RK3588 邊緣計(jì)算應(yīng)用：文冠果成熟度檢測(cè)

60 多年過去了，盡管輝光管已經(jīng)停產(chǎn)，有很多工程師仍然對(duì)它情有獨(dú)鐘。我用 8 塊液晶顯示屏制作了一個(gè)擬輝光管時(shí)鐘，感受復(fù)古元素的美感，表達(dá)對(duì)過去經(jīng)典的敬意。

文冠果是一種生長(zhǎng)于北方的木本油料樹種，其所產(chǎn)的高級(jí)木本食用油非常適合長(zhǎng)期儲(chǔ)存。目前傳統(tǒng)檢測(cè)文冠果的技術(shù)相對(duì)落后，并且存在人工檢測(cè)效率低的問題。香橙派5 Plus主控芯片為RK3588，它是瑞芯微電子推出的一款高性能芯片，該芯片集成了強(qiáng)大的CPU和NPU，提供高達(dá)6TOPS的算力，使其在復(fù)雜的視覺處理任務(wù)中表現(xiàn)卓越，特別適合機(jī)器視覺邊緣計(jì)算應(yīng)用。為了深入挖掘RK3588的視覺檢測(cè)潛力，我們將其應(yīng)用于農(nóng)業(yè)領(lǐng)域文冠果的成熟度檢測(cè)。這個(gè)任務(wù)涉及圖像識(shí)別中以文冠果為目標(biāo)的成熟度檢測(cè)，通過圖像分析來判斷文冠果的成熟狀態(tài)，從而為果農(nóng)提供有價(jià)值的信息。

設(shè)計(jì)方案

首先我們構(gòu)建了一個(gè)文冠果成熟度檢測(cè)系統(tǒng)，利用 RK3588 的計(jì)算能力實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化識(shí)別，檢測(cè)效果如圖 1 所示。系統(tǒng)首先使用攝像頭捕捉文冠果的圖像，然后通過預(yù)訓(xùn)練的深度學(xué)習(xí)模型對(duì)圖像進(jìn)行分析。模型能夠識(shí)別不同成熟度的果實(shí)，并根據(jù)成熟度等級(jí)提供相應(yīng)的反饋。當(dāng)系統(tǒng)識(shí)別到果實(shí)達(dá)到最佳采摘時(shí)期時(shí)，會(huì)發(fā)送通知給果農(nóng)，提示果實(shí)可以采摘。

這個(gè)任務(wù)要求系統(tǒng)能夠從攝像頭圖像中識(shí)別文冠果并準(zhǔn)確判斷其成熟度。由于一張圖像中可能包含多個(gè)不同成熟階段的文冠果，且每個(gè)文冠果的大小、形狀和顏色都不相同，因此這一任務(wù)融合了圖像分類與位置定位。要求在文冠果成熟度檢測(cè)中不僅能夠識(shí)別圖中的文冠果，還需要給出每個(gè)文冠果的具體位置和成熟度，這比單一的分類任務(wù)要復(fù)雜得多。Yolo 算法是一種創(chuàng)新的目標(biāo)檢測(cè)方法，其核心特點(diǎn)：一次性檢測(cè)、統(tǒng)一的框架以及實(shí)時(shí)處理能力。因此我們選用了較新的 Yolov8 算法。

硬件清單

本文用到的部分硬件清單見附表。

制作過程

本系統(tǒng)利用高清攝像頭對(duì)文冠果拍攝進(jìn)行樣本采集，通過 USB 接口傳輸至香橙派 5 Plus 邊緣計(jì)算平臺(tái)。在香橙派 5 Plus 上，將采集的文冠果圖片數(shù)據(jù)導(dǎo)入部署的 Yolov8 模型上，經(jīng)模型快速訓(xùn)練推理后，在顯示屏上呈現(xiàn)推理結(jié)果。系統(tǒng)流程如圖 2 所示。大家可以掃描目錄頁電子資源二維碼獲取程序文件。

第一步：進(jìn)行文冠果的樣本采集，實(shí)地拍攝樣本大于 1000 張。建議使用與實(shí)際拍攝時(shí)一致的手機(jī)、拍攝環(huán)境和拍攝角度，通過對(duì)照片進(jìn)行初步篩選，獲取不同時(shí)期的果實(shí)照片，如圖 3 所示。

第 二 步： 對(duì) 采 集 的 文冠 果 數(shù) 據(jù) 進(jìn) 行 標(biāo) 注， 安 裝Labelimg進(jìn)行數(shù)據(jù)集標(biāo)注。

（1）通過輸入 pip 命令，安裝 Labelimg 標(biāo)注軟件。

（2）配置 predefined_classes.txt，以便于提高標(biāo)注的速度。

（3）通過在終端輸入Labelimg 啟 動(dòng) 軟 件， 單 擊“Open Dir”打開照片所在的文件夾，單擊“ChangeSave Dir”將保存路徑設(shè)置為照片的原始路徑，并在 View 菜單中，修改為自動(dòng)保存模式（Auto Save Mode）。

（4） 我 們 將 文 冠 果 照 片 為 3 類，Immature標(biāo)簽為未成熟，Ripe 標(biāo)簽為成熟，可采摘標(biāo)簽為Bursts。按 W 鍵啟用標(biāo)注功能，用鼠標(biāo)畫出矩形方框，對(duì)果實(shí)進(jìn)行標(biāo)注，松開鼠標(biāo)后，并在彈出的菜單中選擇我們預(yù)先設(shè)定好的 3 類標(biāo)簽。重復(fù)以上步驟，將所有圖片標(biāo)注完成就組成了文冠果的數(shù)據(jù)集，標(biāo)注文冠果數(shù)據(jù)如圖 4 所示。

第三步：配置 Yolov8 環(huán)境訓(xùn)練模型。

（1）安裝 pytorch、ultralytics 等。

（2）分割數(shù)據(jù)集，運(yùn)行腳本 Split_Dataset.py，按照 8:2 的比例將文冠果數(shù)據(jù)集拆分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集，其中訓(xùn)練集用于訓(xùn)練 Yolov8 網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)權(quán)值，驗(yàn)證集用于驗(yàn)證訓(xùn)練的參數(shù)權(quán)重是否滿足文冠果成熟度的量化要求。

（3） 編 寫 配 置 文 件 train-config.yaml， 及訓(xùn) 練 腳 本 Yolo-train.py。 然 后 通 過 運(yùn) 行 python Yolo-train.py 命 令 進(jìn) 行 訓(xùn) 練， 等 待 訓(xùn) 練 結(jié) 束，Yolov8 模型訓(xùn)練結(jié)束，如圖 5 所示，展示了 3 種文冠果標(biāo)簽的訓(xùn)練結(jié)果。

第四步：轉(zhuǎn)化為 RKNN 模型部署至 RK3588。

（1）將 best.pt 文件導(dǎo)出為 ONNX 的通用模型文件，圖 6 所示為 ONNX 模型轉(zhuǎn)化完畢。

（2） 在 Ubuntu 20.04 系 統(tǒng) 中 安 裝 RKNNToolkit2 進(jìn)行模型轉(zhuǎn)換的環(huán)境準(zhǔn)備工作，再準(zhǔn)備所要用到的文件。

（3）使用 convert.py 對(duì) ONNX 模型進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)化為 RKNN 模型以方便部署。

（4）在香橙派板端利用 rknn-toolkit2-lite 的Python API 板端推理模型，通過運(yùn)行 Yolov8.py進(jìn)行模型推理。模型推理部分結(jié)果如圖 7 所示。

實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練

在數(shù)據(jù)集的準(zhǔn)備過程中，我們需要將文件的圖片隨機(jī)分配到 train（訓(xùn)練集）和 val（驗(yàn)證集）兩個(gè)文件夾中，用于模型的訓(xùn)練和驗(yàn)證。首先設(shè)置數(shù)據(jù)集劃分的比例，訓(xùn)練集占 80%，驗(yàn)證集占 20%。然后遍歷數(shù)據(jù)集文件夾下的所有圖像和對(duì)應(yīng)的標(biāo)注文件，并根據(jù)設(shè)定的比例隨機(jī)分配到訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。最后將圖像和標(biāo)注文件移動(dòng)到目標(biāo)文件夾中，確保每個(gè)圖像和其對(duì)應(yīng)的標(biāo)注文件一起被分配。具體實(shí)現(xiàn)如程序 1 所示。

在模型部署過程中，我們經(jīng)常需要將模型從一種格式轉(zhuǎn)換為另一種格式，以適應(yīng)不同的硬件平臺(tái)。例如，將 ONNX 格式的模型轉(zhuǎn)換為 RKNN 格式，以便RK3399Pro、RK1808 等在瑞芯微 NPU 上運(yùn)行。程序 2 描述了如何將 ONNX 模型轉(zhuǎn)換為 RKNN 模型，并通過提供的數(shù)據(jù)集來改進(jìn)模型的量化精度。

在目標(biāo)檢測(cè)的實(shí)際應(yīng)用中，我們需要加載訓(xùn)練好的模型，對(duì)圖像進(jìn)行推理和檢測(cè)。Yolov8.py 演示了如何加載 Yolov8 模型，并對(duì)指定的圖像進(jìn)行推理，提供了從模型加載、圖像預(yù)處理、推理、結(jié)果后處理到結(jié)果展示的完整流程，幫助我們?cè)诓煌钠脚_(tái)上快速部署和驗(yàn)證模型的性能，簡(jiǎn)化后主要的程序如程序 3 所示。

結(jié)語

深度學(xué)習(xí)一定需要很高的專業(yè)水平、很復(fù)雜的技術(shù)嗎？ RK3588 的高性能邊緣計(jì)算、廣泛應(yīng)用、易部署的優(yōu)勢(shì)，降低了嵌入式 AI 應(yīng)用落地的難度。在實(shí)際應(yīng)用中，這樣的系統(tǒng)可以幫助農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者更準(zhǔn)確地進(jìn)行收獲決策，優(yōu)化收獲時(shí)間和提高整體產(chǎn)量。如果你有一個(gè)好玩的基于目標(biāo)檢測(cè)的創(chuàng)意，進(jìn)行采樣、標(biāo)記、訓(xùn)練之后，Yolov8 算法會(huì)提供現(xiàn)成訓(xùn)練環(huán)境，完善的訓(xùn)練工具，就能為你的興趣和夢(mèng)想插上一雙翅膀。本項(xiàng)目由沈陽師范大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目資助，申請(qǐng)編號(hào)：202407035。