Springboot 整合 Java DL4J 實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)(推薦)
Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)
一、引言
農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)至關(guān)重要,它直接關(guān)系到消費(fèi)者的健康和農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。然而,傳統(tǒng)的農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)方法存在諸多局限性。人工感官檢測(cè)雖然簡(jiǎn)單快速,但對(duì)檢測(cè)人員的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)要求較高,且主觀性強(qiáng),準(zhǔn)確性難以保證?;瘜W(xué)分析方法操作復(fù)雜,耗時(shí)費(fèi)力,而且需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)室設(shè)備和技術(shù)人員。儀器分析方法雖然能提供更準(zhǔn)確的質(zhì)量信息,但設(shè)備昂貴,維護(hù)成本高,不適合大規(guī)模的農(nóng)產(chǎn)品檢測(cè)。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,圖像識(shí)別技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用。本文將介紹如何使用 Spring Boot
整合 Java Deeplearning4j
構(gòu)建一個(gè)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng),以檢測(cè)水果的成熟度和缺陷,提高農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量。
二、技術(shù)概述
- Spring Boot:Spring Boot 是一個(gè)用于快速構(gòu)建獨(dú)立、生產(chǎn)級(jí)別的 Spring 應(yīng)用程序的框架。它簡(jiǎn)化了 Spring 應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā),提供了自動(dòng)配置、起步依賴和內(nèi)置服務(wù)器等功能,使開(kāi)發(fā)人員能夠更專注于業(yè)務(wù)邏輯的實(shí)現(xiàn)。
- Java Deeplearning4j:Deeplearning4j 是一個(gè)基于 Java 的深度學(xué)習(xí)庫(kù),支持多種深度學(xué)習(xí)算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。它提供了高效的數(shù)值計(jì)算和并行處理能力,適用于大規(guī)模數(shù)據(jù)的訓(xùn)練和推理。
- 圖像識(shí)別技術(shù):圖像識(shí)別是指計(jì)算機(jī)對(duì)圖像中的目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)、分類和識(shí)別的技術(shù)。在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中,圖像識(shí)別技術(shù)可以通過(guò)分析水果的外觀特征,如顏色、形狀、大小和紋理等,來(lái)判斷水果的成熟度和缺陷。
三、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇
在本案例中,我們選擇使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network
,CNN
)來(lái)實(shí)現(xiàn)水果的成熟度和缺陷檢測(cè)。選擇 CNN 的理由在于它在圖像識(shí)別任務(wù)中表現(xiàn)出色,通過(guò)卷積層和池化層的結(jié)構(gòu)能夠高效地從圖像中提取特征,如邊緣、紋理和形狀等,非常適合處理農(nóng)產(chǎn)品圖像。
選擇卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有以下幾個(gè)重要理由:
- 強(qiáng)大的圖像特征提取能力:CNN 能夠自動(dòng)從圖像中提取豐富的特征,如邊緣、紋理、形狀等。對(duì)于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè),這些特征對(duì)于判斷水果的成熟度和缺陷至關(guān)重要。例如,成熟的水果通常顏色更加鮮艷,紋理更加清晰,而有缺陷的水果可能會(huì)有破損的邊緣或者異常的顏色分布。CNN 可以通過(guò)卷積層和池化層的組合,有效地提取這些特征,從而提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
- 對(duì)水果質(zhì)量檢測(cè)的適用性:水果的質(zhì)量檢測(cè)主要依賴于對(duì)水果外觀特征的分析。CNN 非常適合處理圖像數(shù)據(jù),能夠準(zhǔn)確地識(shí)別水果的形狀、顏色、大小等特征,從而判斷水果的成熟度和是否有缺陷。此外,CNN 對(duì)圖像的平移、旋轉(zhuǎn)和縮放具有一定的不變性,這意味著即使水果的位置、角度或大小有所變化,CNN 仍然能夠準(zhǔn)確地進(jìn)行檢測(cè)。
- 大量的成功案例和研究支持:在圖像識(shí)別領(lǐng)域,CNN 已經(jīng)取得了巨大的成功。許多研究和實(shí)際應(yīng)用都證明了 CNN 在物體識(shí)別、目標(biāo)檢測(cè)、圖像分割等任務(wù)中的有效性。在水果質(zhì)量檢測(cè)方面,也有許多研究使用 CNN 取得了良好的效果。例如,一些研究使用 CNN 對(duì)水果的成熟度進(jìn)行分類,準(zhǔn)確率高達(dá) 90% 以上。這些成功案例和研究支持為我們選擇 CNN 提供了有力的依據(jù)。
- 可擴(kuò)展性和靈活性:CNN 可以根據(jù)不同的需求進(jìn)行擴(kuò)展和調(diào)整。我們可以通過(guò)增加卷積層和全連接層的數(shù)量來(lái)提高模型的復(fù)雜度和性能,也可以通過(guò)調(diào)整卷積核的大小和數(shù)量來(lái)適應(yīng)不同的圖像特征。此外,CNN 還可以與其他深度學(xué)習(xí)技術(shù)相結(jié)合,如循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RNN)、生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)等,以進(jìn)一步提高水果質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。
四、數(shù)據(jù)集格式
4.1 數(shù)據(jù)集來(lái)源
我們可以從互聯(lián)網(wǎng)上下載公開(kāi)的水果圖像數(shù)據(jù)集,也可以自己采集水果圖像數(shù)據(jù)。在采集數(shù)據(jù)時(shí),應(yīng)確保數(shù)據(jù)的多樣性和代表性,包括不同種類、不同成熟度和不同缺陷的水果圖像。
4.2 數(shù)據(jù)集格式
我們將收集包含正常和異常農(nóng)產(chǎn)品圖像的數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集中的每張圖像都將與相關(guān)的標(biāo)簽信息關(guān)聯(lián),如水果的成熟度、是否有缺陷等。目錄結(jié)構(gòu)可以采用分類存儲(chǔ)的方式,例如按照水果種類、成熟度等級(jí)等進(jìn)行分類存儲(chǔ)。
數(shù)據(jù)集通常以圖像文件的形式存儲(chǔ),每個(gè)圖像文件對(duì)應(yīng)一個(gè)水果樣本。圖像文件可以采用常見(jiàn)的圖像格式,如 JPEG
、PNG
等。為了方便管理和使用數(shù)據(jù)集,我們可以將圖像文件按照不同的類別和標(biāo)簽進(jìn)行分類存儲(chǔ),例如,可以將成熟的水果圖像存儲(chǔ)在一個(gè)文件夾中,將有缺陷的水果圖像存儲(chǔ)在另一個(gè)文件夾中。
數(shù)據(jù)集中的圖像采用高分辨率格式,通常為 224x224
像素或更高,以確保能夠清晰地捕捉水果的細(xì)節(jié)特征。色彩模式采用 RGB
模式,能夠真實(shí)地反映水果的顏色信息。這樣的設(shè)置有助于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)更好地提取圖像特征,提高水果質(zhì)量檢測(cè)的準(zhǔn)確性。
4.3 樣例表格
以下是一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)集樣例表格,展示了水果圖像的文件名、類別和標(biāo)簽:
文件名 | 類別 | 標(biāo)簽 |
---|---|---|
apple1.jpg | 蘋果 | 成熟 |
apple2.jpg | 蘋果 | 有缺陷 |
banana1.jpg | 香蕉 | 成熟 |
banana2.jpg | 香蕉 | 未成熟 |
4.4 目錄結(jié)構(gòu)
以下是一個(gè)可能的數(shù)據(jù)集目錄結(jié)構(gòu):
dataset/ ├── apples/ │ ├── mature/ │ │ ├── apple1.jpg │ │ ├── apple2.jpg │ │ └──... │ └── defective/ │ ├── apple3.jpg │ ├── apple4.jpg │ └──... ├── bananas/ │ ├── mature/ │ │ ├── banana1.jpg │ │ ├── banana2.jpg │ │ └──... │ └── unripe/ │ ├── banana3.jpg │ ├── banana4.jpg │ └──... └──...
五、技術(shù)實(shí)現(xiàn)
5.1 Maven 依賴
在使用 Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 時(shí),需要在項(xiàng)目的 pom.xml 文件中添加以下 Maven 依賴:
<dependency> <groupId>org.deeplearning4j</groupId> <artifactId>deeplearning4j-core</artifactId> <version>1.0.0-M1.4</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.deeplearning4j</groupId> <artifactId>deeplearning4j-nn</artifactId> <version>1.0.0-M1.4</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.deeplearning4j</groupId> <artifactId>deeplearning4j-ui</artifactId> <version>1.0.0-M1.4</version> </dependency> <dependency> <groupId>org.springframework.boot</groupId> <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId> </dependency>
5.2 數(shù)據(jù)加載和預(yù)處理
首先,我們需要加載數(shù)據(jù)集并進(jìn)行預(yù)處理。可以使用 Deeplearning4j 的DataSetIterator
接口來(lái)加載圖像數(shù)據(jù)集,并對(duì)圖像進(jìn)行歸一化和數(shù)據(jù)增強(qiáng)等預(yù)處理操作。以下是一個(gè)示例代碼:
import org.datavec.image.loader.NativeImageLoader; import org.deeplearning4j.datasets.iterator.impl.ListDataSetIterator; import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.DataNormalization; import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.ImagePreProcessingScaler; import java.io.File; import java.util.ArrayList; import java.util.List; public class DataLoader { public static ListDataSetIterator loadData(String dataDirectory) { NativeImageLoader imageLoader = new NativeImageLoader(28, 28, 3); List<File> imageFiles = new ArrayList<>(); // 遍歷數(shù)據(jù)集目錄,收集圖像文件 File[] directories = new File(dataDirectory).listFiles(File::isDirectory); for (File directory : directories) { File[] files = directory.listFiles(); for (File file : files) { imageFiles.add(file); } } // 創(chuàng)建圖像數(shù)據(jù)集 float[][] images = new float[imageFiles.size()][28 * 28 * 3]; int[] labels = new int[imageFiles.size()]; for (int i = 0; i < imageFiles.size(); i++) { File imageFile = imageFiles.get(i); String label = imageFile.getParentFile().getName(); labels[i] = Integer.parseInt(label); float[] image = imageLoader.asMatrix(imageFile); images[i] = image; } // 數(shù)據(jù)歸一化 DataNormalization scaler = new ImagePreProcessingScaler(0, 1); scaler.fit(images); scaler.transform(images); // 創(chuàng)建數(shù)據(jù)集迭代器 return new ListDataSetIterator(images, labels, 10); } }
5.3 模型構(gòu)建和訓(xùn)練
接下來(lái),我們需要構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并進(jìn)行訓(xùn)練。可以使用 Deeplearning4j 的MultiLayerConfiguration
和MultiLayerNetwork
類來(lái)構(gòu)建和訓(xùn)練模型。以下是一個(gè)示例代碼:
import org.deeplearning4j.nn.conf.MultiLayerConfiguration; import org.deeplearning4j.nn.conf.NeuralNetConfiguration; import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.ConvolutionLayer; import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.DenseLayer; import org.deeplearning4j.nn.conf.layers.OutputLayer; import org.deeplearning4j.nn.multilayer.MultiLayerNetwork; import org.deeplearning4j.nn.weights.WeightInit; import org.nd4j.linalg.activations.Activation; import org.nd4j.linalg.lossfunctions.LossFunctions; public class FruitQualityDetector { public static MultiLayerNetwork buildModel() { MultiLayerConfiguration configuration = new NeuralNetConfiguration.Builder() .seed(123) .weightInit(WeightInit.XAVIER) .updater(org.deeplearning4j.nn.weights.WeightInit.XAVIER_UNIFORM) .list() .layer(0, new ConvolutionLayer.Builder(5, 5) .nIn(3) .stride(1, 1) .nOut(16) .activation(Activation.RELU) .build()) .layer(1, new ConvolutionLayer.Builder(3, 3) .stride(1, 1) .nOut(32) .activation(Activation.RELU) .build()) .layer(2, new DenseLayer.Builder() .nOut(512) .activation(Activation.RELU) .build()) .layer(3, new OutputLayer.Builder(LossFunctions.LossFunction.NEGATIVELOGLIKELIHOOD) .nOut(2) .activation(Activation.SOFTMAX) .build()) .build(); return new MultiLayerNetwork(configuration); } public static void trainModel(MultiLayerNetwork model, ListDataSetIterator iterator, int epochs) { model.init(); for (int i = 0; i < epochs; i++) { model.fit(iterator); iterator.reset(); } } }
5.4 模型預(yù)測(cè)和評(píng)估
最后,我們可以使用訓(xùn)練好的模型對(duì)新的水果圖像進(jìn)行預(yù)測(cè),并評(píng)估模型的性能。以下是一個(gè)示例代碼:
import org.deeplearning4j.nn.multilayer.MultiLayerNetwork; import org.deeplearning4j.eval.Evaluation; import org.nd4j.linalg.api.ndarray.INDArray; import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.DataNormalization; import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.ImagePreProcessingScaler; import org.datavec.image.loader.NativeImageLoader; import java.io.File; public class ModelEvaluator { public static void evaluateModel(MultiLayerNetwork model, String testDataDirectory) { NativeImageLoader imageLoader = new NativeImageLoader(28, 28, 3); File[] testFiles = new File(testDataDirectory).listFiles(); float[][] testImages = new float[testFiles.length][28 * 28 * 3]; int[] testLabels = new int[testFiles.length]; for (int i = 0; i < testFiles.length; i++) { File testFile = testFiles[i]; String label = testFile.getParentFile().getName(); testLabels[i] = Integer.parseInt(label); float[] image = imageLoader.asMatrix(testFile); testImages[i] = image; } DataNormalization scaler = new ImagePreProcessingScaler(0, 1); scaler.fit(testImages); scaler.transform(testImages); Evaluation evaluation = model.evaluate(new ListDataSetIterator(testImages, testLabels, 10)); System.out.println(evaluation.stats()); } }
六、單元測(cè)試
為了確保代碼的正確性和可靠性,我們可以編寫(xiě)單元測(cè)試來(lái)測(cè)試數(shù)據(jù)加載、模型構(gòu)建和訓(xùn)練、模型預(yù)測(cè)和評(píng)估等功能。以下是一個(gè)示例單元測(cè)試代碼:
import org.deeplearning4j.nn.multilayer.MultiLayerNetwork; import org.deeplearning4j.datasets.iterator.impl.ListDataSetIterator; import org.junit.jupiter.api.BeforeEach; import org.junit.jupiter.api.Test; import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertEquals; public class FruitQualityDetectorTest { private String dataDirectory; private MultiLayerNetwork model; private ListDataSetIterator iterator; @BeforeEach public void setUp() { dataDirectory = "path/to/dataset"; iterator = DataLoader.loadData(dataDirectory); model = FruitQualityDetector.buildModel(); } @Test public void testBuildModel() { assertEquals(4, model.getLayers().length); } @Test public void testTrainModel() { FruitQualityDetector.trainModel(model, iterator, 10); assertEquals(true, model.conf().getLayers()[0].getParam("W").isInitialized()); } @Test public void testEvaluateModel() { String testDataDirectory = "path/to/test/dataset"; ModelEvaluator.evaluateModel(model, testDataDirectory); // 可以根據(jù)具體的評(píng)估指標(biāo)進(jìn)行斷言 } }
七、預(yù)期輸出
- 數(shù)據(jù)加載和預(yù)處理:成功加載數(shù)據(jù)集并進(jìn)行歸一化和數(shù)據(jù)增強(qiáng)等預(yù)處理操作,輸出數(shù)據(jù)集的大小和標(biāo)簽分布等信息。
- 模型構(gòu)建和訓(xùn)練:成功構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并進(jìn)行訓(xùn)練,輸出訓(xùn)練過(guò)程中的損失函數(shù)值和準(zhǔn)確率等信息。
- 模型預(yù)測(cè)和評(píng)估:成功使用訓(xùn)練好的模型對(duì)新的水果圖像進(jìn)行預(yù)測(cè),并輸出模型的評(píng)估指標(biāo),如準(zhǔn)確率、召回率和 F1 值等。
八、參考資料文獻(xiàn)
到此這篇關(guān)于Springboot 整合 Java DL4J 實(shí)現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Springboot 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)系統(tǒng)內(nèi)容請(qǐng)搜索腳本之家以前的文章或繼續(xù)瀏覽下面的相關(guān)文章希望大家以后多多支持腳本之家!
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