基于YOLOv8的缺陷检测任务模型训练

文章目录

一、引言
二、环境说明
三、缺陷检测任务模型训练详解
- [3.1 PCB数据集](#3.1 PCB数据集)
- - [3.1.1 数据集简介](#3.1.1 数据集简介)
  - [3.1.2 数据集下载](#3.1.2 数据集下载)
  - [3.1.3 构建yolo格式的数据集](#3.1.3 构建yolo格式的数据集)
- [3.2 基于ultralytics训练YOLOv8](#3.2 基于ultralytics训练YOLOv8)
- - [3.2.1 安装依赖包](#3.2.1 安装依赖包)
  - [3.2.2 ultralytics的训练规范说明](#3.2.2 ultralytics的训练规范说明)
  - [3.2.3 创建训练配置文件](#3.2.3 创建训练配置文件)
  - [3.2.4 下载预训练模型](#3.2.4 下载预训练模型)
  - [3.2.5 训练模型](#3.2.5 训练模型)
  - [3.2.6 训练结果](#3.2.6 训练结果)
四、基于YOLO8的PCB缺陷检测系统

一、引言

在当今快速发展的工业生产领域，自动化和智能化已成为提高生产效率和产品质量的关键因素。缺陷检测作为智能制造的重要组成部分，对于确保产品质量和降低生产成本具有重要意义。
随着计算机视觉技术的不断进步，基于深度学习的对象检测算法，尤其是YOLO（You Only Look Once）系列算法，因其速度快、精度高而在工业缺陷检测中得到了广泛应用。YOLOv8作为该系列的最新版本之一，以其更高效的网络结构和更准确的检测性能，为缺陷检测任务带来了新的突破。
本文将深入探讨基于YOLOv8的缺陷检测任务训练过程，从数据准备、模型训练到性能评估，全面解析如何利用这一先进技术提升工业缺陷检测的自动化水平。通过实际案例分析，本文旨在为相关领域的研究者和工程师提供实用的技术参考和指导。

注意：学习本文的训练过程需要相关的前置知识，如有需要可参考文章：Python基础（千锋篇）专栏介绍、 Jupyter Notebook、PyTorch

二、环境说明

本文介绍的训练过程，使用ModelScope 提供的Notebook的线上环境。分为CPU环境/GPU环境，均可使用。

ModelScope--我的Notebook

本文的YOLOv8的训练过程，使用了ultralytics 的训练技术方案。相关文档可参考：https://docs.ultralytics.com/modes/train/

三、缺陷检测任务模型训练详解

完整代码资源：https://download.csdn.net/download/weixin_44063529/89645813

3.1 PCB数据集

3.1.1 数据集简介

PCB缺陷检测数据集：印刷电路板（PCB）瑕疵数据集由北京大学发布，其中包含1386张图像以及6种缺陷（缺失孔，鼠标咬伤，开路，短路，杂散，伪铜），用于检测，分类和配准任务。我们选取了其中适用与检测任务的693张图像，下载内容包括JSON和VOC格式版。

3.1.2 数据集下载

shell 复制代码

!git lfs install
!git clone https://www.modelscope.cn/datasets/ModelBulider/PCB_DATASET_JSON.git

!tar -xvf ./PCB_DATASET_JSON/PCB_DATASET_JSON.tar

3.1.3 构建yolo格式的数据集

创建训练集与测试集的标签文件

python 复制代码

import json
import os

def refactor_data_format(json_path, yolo_paths):
    with open(json_path) as f:
        data = json.load(f)

    imgs = {}
    for img in data['images']:
        imgs[img['id']] = {
            'h': img['height'],
            'w': img['width'],
            'file_name': img['file_name'],
        }


    tmp = ''
    for anno in data['annotations']:
        print(imgs[anno['image_id']]['file_name'])
        txt_path = os.path.join(yolo_paths, imgs[anno['image_id']]['file_name'].split('.')[0] + '.txt')
        with open(txt_path, 'w') as txt_file:
            if imgs[anno['image_id']] != tmp:
                # xywh --> xywh(归一化)
                bbox = [anno['bbox'][0] / imgs[anno['image_id']]['w'],
                        anno['bbox'][1] / imgs[anno['image_id']]['h'],
                        anno['bbox'][2] / imgs[anno['image_id']]['w'],
                            anno['bbox'][3] / imgs[anno['image_id']]['h']]

                cls_id = anno['category_id'] - 1
                # 保存
                txt_file.write(str(cls_id) + ' ' +" ".join([str(a) for a in bbox])+"\n")  # 生成格式0 cx,cy,w,h
                tmp = imgs[anno['image_id']]

            else:
                # xywh --> xywh(归一化)
                bbox = [anno['bbox'][0] / imgs[anno['image_id']]['w'],
                        anno['bbox'][1] / imgs[anno['image_id']]['h'],
                        anno['bbox'][2] / imgs[anno['image_id']]['w'],
                            anno['bbox'][3] / imgs[anno['image_id']]['h']]

                cls_id = anno['category_id'] - 1
                # 保存
                txt_file.write(str(cls_id) + ' ' +" ".join([str(a) for a in bbox])+"\n")  # 生成格式0 cx,cy,w,h    

# 生成训练与测试的label文件（.txt）
train_json_path = "./PCB_DATASET/Annotations/train.json"
train_yolo_paths = "./datasets/PCB_DATASET/labels/train2024"

val_json_path = "./PCB_DATASET/Annotations/val.json"
val_yolo_paths = "./datasets/PCB_DATASET/labels/val2024"

if not os.path.exists(train_yolo_paths):
    os.makedirs(train_yolo_paths)

if not os.path.exists(val_yolo_paths):
    os.makedirs(val_yolo_paths)

refactor_data_format(train_json_path, train_yolo_paths)
refactor_data_format(val_json_path, val_yolo_paths)

创建训练集与测试集的数据集

python 复制代码

import os
import shutil

Images_path = r'./PCB_DATASET/images'  # 源图路径

train_labels = r'./datasets/PCB_DATASET/labels/train2024'  # train标签路径
val_labels = r'./datasets/PCB_DATASET/labels/val2024'  # val标签路径

train_images = r'./datasets/PCB_DATASET/images/train2024'  # 保存train图像路径
val_images = r'./datasets/PCB_DATASET/images/val2024'  # 保存val图像路径

if not os.path.exists(train_images):
    os.makedirs(train_images)

if not os.path.exists(val_images):
    os.makedirs(val_images)

# 判断文件夹是否存在，不存在即创建
if not os.path.exists(train_images):
    os.mkdir(train_images)
if not os.path.exists(val_images):
    os.mkdir(val_images)


# 按照标签名移动对应图像
for label_name in os.listdir(train_labels):
    img_name = label_name[:-3] + 'jpg'
    shutil.move(os.path.join(Images_path, img_name), os.path.join(train_images, img_name))


for label_name in os.listdir(val_labels):
    img_name = label_name[:-3] + 'jpg'
    shutil.move(os.path.join(Images_path, img_name), os.path.join(val_images, img_name))

3.2 基于ultralytics训练YOLOv8

3.2.1 安装依赖包

shell 复制代码

!pip install ultralytics

3.2.2 ultralytics的训练规范说明

YOLO训练标签示例如下（转换目标）：

text 复制代码

类别id 归一化后框中心点x坐标 归一化后框中心点y坐标 归一化后框的宽度 归一化后框的高度

训练YOLOv8时，需要存放数据集的目录结构如下（图像与标签路径必须对应）：

text 复制代码

├─datasets
│  ├─images
│  │  ├─train2024   # jpg/png 训练集图片
│  │  └─val2024     # jpg/png 验证集图片
│  ├─labels
│  │  ├─train2024   # txt 训练集标签
│  │  └─val2024     # txt 验证集标签

3.2.3 创建训练配置文件

python 复制代码

content = """path: ./PCB_DATASET # 数据集的根目录
train: images/train2024 # train images
val: images/val2024 # val images

# 分类类别
names:
  0: missing_hole
  1: mouse_bite
  2: open_circuit
  3: short
  4: spur
  5: spurious_copper
"""

with open(r"dataset.yaml", mode='w', encoding='UTF-8') as f:
    f.write(content)

3.2.4 下载预训练模型

python 复制代码

# 下载预训练的yolo8模型
import os
from modelscope.hub.api import HubApi
api = HubApi()
api.login('Your Modelscope SDK 令牌') # 通过访问：https://www.modelscope.cn/my/myaccesstoken 进行获取，需要提交下载申请

# 不同大小YOLO8模型下载
from modelscope import snapshot_download
model_dir = snapshot_download('ModelBulider/yolo8', local_dir="./modelscope_downloads")


yolo_version = 'yolov8l' # 选择训练使用yolo8的版本，可以在modelscope_downloads中查看所有的YOLO8版本
yolov8_model_path = os.path.abspath(os.path.join(model_dir, f'{yolo_version}.pt'))
print(yolov8_model_path)

YOLO8包含了各种大小版本的模型，各模型大小、性能等参数比较如下：
如需要下载，可CSDN私信联系博主，佛系回复敬请谅解~
可在yolo_version 处选择特定版本的YOLOv8预训练模型进行加载

3.2.5 训练模型

python 复制代码

import os
from ultralytics import YOLO

def download_train_file():
    """
    下载训练所需的文件
    """
    os.system("cp ./modelscope_downloads/Arial.ttf /root/.config/Ultralytics/")

if __name__ == '__main__':
    download_train_file()
    # Load a model
    # model = YOLO("yolov8n.yaml")  # build a new model from scratch
    model = YOLO(f'{yolo_version}.yaml').load(yolov8_model_path)  # load a pretrained model (recommended for training)

    # Use the model
    model.train(data="dataset.yaml", imgsz=640, batch=16, workers=8, cache=True, epochs=100)  # train the model
    metrics = model.val()  # evaluate model performance on the validation set
    # results = model("ultralytics\\assets\\bus.jpg")  # predict on an image
    path = model.export(format="onnx", opset=13)  # export the model to ONNX format

训练日志：

更多训练参数配置，可参考：https://docs.ultralytics.com/modes/train/

3.2.6 训练结果

训练产生的数据会生成在runs/detect/train路径下。其中，weight种存储了，训练过程中表现最好的模型参数（best.pt）以及最后一次训练得到的模型参数(last.pt)
训练结果验证

python 复制代码

from ultralytics import YOLO

# Load a model
model = YOLO(r'runs/detect/train/weights/best.pt')  # pretrained YOLOv8n model

# Run batched inference on a list of images
results = model([r"datasets/PCB_DATASET/images/train2024/01_missing_hole_01.jpg", 
                 r"datasets/PCB_DATASET/images/train2024/01_missing_hole_17.jpg"])  # return a list of Results objects

# Process results list
for idex, result in enumerate(results):
    boxes = result.boxes  # Boxes object for bounding box outputs
    masks = result.masks  # Masks object for segmentation masks outputs
    keypoints = result.keypoints  # Keypoints object for pose outputs
    probs = result.probs  # Probs object for classification outputs
    obb = result.obb  # Oriented boxes object for OBB outputs
    result.show()  # display to screen
    result.save(filename=f"result_{idex}.jpg")  # save to disk

四、基于YOLO8的PCB缺陷检测系统

使用训练得到模型，开发缺陷检测系统

在线体验：https://www.modelscope.cn/studios/ModelBulider/yolo_pcb_dec