall	38.2	640	4.51
LeYOLOMedium	39.3	640	5.80
LeYOLOLarge	41.0	768	8.40

一共提供了n、s、m和l四款不同参数量级的模型。

这里我们保持完全相同的实验参数设置来进行四款模型的开发训练，等待训练完成之后我们来整体进行各项指标的对比分析。

【Precision曲线】
精确率曲线（Precision Curve）是一种用于评估二分类模型在不同阈值下的精确率性能的可视化工具。它通过绘制不同阈值下的精确率和召回率之间的关系图来帮助我们了解模型在不同阈值下的表现。精确率（Precision）是指被正确预测为正例的样本数占所有预测为正例的样本数的比例。召回率（Recall）是指被正确预测为正例的样本数占所有实际为正例的样本数的比例。
绘制精确率曲线的步骤如下：
使用不同的阈值将预测概率转换为二进制类别标签。通常，当预测概率大于阈值时，样本被分类为正例，否则分类为负例。
对于每个阈值，计算相应的精确率和召回率。
将每个阈值下的精确率和召回率绘制在同一个图表上，形成精确率曲线。
根据精确率曲线的形状和变化趋势，可以选择适当的阈值以达到所需的性能要求。
通过观察精确率曲线，我们可以根据需求确定最佳的阈值，以平衡精确率和召回率。较高的精确率意味着较少的误报，而较高的召回率则表示较少的漏报。根据具体的业务需求和成本权衡，可以在曲线上选择合适的操作点或阈值。
精确率曲线通常与召回率曲线（Recall Curve）一起使用，以提供更全面的分类器性能分析，并帮助评估和比较不同模型的性能。

【Recall曲线】
召回率曲线（Recall Curve）是一种用于评估二分类模型在不同阈值下的召回率性能的可视化工具。它通过绘制不同阈值下的召回率和对应的精确率之间的关系图来帮助我们了解模型在不同阈值下的表现。
召回率（Recall）是指被正确预测为正例的样本数占所有实际为正例的样本数的比例。召回率也被称为灵敏度（Sensitivity）或真正例率（True Positive Rate）。
绘制召回率曲线的步骤如下：
使用不同的阈值将预测概率转换为二进制类别标签。通常，当预测概率大于阈值时，样本被分类为正例，否则分类为负例。
对于每个阈值，计算相应的召回率和对应的精确率。
将每个阈值下的召回率和精确率绘制在同一个图表上，形成召回率曲线。
根据召回率曲线的形状和变化趋势，可以选择适当的阈值以达到所需的性能要求。
通过观察召回率曲线，我们可以根据需求确定最佳的阈值，以平衡召回率和精确率。较高的召回率表示较少的漏报，而较高的精确率意味着较少的误报。根据具体的业务需求和成本权衡，可以在曲线上选择合适的操作点或阈值。
召回率曲线通常与精确率曲线（Precision Curve）一起使用，以提供更全面的分类器性能分析，并帮助评估和比较不同模型的性能。

【loss曲线】

在深度学习的训练过程中，loss函数用于衡量模型预测结果与实际标签之间的差异。loss曲线则是通过记录每个epoch（或者迭代步数）的loss值，并将其以图形化的方式展现出来，以便我们更好地理解和分析模型的训练过程。

【mAP0.5】
mAP0.5，也被称为mAP@0.5或AP50，指的是当Intersection over Union（IoU）阈值为0.5时的平均精度（mean Average Precision）。IoU是一个用于衡量预测边界框与真实边界框之间重叠程度的指标，其值范围在0到1之间。当IoU值为0.5时，意味着预测框与真实框至少有50%的重叠部分。
在计算mAP0.5时，首先会为每个类别计算所有图片的AP（Average Precision），然后将所有类别的AP值求平均，得到mAP0.5。AP是Precision-Recall Curve曲线下面的面积，这个面积越大，说明AP的值越大，类别的检测精度就越高。
mAP0.5主要关注模型在IoU阈值为0.5时的性能，当mAP0.5的值很高时，说明算法能够准确检测到物体的位置，并且将其与真实标注框的IoU值超过了阈值0.5。

【mAP0.5:0.95】
mAP0.5:0.95，也被称为mAP@[0.5:0.95]或AP@[0.5:0.95]，表示在IoU阈值从0.5到0.95变化时，取各个阈值对应的mAP的平均值。具体来说，它会在IoU阈值从0.5开始，以0.05为步长，逐步增加到0.95，并在每个阈值下计算mAP，然后将这些mAP值求平均。
这个指标考虑了多个IoU阈值下的平均精度，从而更全面、更准确地评估模型性能。当mAP0.5:0.95的值很高时，说明算法在不同阈值下的检测结果均非常准确，覆盖面广，可以适应不同的场景和应用需求。
对于一些需求比较高的场合，比如安全监控等领域，需要保证高的准确率和召回率，这时mAP0.5:0.95可能更适合作为模型的评价标准。
综上所述，mAP0.5和mAP0.5:0.95都是用于评估目标检测模型性能的重要指标，但它们的关注点有所不同。mAP0.5主要关注模型在IoU阈值为0.5时的性能，而mAP0.5:0.95则考虑了多个IoU阈值下的平均精度，从而更全面、更准确地评估模型性能。

【F1值曲线】
F1值曲线是一种用于评估二分类模型在不同阈值下的性能的可视化工具。它通过绘制不同阈值下的精确率（Precision）、召回率（Recall）和F1分数的关系图来帮助我们理解模型的整体性能。
F1分数是精确率和召回率的调和平均值，它综合考虑了两者的性能指标。F1值曲线可以帮助我们确定在不同精确率和召回率之间找到一个平衡点，以选择最佳的阈值。
绘制F1值曲线的步骤如下：
使用不同的阈值将预测概率转换为二进制类别标签。通常，当预测概率大于阈值时，样本被分类为正例，否则分类为负例。
对于每个阈值，计算相应的精确率、召回率和F1分数。
将每个阈值下的精确率、召回率和F1分数绘制在同一个图表上，形成F1值曲线。
根据F1值曲线的形状和变化趋势，可以选择适当的阈值以达到所需的性能要求。
F1值曲线通常与接收者操作特征曲线（ROC曲线）一起使用，以帮助评估和比较不同模型的性能。它们提供了更全面的分类器性能分析，可以根据具体应用场景来选择合适的模型和阈值设置。