AI助力智慧农业，基于DETR【DEtection TRansformer】模型开发构建田间作物场景下庄稼作物、杂草检测识别系统

智慧农业随着数字化信息化浪潮的演变有了新的定义，在前面的系列博文中，我们从一些现实世界里面的所见所想所感进行了很多对应的实践，感兴趣的话可以自行移步阅读即可：

《自建数据集，基于YOLOv7开发构建农田场景下杂草检测识别系统》

《轻量级目标检测模型实战——杂草检测》

《激光除草距离我们实际的农业生活还有多远，结合近期所见所感基于yolov8开发构建田间作物杂草检测识别系统》

《基于yolov5的农作物田间杂草检测识别系统》

《AI助力智慧农业，基于YOLOv3开发构建农田场景下的庄稼作物、田间杂草智能检测识别系统》

《AI助力智慧农业，基于YOLOv4开发构建不同参数量级农田场景下庄稼作物、杂草智能检测识别系统》

《AI助力智慧农业，基于YOLOv5全系列模型【n/s/m/l/x】开发构建不同参数量级农田场景下庄稼作物、杂草智能检测识别系统》

《AI助力智慧农业，基于YOLOv6最新版本模型开发构建不同参数量级农田场景下庄稼作物、杂草智能检测识别系统》

《AI助力智慧农业，基于YOLOv7【tiny/yolov7/yolov7x】开发构建不同参数量级农田场景下庄稼作物、杂草智能检测识别系统》

《AI助力智慧农业，基于YOLOv8全系列模型【n/s/m/l/x】开发构建不同参数量级的识别系统》

自动化的激光除草，是未来大面积农业规划化作物种植生产过程中非常有效的技术手段，本文是AI助力智慧农业的第七篇系列博文，主要的目的就是想要基于DETR来开发构建检测模型，助力智能检测分析。

首先看下实例效果：

DETR (DEtection TRansformer) 是一种基于Transformer架构的端到端目标检测模型。与传统的基于区域提议的目标检测方法（如Faster R-CNN）不同，DETR采用了全新的思路，将目标检测问题转化为一个序列到序列的问题，通过Transformer模型实现目标检测和目标分类的联合训练。

DETR的工作流程如下：

输入图像通过卷积神经网络（CNN）提取特征图。
特征图作为编码器输入，经过一系列的编码器层得到图像特征的表示。
目标检测问题被建模为一个序列到序列的转换任务，其中编码器的输出作为解码器的输入。
解码器使用自注意力机制（self-attention）对编码器的输出进行处理，以获取目标的位置和类别信息。
最终，DETR通过一个线性层和softmax函数对解码器的输出进行分类，并通过一个线性层预测目标框的坐标。
DETR的优点包括：

端到端训练：DETR模型能够直接从原始图像到目标检测结果进行端到端训练，避免了传统目标检测方法中复杂的区域提议生成和特征对齐的过程，简化了模型的设计和训练流程。
不受固定数量的目标限制：DETR可以处理变长的输入序列，因此不受固定数量目标的限制。这使得DETR能够同时检测图像中的多个目标，并且不需要设置预先确定的目标数量。
全局上下文信息：DETR通过Transformer的自注意力机制，能够捕捉到图像中不同位置的目标之间的关系，提供了更大范围的上下文信息。这有助于提高目标检测的准确性和鲁棒性。
然而，DETR也存在一些缺点：

计算复杂度高：由于DETR采用了Transformer模型，它在处理大尺寸图像时需要大量的计算资源，导致其训练和推理速度相对较慢。
对小目标的检测性能较差：DETR模型在处理小目标时容易出现性能下降的情况。这是因为Transformer模型在处理小尺寸目标时可能会丢失细节信息，导致难以准确地定位和分类小目标。

接下来看下我们自己构建的数据集，共包含3000的数据量：

官方项目地址在这里，如下所示：

可以看到目前已经收获了超过1.2w的star量，还是很不错的了。

DETR整体数据流程示意图如下所示：

官方也提供了对应的预训练模型，可以自行使用：

本文选择的预训练官方权重是detr-r50-e632da11.pth，首先需要基于官方的预训练权重开发能够用于自己的个性化数据集的权重，如下所示：

pretrained_weights = torch.load("./weights/detr-r50-e632da11.pth")
num_class = 2 + 1
pretrained_weights["model"]["class_embed.weight"].resize_(num_class+1,256)
pretrained_weights["model"]["class_embed.bias"].resize_(num_class+1)
torch.save(pretrained_weights,'./weights/detr_r50_%d.pth'%num_class)

因为这里我的类别数量为2，所以num_class修改为：10+1，根据自己的实际情况修改即可。生成后如下所示：

终端执行：

python main.py --dataset_file "coco" --coco_path "/0000" --epoch 100 --lr=1e-4 --batch_size=32 --num_workers=0 --output_dir="outputs" --resume="weights/detr_r50_3.pth"

即可启动训练。训练启动如下：

训练完成如下所示：

Accumulating evaluation results...
DONE (t=0.40s).
IoU metric: bbox
 Average Precision  (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area=   all | maxDets=100 ] = 0.564
 Average Precision  (AP) @[ IoU=0.50      | area=   all | maxDets=100 ] = 0.855
 Average Precision  (AP) @[ IoU=0.75      | area=   all | maxDets=100 ] = 0.598
 Average Precision  (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.062
 Average Precision  (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.220
 Average Precision  (AP) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.679
 Average Recall     (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area=   all | maxDets=  1 ] = 0.513
 Average Recall     (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area=   all | maxDets= 10 ] = 0.693
 Average Recall     (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area=   all | maxDets=100 ] = 0.754
 Average Recall     (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= small | maxDets=100 ] = 0.067
 Average Recall     (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area=medium | maxDets=100 ] = 0.453
 Average Recall     (AR) @[ IoU=0.50:0.95 | area= large | maxDets=100 ] = 0.858
Training time 10:13:04

结果评估如下：

iter 000: mAP@50= 68.7, score=0.696, f1=0.770
iter 050: mAP@50= 83.1, score=0.831, f1=0.889
iter latest: mAP@50= 85.5, score=0.863, f1=0.904
iter 000: mAP@50= 68.7, score=0.696, f1=0.770
iter 050: mAP@50= 83.1, score=0.831, f1=0.889
iter latest: mAP@50= 85.5, score=0.863, f1=0.904

【Precision曲线】
精确率曲线（Precision-Recall 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。
【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。