科学技术与工程

参数	配置
图像大小	640×640
迭代次数	200
批量大小	16
优化器	SGD
初始学习率	0.01
学习率衰减因子	0.01
权重衰减	0.000 5
动量	0.937

参数	配置
图像大小	640×640
迭代次数	200
批量大小	16
优化器	SGD
初始学习率	0.01
学习率衰减因子	0.01
权重衰减	0.000 5
动量	0.937

船只类型	训练集/张	验证集/张	总计/张
矿砂船	1 508	168	1 676
散装货船	1 325	148	1 473
普通货船	1 188	133	1 321
集装箱货船	1 052	117	1 169
渔船	1 154	129	1 283
客运船	378	43	421
邮轮	795	89	884
大型货轮	1 513	169	1 682
帆船	202	23	225
其他类型	858	89	947
总计	9 973	1 108	11 081

船只类型	训练集/张	验证集/张	总计/张
矿砂船	1 508	168	1 676
散装货船	1 325	148	1 473
普通货船	1 188	133	1 321
集装箱货船	1 052	117	1 169
渔船	1 154	129	1 283
客运船	378	43	421
邮轮	795	89	884
大型货轮	1 513	169	1 682
帆船	202	23	225
其他类型	858	89	947
总计	9 973	1 108	11 081

YOLOv8n	C2f_DCN	GAM	准确率/%	召回率/%	mAP@0.5/ %	mAP@0.5: 0.95/%
√	—	—	93.1	86.1	91.8	73.1
√	√	—	94.7	86.3	91.4	73.1
√	—	√	95.4	87.4	91.4	73.5
√	√	√	96.4	87.3	92.2	74.1

YOLOv8n	C2f_DCN	GAM	准确率/%	召回率/%	mAP@0.5/ %	mAP@0.5: 0.95/%
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√	√	—	94.7	86.3	91.4	73.1
√	—	√	95.4	87.4	91.4	73.5
√	√	√	96.4	87.3	92.2	74.1

模型	Cls	Loc	Both	Duplicate	Bkg	Missed	FP	FN
YOLOv8	1.57	1.39	0.12	0.17	1.15	0.58	5.56	2.28
DGA-YOLOv8	1.60	1.19	0.14	0.18	1.10	0.65	5.53	2.08
提升	+0.03	-0.20	+0.02	+0.01	-0.05	+0.07	-0.03	-0.20

模型	Cls	Loc	Both	Duplicate	Bkg	Missed	FP	FN
YOLOv8	1.57	1.39	0.12	0.17	1.15	0.58	5.56	2.28
DGA-YOLOv8	1.60	1.19	0.14	0.18	1.10	0.65	5.53	2.08
提升	+0.03	-0.20	+0.02	+0.01	-0.05	+0.07	-0.03	-0.20

模型	准确率/ %	召回率/ %	mAP@0.5/ %	mAP@0.5:0.95/ %
YOLOv8n	93.1	86.1	91.8	73.1
+SE	95.5	86.7	90.9	71.7
+ECA	93.9	84.9	91.1	72.5
+CBAM	92.9	87.2	91.4	72.6
+GAM	95.4	87.4	91.4	73.5

模型	准确率/ %	召回率/ %	mAP@0.5/ %	mAP@0.5:0.95/ %
YOLOv8n	93.1	86.1	91.8	73.1
+SE	95.5	86.7	90.9	71.7
+ECA	93.9	84.9	91.1	72.5
+CBAM	92.9	87.2	91.4	72.6
+GAM	95.4	87.4	91.4	73.5

模型	准确率/ %	召回率/ %	mAP@0.5/ %	FPS	体积/ MB
Faster R-CNN	86.5	77.7	86.9	8.00	108.00
YOLOv3	93.1	86.4	90.4	6.33	235.00
YOLOv5s	92.4	89.7	90.2	27.77	13.80
YOLOv7-tiny	92.1	85.3	91.0	38.81	11.70
YOLOv8n	93.1	86.1	91.8	43.11	5.98
CBAM-YOLOv8^[17]	91.6	87.8	91.1	52.18	7.00
YOLOv9s	95.3	87.6	91.1	24.13	19.30
YOLOv10n	95.5	85.9	90.6	65.79	5.53
DGA-YOLOv8	96.4	87.3	92.2	43.55	10.60

模型	准确率/ %	召回率/ %	mAP@0.5/ %	FPS	体积/ MB
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YOLOv3	93.1	86.4	90.4	6.33	235.00
YOLOv5s	92.4	89.7	90.2	27.77	13.80
YOLOv7-tiny	92.1	85.3	91.0	38.81	11.70
YOLOv8n	93.1	86.1	91.8	43.11	5.98
CBAM-YOLOv8^[17]	91.6	87.8	91.1	52.18	7.00
YOLOv9s	95.3	87.6	91.1	24.13	19.30
YOLOv10n	95.5	85.9	90.6	65.79	5.53
DGA-YOLOv8	96.4	87.3	92.2	43.55	10.60

基于改进YOLOv8的船只目标检测算法

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董从鑫 , 刘庆华 ^*

科学技术与工程 | 论文·自动化技术、计算机技术 2025,25(12): 5093-5102

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科学技术与工程 | 论文·自动化技术、计算机技术 2025, 25(12): 5093-5102

基于改进YOLOv8的船只目标检测算法

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董从鑫, 刘庆华^*

作者信息

桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541010

董从鑫(2001—),男,汉族,广西贺州人,硕士研究生。研究方向:目标检测。E-mail:2440701788@qq.com。

通讯作者:

* 刘庆华(1974—),女,汉族,四川南江人,博士,教授,博士研究生导师。研究方向:阵列信号处理。E-mail:qhliu@guet.edu.cn。

Ship Target Detection Algorithm Based on Improved YOLOv8

Cong-xin DONG, Qing-hua LIU^*

Affiliations

Information and Communication College, Guilin University of Electronic and Technology, Guilin 541010, China

出版时间: 2025-04-28 doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2403743

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摘要

收起

针对传统船只目标检测算法的精度较低、船只检测类别单一等问题,提出一种改进的DGA-YOLOv8海上船只目标检测算法。首先,网络采用可变形卷积扩大模型的感受野,通过引入可学习偏移量,使模型能够根据物体实际形状自适应调整感受野大小和形状,确保卷积区域能够精确覆盖船只物体的轮廓。其次,引入GAM(global attention mechanism)注意力机制,使网络能够有效突出船只目标的关键特征,提高目标识别能力。实验结果表明:改进后算法的精确度和平均精度均值(mAP)达到96.4%和92.2%,FPS(frame per second)为43.55,在提升精度的同时也保证了一定的检测速度,满足了实时性检测的需求。同时与其他主流算法对比,其中包括Faster R-CNN(faster region-based convolutional neural network)、YOLOv5s和YOLOv10等。结果表明:所提算法具有更高的平均精度和更显著的分类效果。

关键词

YOLOv8 / 船只目标检测 / 可变形卷积 / 注意力机制

Abstract

收起

An improved DGA-YOLOv8 offshore ship target detection algorithm was proposed to tackle the issues of low accuracy and single ship detection categories that are present in traditional ship target detection algorithms. Firstly, the network was adapted to include deformable convolution, which expanded the model's receptive field. Learnable offsets were introduced, allowing the model to adaptively adjust the size and shape of the receptive field in response to the actual shape of the object, ensuring that the convolution area can precisely cover the contour of the ship object. Secondly, the incorporation of a GAM(global attention mechanism) attention mechanism enabled the network to effectively emphasize the key features of ship targets, thereby enhancing the target recognition capability. The experimental results demonstrate that the improved algorithm achieves accuracy and average accuracy mean (mAP) of 96.4% and 92.2%, respectively. An frames per second(FPS) of 43.55 is recorded, indicating not only an enhancement in accuracy but also the maintenance of a certain detection speed, thus fulfilling the requirements for real-time detection. When compared with other mainstream algorithms, such as faster region-based convolutional neural network(Faster R-CNN) and YOLOv5s, YOLOv10. The results show that the proposed algorithm exhibits higher average accuracy and significant superior classification performance.

Key words

YOLOv8 / ship target detection / deformable convolution / attention mechanism

引用本文

董从鑫, 刘庆华. 基于改进YOLOv8的船只目标检测算法. 科学技术与工程, 2025 , 25 (12) : 5093 -5102 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2403743

Cong-xin DONG, Qing-hua LIU. Ship Target Detection Algorithm Based on Improved YOLOv8[J]. Science Technology and Engineering, 2025 , 25 (12) : 5093 -5102 . DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2403743

正文

收起

随着海上运输行业的不断发展,交通环境日渐变得复杂,船只失事等交通事故日趋增多。此外,由于海洋处于国家边境地带,常有船只走私、偷渡等危害国家安全利益的事态发生。因此,做好海上安防管理、船只监督与检测工作以及开展相关研究具有尤为重要的意义。

目前,常用海上船只目标检测的方法主要分为传统船只检测方法和基于深度学习的船只目标检测方法。传统船只检测方法主要包括使用合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)和通过卫星遥感图像等方式^[1]。石洪基等^[2]优化了SAR图像中的船只目标,改进区域卷积神经网络输入和目标候选框提取,实现了多分辨率SAR图像中密集分布、沿岸分布等场景下的船只检测。王程丽等^[3]针对SAR船只目标样本量少的问题,提出了一种基于VGG16迁移学习的识别方法。对模型进行参数微调,解决过拟合和局部最优问题,能够有效地提高SAR船只目标的识别准确率。刘方坚等^[4]提出的基于视觉显著性的NanoDet舰船检测方法,通过自动聚类划分场景、差异化显著性检测、优化模型学习显著性图特征实现SAR舰船图像的快速和高精确度检测效果。传统的方法虽然可以实现船只检测,但也有一定的缺陷,SAR的图像容易产生各种噪点,且易受到海岸线背景等因素影响;卫星遥感方式虽然具有相对直观的光学图像,但是易受天气条件影响,且无法准确识别出目标外形的特点。

随着深度学习技术的发展,深度学习模型具有更高的检测精度和实时性能,能够准确和高效地完成船只检测任务。在深度学习中,目标检测主要分为一阶段算法和二阶段算法^[5]。二阶段算法需要先产生候选区域,再进行目标检测任务,如R-CNN(region-based convolutional neural network)^[6]、Fast R-CNN(fast region-based convolutional neural network)^[7]和Faster R-CNN(faster region-based convolutional neural network)^[8]等。

一阶段算法可以同时完成分类和定位任务,YOLO系列以其优越的性能被广泛应用于目标检测领域。2016年,Redmon等^[9-10]提出了YOLOv1、YOLOv2算法,在此基础上,后续研究人员们提出了YOLOv3^[11]、YOLOv4^[12]、YOLOv5、YOLOv7^[13]等算法。李静等^[14]优化了YOLOv3模型中的K-means聚类算法,使聚类中心之间的距离最大化,实现全局最优结果,显著提升了船只目标检测的准确率,整体mAP(平均精度均值)提高了9.31%。Liu等^[15]基于YOLOv5算法,结合GhostbottleNet特征提取技术,优化特征提取过程,实现更高精度和实时性的船舶检测。Wang等^[16]提出了一种基于YOLOv4的船舶目标检测算法,通过优化锚框尺寸、调整模型结构和应用Mixup数据增强技术,提高了检测的准确性和实时性。Zhang^[17]提出了一种基于CBAM(convolutional block attention module)-YOLOv8的船舰目标检测算法,使用空间深度卷积提高特征利用率,加入CBAM注意力融合特征信息,并采用MPDIOU损失函数,实现了较高的精度和检测速度。

上述研究中,R-CNN系列算法虽然检测精度较高,但检测速度较低,不适用于实时检测任务,同时模型体积偏大,不利于在硬件上部署;使用YOLO系列算法的研究方案在应用于遥感图像处理时,无法准确识别到目标的外观形状等特点,同时对于船只较小或者图像分辨率较低时,难以准确检测,对船只的检测类别单一。因此,设计一种精度更高、分类效果更加显著的海上船只目标检测算法具有重要意义。

鉴于此,提出一种基于改进YOLOv8的船只目标检测算法DGA-YOLOv8,网络中使用可变形卷积DCNv2(deformable ConvNets v2)^[18],通过引入可学习的偏移量,使感受野不再是固定的矩形形状,能根据物体形状进行调整,调整后的卷积区域能够更好地覆盖物体形状周围,实现感受野的扩大。同时引入GAM(global attention mechanism)^[19]注意力机制,在特征提取后进行注意力的调整,丰富特征信息,提高检测精度。

1 DGA-YOLOv8

收起

1.1 网络结构

由于检测需要同时兼顾精度与速度,以YOLOv8系列中最轻量级的YOLOv8n模型为基线模型,并在此基础上加以改进,改进后的网络结构如图1所示。

将可变形卷积DCN和GAM注意力机制加入网络中,设计DGA-YOLOv8算法,对比原始的YOLOv8网络,DGA-YOLOv8进行以下改进。

(1)引入可变形卷积替换Bottleneck结构当中的传统卷积方式,设计C2f_DCN模块,将原始结构当中的Backbone和Neck部分结构的C2f模块改为C2f_DCN模块,使网络在应对不同尺度、形状的目标时能展现出更好的应对能力。将C2f_DCN模块放置于不同位置时,进行相关实验,如单独更改Backbone部分和单独更改Neck部分的C2f模块,最终可以产生最优的效果,如图1所示。

(2)在Backbone结构中融入注意力机制,将GAM注意力模块添加到SPPF结构前,增强主干网络的特征提取的能力;同时在Neck与Head的连接部分中,分别在3个Detect检测头前加入GAM注意力,增强了特征融合的能力,提高了细节信息的利用率。

在YOLOv8中加入可变形卷积DCN和GAM注意力机制后,网络的参数量和计算量分别增加2.3 M、1.2GFLOPs(每秒十亿次的浮点运算数),但其网络宽度和深度基本保持不变,同时增加量在网络中的占比有限,目的是通过引入少量的额外参数和计算量来实现模型的精度与性能提升。

1.2 C2f_DCN模块

可变形卷积通过在传统卷积的基础上引入可学习的偏移量来增加网络对船只物体形状的变化适应性,偏移量通过传统卷积计算得出,使得卷积核的采样位置可以根据特征图的内容进行动态调整。相比于传统卷积方式,可以更灵活地适应输入特征的变化,如图2所示。通过引入可变形卷积,网络模型可以更好地适应不同尺度、形状和角度的船只物体,有利于提高网络模型在船只检测中的性能和精度。

设输入特征图为x, w为卷积核,大小为3×3,y为输出特征图,可变形卷积的计算公式为

(1)y(p₀)=

∑ p n ∈ R'

w(p_n)x(p₀+p_n+Δp_n)

式(1)中:p₀为特征图上的每个像素点的位置;p_n为卷积核窗口中其他像素点与中心像素点的相对位置;Δp_n为位置偏移量;R'定义了卷积核大小以及卷积核周围像素点的偏移,可表示为

(2)R'={(-1,-1),(-1,0),…,(0,0),(1,1)}

在YOLOv8网络结构中,C2f模块中使用的传统卷积方式只能对规则的矩形区域进行特征提取,虽然在处理简单或规则的数据时效果良好,但针对海上复杂目标时无法完全拟合船只目标的形状和姿态。因此,在处理尺度不同、形状复杂的目标时,原本的网络具有一定的局限性,当出现噪声或者背景干扰时,漏检或错检的可能性会提升。

为提高模型对不同船只物体的特征提取能力和对复杂目标的适应能力,利用可变形卷积设计C2f_DCN模块,将原本C2f模块中的卷积方式用可变形卷积替换,其结构如图3、图4所示。首先对输入的特征图进行卷积操作改变通道数,再通过Split操作切分特征,接着通过堆叠多个可变形卷积模块来扩大网络的感受野。使用可变形卷积可以自适应地调整采样点的位置,从而不断调节感受野的尺寸和大小,使网络能够更好地适应输入特征的几何变化,捕获到更多的对象信息。

1.3 GAM注意力机制

在网络中引入注意力机制来增强网络对船只的特征提取能力。注意力机制可以有效帮助模型聚焦于输入图像中最有信息量的部分,并忽略掉无关的背景信息,使模型能获取到更多有效的特征。在网络模型中加入GAM注意力机制,有助于模型更好地捕捉全局信息,提高特征的表达能力。其模块结构如图5所示,其结合了通道注意力机制和空间注意力机制两部分,不仅能够关注通道信息,同时还重视空间信息,能够在减少信息弥散的情况下,同时放大全局维度交互特征^[19]。输入特征图为F₁,先后经过通道注意力模块和空间注意力模块计算生成通道权重和空间权重,将通道权重和空间权重应用到原始特征图上,得到输出特征图F₃。

通道注意力子模块结构如图6所示,对于给定的输入特征图F₁,将特征图从原本的C×W×H(其中,C为通道数,W为宽度,H为高度)进行维度转换为W×H×C,将维度转换后的特征图经过多层感知机MLP,再转换回原来的维度,之后经过Sigmoid激活函数输出。

空间注意力子模块结构如图7所示,将经过通道注意力子模块的输出特征图F₂依次经过两次7×7的卷积进行特征信息融合,最后再通过Sigmoid输出。

整个过程的定义为

(3)$F_{2}=M_{\mathrm{c}}\left(F_{1}\right) \otimes F_{1}$

(4)$F_{3}=M_{\mathrm{s}}\left(F_{2}\right) \otimes F_{2}$

式中:M_c为通道注意力模块;M_s为空间注意力模块;$\otimes$表示逐元素相乘。

2 实验环境配置

收起

本次实验在Windows10操作系统下进行,GPU使用NVIDIA TITAN RTX,显存为24 GB,采用Pytorch深度学习框架进行模型训练,运行环境为:CUDA 11.1、Python 3.8.18、Pytorch 1.9.0。

2.1 实验参数配置

基于对数据集特性、计算资源和硬件环境的综合考虑,将训练过程中的具体参数设置为如表1所示。为了满足算法结构并兼顾计算效率,将图像大小设置为640×640。训练200次足以使模型达到稳定的性能,避免了欠拟合或过拟合。批量大小选择为16,避免内存溢出;SGD在深度学习中有着良好的性能,因此选择SGD作为优化算法。初始学习率和学习率衰减因子设为0.01以加快初期训练并防止出现局部最优解。权重衰减值设为0.000 5以简化模型;动量值设为0.937可促进模型快速收敛。

2.2 数据集介绍

本次实验所使用的数据集为自制的海上船只数据集,其主要包括公开的SeaShips海上船只数据集7 000张、网络搜集图片、航道实拍船只图片等共计11 081张图片,具体数据分布如表2所示。

2.3 评价指标

为了验证网络模型的性能,本次实验主要采用准确率(precision,记为P)、召回率(recall,记为R)和平均精度均值mAP(mean average precision)对模型检测性能进行评估。其中准确率是指正确预测的样本(TP)在全部预测为正的样本结果中(TP+FP)所占的比例,其计算公式为

(5)P=

T P T P + F P

召回率则是指正确预测的样本数量(TP)在实际为正的样本数量(TP+FN)中所占的比例,其计算公式为

(6)R=

T P T P + F N

对于每个类别来说,P-R曲线与坐标轴所围成的面积即为该类别的平均精度值(AP),将各类别的AP取平均便得到mAP,即代表整个数据集中所有类别AP的均值,两者的计算公式分别为

(7)AP=

∫ 01

P(R)dR

(8)mAP=

1 N ∑ i = 1 N

AP_i

式中:N为数据集中样本的类别数;AP_i为第i个类别的平均精度值。

mAP值作为模型性能的核心指标,综合考虑了精确度和召回率,更能够提供一个全面且直观的评估。mAP@0.5为在IoU(intersection over union)阈值设为0.5时计算得到的模型的平均精度均值,mAP@0.5:0.95为在IoU阈值由0.5~0.95的区间(步长为0.05)内变化时,计算得到的模型的平均精度均值。

为了更全面地评估算法性能,使用TIDE(toolkit for identifying detection and segmentation errors)^[20],一个用于分析目标检测和实例分割算法中错误来源的框架和工具包。在TIDE中定义6种错误类型,如图8所示。

3 实验结果对比与分析

收起

主要进行消融实验和算法对比实验,在消融实验中,针对算法的不同模块进行系统性能测试与分析,观察到不同模块对最终性能产生的具体影响。将本文算法与现有的其他主流算法进行对比,通过在同一数据集上进行实验,比较不同算法在各关键指标上的表现。

3.1 消融实验

为了分析不同改进模块的有效性,进行消融实验,对比各个模块对检测模型性能的影响。表3为以YOLOv8n为基线模型,依次改进可变形卷积、全局注意力机制的方式进行消融实验的结果。

由表3可知,通过改进C2f_DCN,模型的精确度有了良好的提升,说明网络使用可变形卷积后,面对复杂的几何变换时能够保持稳定的性能,对目标特征的提取能力有了较好的提升。在加入GAM注意力模块之后,对模型的精确度有了进一步的提升,准确率和召回率分别提高了2.3%和1.3%,说明加入注意力能降低模型对目标的错检概率,能够更好地区分背景和船只目标,提升了模型的抗干扰能力。将C2f_DCN模块和GAM注意力机制同时加入网络时,形成DGA-YOLOv8方法,则准确率、召回率、mAP@0.5和mAP@0.5:0.95分别提升了3.3、1.2、0.4和1.0个百分点,实验结果表明,当C2f_DCN和GAM两者一起作用于网络时,取得了最优的效果。

图9为本文模型DGA-YOLOv8和YOLOv8模型在训练过程中的性能指标变化曲线,包括锚框损失、类别损失、mAP@0.5和mAP@0.5:0.95随着训练轮数的增加而变化的曲线。从图9中可以看出,DGA-YOLOv8与YOLOv8模型相比,其训练时的损失下降得更快,模型所需要的收敛时间更短。mAP的变化同样也表明本文模型性能更优于YOLOv8模型,并进一步证明将可变形卷积和GAM注意力机制加入网络中对提高性能有重要作用。

使用TIDE工具包计算YOLOv8算法和DGA-YOLOv8算法的各项错误类别,结果如表4所示。

从表4结果可以看出,改进后的模型降低了定位和背景检测的错误率。具体而言,使用可变形卷积能够帮助模型更好地定位目标物体,提高检测灵活性和准确性;注意力的引入使模型在检测过程中关注到更多重要信息,对目标和背景的区分能力更强。此外,改进后的模型在改善错检和漏检方面也有更出色的表现,其加入的可变卷积和注意力机制能提升特征提取能力和抗干扰能力,不仅减少了对目标的误判,提升识别的准确性,还能更全面地检测出目标,降低了错误率。

3.2 注意力机制对比实验

为了验证GAM注意力机制的有效性,在训练条件相同的前提下,与其他注意力机制进行了对比实验,结果如表5所示。

由表5可知,当网络中使用GAM注意力机制时,整体取得了最优的效果,具体而言,准确率、召回率和mAP@0.5:0.95分别提高了2.3、1.3和0.4个百分点,虽然mAP@0.5略有下降,但模型整体性能和效果上都得到了一定的优化。相比之下,加入SE(squeeze-and-excitation)^[21]、ECA(efficient channel attention)^[22]和CBAM(convolutional block attention module)^[23]注意力机制后,mAP@0.5和mAP@0.5:0.95均出现下降趋势,表明模型的性能有所降低。

3.3 算法对比实验

为了进一步验证本文算法的优势,将本文算法与其他目前较为热门的算法在同一数据集上、相同的训练参数下进行对比实验,结果如表6所示。

由表6可知,Faster R-CNN和YOLOv3算法的FPS值都偏低,并且模型体积都较大。YOLOv5s算法在精度和mAP上略低于YOLOv3,但其FPS值提高到了27.77,同时在模型大小上,比YOLOv3减少了221.2 MB,与前两者对比模型更加轻量化。YOLOv7-tiny在精确度和mAP上与YOLOv5并没有显著的差异,FPS上则有了较大的提升。YOLOv8n在召回率上虽比YOLOv5s略低,但其精确度和mAP值都有了一定的提升,同时模型的体积也得到缩减,检测速度显著得到了提高。文献[17]提出的CBAM-YOLOv8算法虽然参数量和计算量得到了一定的降低,模型得到了轻量化,但是精度却低于原始模型。YOLOv9s算法在准确率、mAP方面均不及本文算法,同时检测速度较低;YOLOv10n虽然在检测速度上达到最高,但准确率和mAP均略低于本文算法。所提出的DGA-YOLOv8模型精确度和mAP值提升到了96.4%和92.2%,同时FPS也较高,模型大小在YOLOv8n的基础上仅增加4.62 MB,与其他模型相比,本文模型在准确率和速度方面都有着良好的表现。

3.4 可视化分析

图10为检测过程中的TP(绿色框)、FP(蓝色框)和FN(红色框)的可视化结果。通过可视化结果,可以对模型检测性能的各个方面进行评估和分析。

由图10可知,原始的YOLOv8模型出现了较多的检错与漏检的现象,相比之下,所提出的DGA-YOLOv8算法在检错和漏检方面有了一定的改善。对于图中存在多数小目标船只的情况,本文算法对远处的小目标船只仍能实现正确的检测,提高了对小目标的识别准确性。其次,在漏检方面,改进后的算法能够检测出区域内的更多船只,检测的覆盖率得到了提高并降低了漏检率,同时对船只类别的分类效果更为准确。此外,从图10中可以看出,改进后的模型可以有效地从周围的环境干扰中将船只准确识别出来,对海上周围环境杂物有着更好的分辨能力。由此可见,所采取的改进方式不仅有效提升了模型的检测准确性,降低了误检和漏检的风险,同时还增强了模型对背景的抑制能力。

为了更直观地展示改进后的模型对特征提取能力的增强,使用Grad-CAM技术生成热力图进行展示。热力图可以直观地反映出模型所关注于特征图的哪些区域,通过这种可视化的方式,可以更好地了解模型用于预测的图像区域,图11为对比改进后模型与原始模型的特征提取过程。

由图11可知,YOLOv8模型对图像中的船只目标,其所关注的只有少数部分船只,且只关注到了整体目标中的局部位置,并没有对其余小目标的船只给予更多的关注。相较于基线模型,在涉及小目标船只的场景中,本文方法能够更加聚焦于所有存在目标的区域,展现出更高的关注度。对于尺寸更小的船只目标,本文方法的检测效果也更为出色,从而实现了更为精准的目标识别与定位。针对尺寸较大的船只,本文模型能够更精准地聚焦于船体部分,确保对目标区域的有效识别。此外,从图11中可以看出,YOLOv8模型在特征提取过程中受到部分背景区域的干扰。而本文方法则对背景干扰有着更好地抑制能力,能够更有效地将注意力集中在船只目标上。

4 结论

收起

基于YOLOv8提出一种改进的海上船只目标检测算法。该算法使用可变形卷积并设计C2f_DCN模块替换原始模型中的C2f结构,通过引入可变形卷积,扩大了模型的感受野,使模型在特征提取时能够自适应地调整感受野大小和形状,以更好地捕捉输入数据的关键特征。此外,通过嵌入GAM注意力机制,网络对重要特征的提取能力得到了强化,同时能够抑制不相关的背景信息的干扰,增强对关键信息的关注能力。实验结果表明,改进后模型的精确度和mAP分别提高至96.4%和92.2%,在原始模型的基础上都有了良好的提升;在一定程度上兼顾了准确度和速度,同时模型大小为10.6 MB,满足硬件平台的部署和实时检测的任务需求。然而,模型的泛化能力仍需进一步地验证,在面对不同场景的船只时,网络性能可能会受到影响,同时其检测精度还有继续提升的空间。

在未来研究中,针对模型在小目标和遮挡物检测方面中的不足,可进一步优化网络,提升这些方面的检测能力;同时探索更轻量化的模型,在减少参数量的同时提升检测速度和效率。

基金

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广西创新驱动发展专项(桂科AA21077008)

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2025年第25卷第12期

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doi: 10.12404/j.issn.1671-1815.2403743

接收时间：2024-05-21
首发时间：2025-07-09
出版时间：2025-04-28

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收稿日期：2024-05-21
修回日期：2025-01-22

基金

广西创新驱动发展专项(桂科AA21077008)

作者信息

桂林电子科技大学信息与通信学院, 桂林 541010

通讯作者:

* 刘庆华(1974—),女,汉族,四川南江人,博士,教授,博士研究生导师。研究方向:阵列信号处理。E-mail:qhliu@guet.edu.cn。

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2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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TxT

参数	配置
图像大小	640×640
迭代次数	200
批量大小	16
优化器	SGD
初始学习率	0.01
学习率衰减因子	0.01
权重衰减	0.000 5
动量	0.937

参数

配置

图像大小

640×640

迭代次数

200

批量大小

优化器

SGD

初始学习率

0.01

学习率衰减因子

0.01

权重衰减

0.000 5

动量

0.937

船只类型	训练集/张	验证集/张	总计/张
矿砂船	1 508	168	1 676
散装货船	1 325	148	1 473
普通货船	1 188	133	1 321
集装箱货船	1 052	117	1 169
渔船	1 154	129	1 283
客运船	378	43	421
邮轮	795	89	884
大型货轮	1 513	169	1 682
帆船	202	23	225
其他类型	858	89	947
总计	9 973	1 108	11 081

船只类型

训练集/张

验证集/张

总计/张

矿砂船

1 508

168

1 676

散装货船

1 325

148

1 473

普通货船

1 188

133

1 321

集装箱货船

1 052

117

1 169

渔船

1 154

129

1 283

客运船

378

421

邮轮

795

884

大型货轮

1 513

169

1 682

帆船

202

225

其他类型

858

947

总计

9 973

1 108

11 081

YOLOv8n	C2f_DCN	GAM	准确率/%	召回率/%	mAP@0.5/ %	mAP@0.5: 0.95/%
√	—	—	93.1	86.1	91.8	73.1
√	√	—	94.7	86.3	91.4	73.1
√	—	√	95.4	87.4	91.4	73.5
√	√	√	96.4	87.3	92.2	74.1

YOLOv8n

C2f_DCN

GAM

准确
率/%

召回
率/%

mAP@0.5/
%

mAP@0.5:
0.95/%

√

—

93.1

86.1

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73.1

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73.1

√

—

√

95.4

87.4

91.4

73.5

√

96.4

87.3

92.2

74.1

模型	Cls	Loc	Both	Duplicate	Bkg	Missed	FP	FN
YOLOv8	1.57	1.39	0.12	0.17	1.15	0.58	5.56	2.28
DGA-YOLOv8	1.60	1.19	0.14	0.18	1.10	0.65	5.53	2.08
提升	+0.03	-0.20	+0.02	+0.01	-0.05	+0.07	-0.03	-0.20

模型

Cls

Loc

Both

Duplicate

Bkg

Missed

YOLOv8

1.57

1.39

0.12

0.17

1.15

0.58

5.56

2.28

DGA-YOLOv8

1.60

1.19

0.14

0.18

1.10

0.65

5.53

2.08

提升

+0.03

-0.20

+0.02

+0.01

-0.05

+0.07

-0.03

-0.20

模型	准确率/ %	召回率/ %	mAP@0.5/ %	mAP@0.5:0.95/ %
YOLOv8n	93.1	86.1	91.8	73.1
+SE	95.5	86.7	90.9	71.7
+ECA	93.9	84.9	91.1	72.5
+CBAM	92.9	87.2	91.4	72.6
+GAM	95.4	87.4	91.4	73.5

模型

准确率/
%

召回率/
%

mAP@0.5/
%

mAP@0.5:0.95/
%

YOLOv8n

93.1

86.1

91.8

73.1

+SE

95.5

86.7

90.9

71.7

+ECA

93.9

84.9

91.1

72.5

+CBAM

92.9

87.2

91.4

72.6

+GAM

95.4

87.4

91.4

73.5

模型	准确率/ %	召回率/ %	mAP@0.5/ %	FPS	体积/ MB
Faster R-CNN	86.5	77.7	86.9	8.00	108.00
YOLOv3	93.1	86.4	90.4	6.33	235.00
YOLOv5s	92.4	89.7	90.2	27.77	13.80
YOLOv7-tiny	92.1	85.3	91.0	38.81	11.70
YOLOv8n	93.1	86.1	91.8	43.11	5.98
CBAM-YOLOv8^[17]	91.6	87.8	91.1	52.18	7.00
YOLOv9s	95.3	87.6	91.1	24.13	19.30
YOLOv10n	95.5	85.9	90.6	65.79	5.53
DGA-YOLOv8	96.4	87.3	92.2	43.55	10.60

模型

准确率/
%

召回率/
%

mAP@0.5/
%

FPS

体积/
MB

Faster R-CNN

86.5

77.7

86.9

8.00

108.00

YOLOv3

93.1

86.4

90.4

6.33

235.00

YOLOv5s

92.4

89.7

90.2

27.77

13.80

YOLOv7-tiny

92.1

85.3

91.0

38.81

11.70

YOLOv8n

93.1

86.1

91.8

43.11

5.98

CBAM-YOLOv8^[17]

91.6

87.8

91.1

52.18

7.00

YOLOv9s

95.3

87.6

91.1

24.13

19.30

YOLOv10n

95.5

85.9

90.6

65.79

5.53

DGA-YOLOv8

96.4

87.3

92.2

43.55

10.60