【Intel oneAPI实战】使用英特尔套件解决杂草-农作物检测分类的视觉问题

目录

• 一、简介：计算机视觉挑战------检测并清除杂草
• 二、基于YOLO的杂草-农作物检测分类
• • 2.1、YOLO简介
  • 2.2、基于YOLO的杂草-农作物检测分类解决方案
• 三、基于YOLO的杂草-农作物检测分类系统设计
• • 3.1、基于flask框架的demo应用程序后端
  • 3.2、基于Vue框架的demo应用程序前端
• [四、Intel oneAPI工具包使用](#四、Intel oneAPI工具包使用)
• 五、后续待完善的部分

科技是人类历史发展最具革命性的关键力量，而科技创新将是赢得未来发展主动权的必然选择。

如今，新一轮科技革命和产业革命正蓬勃兴起。它不再是单一科学领域、技术领域的突破，而是在信息技术、人工智能、新能源、新材料、生物医药等多领域、多赛道竞相迸发。

前段时间，我荣幸参加了英特尔和C站官方联合举办的[oneAPI的人工智能黑客松活动，并且第一次使用英特尔的官方套件来解决了杂草-农作物检测分类的问题，本篇博客将分享下解决方案和心得体会。

一、简介：计算机视觉挑战------检测并清除杂草

杂草是农业经营中不受欢迎的入侵者，它们通过窃取营养、水、土地和其他关键资源来破坏种植，这些入侵者会导致产量下降和资源部署效率低下。一种已知的方法是使用杀虫剂来清除杂草，但杀虫剂会给人类带来健康风险。

参赛者需运用英特尔® oneAPI AI分析工具包构建一个模型。该模型可以自动检测杂草的存在，并在杂草上而不是在作物上喷洒农药，同时使用针对性的修复技术将其从田地中清除，从而最小化杂草对环境的负面影响。

二、基于YOLO的杂草-农作物检测分类

2.1、YOLO简介

YOLO是一种基于深度学习的目标检测算法 ，全称是you only look once，指只需要浏览一次就可以识别出图中的物体的类别和位置。由Joseph Redmon等人于2016年提出。相比于传统的目标检测算法，如RCNN、Fast RCNN、Faster RCNN等，YOLO算法具有更快的检测速度和更高的准确率，因此在目标检测领域得到了广泛的应用。

因为只需要看一次，YOLO被称为Region-free方法，相比于Region-based方法，YOLO不需要提前找到可能存在目标的Region。

也就是说，一个典型的Region-base方法的流程是这样的：先通过计算机图形学（或者深度学习）的方法，对图片进行分析，找出若干个可能存在物体的区域，将这些区域裁剪下来，放入一个图片分类器中，由分类器分类。

YOLO算法的核心思想是将目标检测问题转化为一个回归问题，即通过一个神经网络直接预测目标的类别和位置。具体来说，YOLO算法将输入图像分成S×S个网格，每个网格预测B个边界框和每个边界框的置信度和类别概率。在预测时，YOLO算法将每个边界框的置信度和类别概率相乘，得到每个边界框的最终得分，然后根据得分进行非极大值抑制，得到最终的目标检测结果。

YOLO算法的优点在于它可以在一个神经网络中同时完成目标检测和分类，而且检测速度非常快，可以达到实时检测的要求。此外，YOLO算法还可以处理多个目标的检测，而且对于小目标的检测效果也比较好。

2.2、基于YOLO的杂草-农作物检测分类解决方案

基于YOLO，可以设计一种杂草-农作物的分类解决方案，具体来说，基于YOLO的杂草-农作物分类解决方案包括以下几个步骤：

1. 数据采集和处理。首先，需要采集大量的杂草和农作物的图像数据，并对这些数据进行处理和标注，以便后续的模型训练和测试。
2. 模型训练和测试 。在进行杂草-农作物的分类时，需要使用YOLO算法来训练分类模型，并对模型进行测试和评估，以确定其准确率和鲁棒性。
3. 应用和优化。在进行杂草-农作物的分类时，需要将训练好的模型应用到实际场景中，并优化精度和速度。

数据采集部分：赛道主办方已经为我们准备好了杂草-农作物数据集：https://filerepo.idzcn.com/hack2023/Weed_Detection5a431d7.zip

每张图片还包括一个指示类别和标记框的txt，其中第一个数值表示分类，0表示农作物，1表示杂草，如下所示：

模型的训练部分：我们参考ravirajsinh45大佬的代码作为baseline，这是一个深度学习模型Darknet，其中包含了多个卷积层、上采样层、shortcut层、route层和yolo层。其中，卷积层用于提取特征，上采样层用于将特征图的尺寸扩大，shortcut层用于实现跨层连接，route层用于将多个层的特征图拼接在一起，yolo层用于目标检测。模型的前向传播过程中，根据不同的层类型，对输入进行相应的处理，最终输出目标检测结果。模型的参数可以通过load_weights函数加载预训练的权重。

将赛题方提供的数据集导入其中，并进行简单配置，进行训练。

应用和优化：在训练成功后，我们将模型使用后端flask框架部署到服务器中，并写一个前端demo部署到客户端，模拟实际应用场景。

三、基于YOLO的杂草-农作物检测分类系统设计

3.1、基于flask框架的demo应用程序后端

后台需要设计两种功能，一种是上传图片，一种是分析图片

• /upload ：用于上传文件，接收 POST 请求，从请求中获取上传的文件，保存到服务器的 upload 目录下，并返回上传成功的信息。
• /analyze ：用于分析上传的图片，接收 POST 请求，调用 detection 函数（detection函数为调用之前训练好的模型）对上传的图片进行分析，将结果保存为 PNG 图像，并将 PNG 图像转换为 Base64 编码，最后将分析结果和 Base64 编码作为 JSON 格式的响应返回给客户端。

在 if __name__ == '__main__': 语句中，使用 app.run() 启动 Flask 应用程序，监听本地的 3031 端口，等待客户端的请求。

将其设计如下：

@app.route('/upload', methods=['POST'])
def upload():
    # 获取上传的文件
    if 'file' not in request.files:
        return '请选择文件'
    file = request.files['file']

    # 保存文件
    file.save('upload/'+'image.jpeg')

    # 返回成功信息
    return '文件上传成功'

@app.route('/analyze', methods=['POST'])
def analyze():
    res_cls_name, res_cls_conf = detection('upload/image.jpeg')

    # 打开结果PNG图像
    with open('result.png', 'rb') as f:
        image_data = f.read()

    # 将PNG图像转换为Base64编码
    base64_data = base64.b64encode(image_data).decode('utf-8')


    print(res_cls_name)
    print(res_cls_conf)
    response = {
        'message': 'File uploaded successfully',
        'res_cls_name': res_cls_name,
        'res_cls_conf': str(res_cls_conf.item()),
        'base64_data' : base64_data
    }

    return json.dumps(response), 200


if __name__ == '__main__':
    app.run(host='0.0.0.0', port=3031)

3.2、基于Vue框架的demo应用程序前端

构建一个基于 Vue.js 框架的前端页面，使用 Element Plus 组件库中的 el-upload 组件进行图片上传，分析结果会显示在页面的下侧，包括图片的分类名称、可信度和图片本身。其中，分类名称和可信度是通过调用后端 API 获取的，图片则是通过将后端返回的 Base64 编码转换为图片显示出来的，运行效果如下

：

运行效果：

运行后：

部分核心代码如下：

<template>
  <div class="content-main">
    <h1>Crop And Weed Detection</h1>
    <el-upload
      ref="upload"
      class="upload-demo"
      action="/api/upload"
      :on-preview="handlePreview"
      :on-remove="handleRemove"
      :on-exceed="handleExceed"
      list-type="picture"
      :limit=1
    >
      <template #trigger>
        <el-button type="primary">select file</el-button>
      </template>
      <!-- <el-button type="primary">Click to upload</el-button> -->
      <el-button type="success" :onclick="analyze">Click to Analyze</el-button>
      <template #tip>
        <div class="el-upload__tip">
          Only one image with a size less than 500kb can be uploaded at a time.
        </div>
        <div class="el-upload__tip">
          Click to Analyze and wait for a while.
        </div>
      </template>
    </el-upload>
  </div>
  <div class="content-result">
    <div><h1>判断结果</h1></div>
    <div><p>{{ "该图像为：" + classname }}</p></div>
    <div><p>{{ "可信度为：" + classconf }}</p></div>
    <el-image style="width: 600px" :src="'data:image/png;base64,'+ classurl"/>
  </div>
 
</template>

<script lang="ts" setup>
import { ref } from 'vue'
import { analyzeApi } from '../api/analyzeApi';
import { genFileId } from 'element-plus'
import type { UploadInstance, UploadProps, UploadRawFile } from 'element-plus'

const upload = ref<UploadInstance>()

let classname = ref("Waiting Analyze");
let classconf = ref("Waiting Analyze");
let classurl = ref();

const handleRemove: UploadProps['onRemove'] = (uploadFile, uploadFiles) => {
  console.log(uploadFile, uploadFiles)
  classname.value = "Waiting Analyze";
  classconf.value = "Waiting Analyze";
  classurl.value = "";

}
const handleExceed: UploadProps['onExceed'] = (files) => {
  upload.value!.clearFiles()
  const file = files[0] as UploadRawFile
  file.uid = genFileId()
  upload.value!.handleStart(file)
  upload.value!.submit()
  classname.value = "Waiting Analyze";
  classconf.value = "Waiting Analyze";
  classurl.value = "";
}
const handlePreview: UploadProps['onPreview'] = (file) => {
  console.log(file)
}

const analyze = (): number => {
   analyzeApi().then(function (result) {
     console.log(result.data);
     classname.value = result.data.res_cls_name;
     classconf.value = result.data.res_cls_conf;
     classurl.value = result.data.base64_data;
  });
  return 0;
} 
</script>

四、Intel oneAPI工具包使用

在算法实现过程中，我们使用到了oneAPI工具包，

英特尔相关软件具体使用如下：

• Intel Optimization for PyTorch ：使用到了英特尔优化过的PyTorch深度学习框架，以最少的代码更改应用 PyTorch 中尚未应用的最新性能优化，并自动混合 float32 和 bfloat16 之间的运算符数据类型精度，以减少计算工作量和模型大小。
• Interl Nerual Compressor ：使用Nerual Compressor自动执行流行的模型压缩技术，例如跨多个深度学习框架的量化、修剪和知识蒸馏。并通过自动精度驱动的调优策略快速收敛量化模型

检测部分的代码如下：

import torch
import torch.nn as nn
import intel_extension_for_pytorch as ipex
import numpy as np
import cv2

# 设置设备为GPU
device = torch.device("gpu")

# 使用 Intel PyTorch 扩展库优化模型
ipex.enable_auto_dnnl()

# 加载 YOLO 模型
model = ...  # YOLO 模型的加载代码，此处省略
model = model.to(device)
model.eval()

# 定义 COCO 类别标签
classes = [...]  # ，此处省略

# 加载图像
image_path = "test.jpg"  # 替换为自己的图像路径
image = cv2.imread(image_path)

# 预处理图像
image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
image = cv2.resize(image, (416, 416))
image = np.transpose(image, (2, 0, 1))
image = image.astype(np.float32) / 255.0
image = torch.from_numpy(image).unsqueeze(0).to(device)

# 执行目标检测
with torch.no_grad():
    detections = model(image)

# 后处理检测结果
# 此处省略

模型优化部分代码：

from neural_compressor.experimental import Quantization
quantizer = Quantization("./conf.yaml")
quantizer.model = model
quantizer.calib_dataloader = test_loader
quantizer.eval_dataloader = test_loader
q_model = quantizer()
q_model.save('./output')

在其中，Intel PyTorch 扩展库被用于优化模型的性能，通过ipex.enable_auto_dnnl()导入 Intel PyTorch 扩展库并启用了自动 DNNL（Deep Neural Network Library）优化可以帮助我们更高效地进行深度学习模型的训练和推理，提高模型的性能和效率。 Intel Neural Compressor 被使用来对模型进行量化，减小模型的大小并提高在低功耗设备上的推理速度，同时保持相对较高的准确率

同时，也可以帮助我们减少模型的大小和计算工作量，从而更好地适应不同的硬件和场景需求。

五、后续待完善的部分

系统集成：原型中只实现了模型训练和测试的基本功能，未能实现完整的系统集成。计划通过系统集成技术，将模型集成到完整的杂草检测系统中，实现端到端的杂草检测功能。

模型优化 ：原型中使用的模型精度和推理速度还有提升空间。计划继续深入学习Interl Optimization for PyTorch，优化模型计算工作量和模型大小，并继续深入学习Interl Nerual Compressor提高在 CPU 或 GPU 上部署的深度学习推理的速度