Springboot 整合 Java DL4J 實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)(推薦)
Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)
一、引言
農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測至關(guān)重要,它直接關(guān)系到消費者的健康和農(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)量檢測方法存在諸多局限性。人工感官檢測雖然簡單快速,但對檢測人員的經(jīng)驗和技術(shù)要求較高,且主觀性強,準(zhǔn)確性難以保證?;瘜W(xué)分析方法操作復(fù)雜,耗時費力,而且需要專業(yè)的實驗室設(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,維護成本高,不適合大規(guī)模的農(nóng)產(chǎn)品檢測。
隨著技術(shù)的不斷發(fā)展,圖像識別技術(shù)在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測中發(fā)揮著越來越重要的作用。本文將介紹如何使用 Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 構(gòu)建一個農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng),以檢測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 是一個用于快速構(gòu)建獨立、生產(chǎn)級別的 Spring 應(yīng)用程序的框架。它簡化了 Spring 應(yīng)用程序的開發(fā),提供了自動配置、起步依賴和內(nèi)置服務(wù)器等功能,使開發(fā)人員能夠更專注于業(yè)務(wù)邏輯的實現(xiàn)。
- Java Deeplearning4j:Deeplearning4j 是一個基于 Java 的深度學(xué)習(xí)庫,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。
- 圖像識別技術(shù):圖像識別是指計算機對圖像中的目標(biāo)進行檢測、分類和識別的技術(shù)。在農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測中,圖像識別技術(shù)可以通過分析水果的外觀特征,如顏色、形狀、大小和紋理等,來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)來實現(xiàn)水果的成熟度和缺陷檢測。選擇 CNN 的理由在于它在圖像識別任務(wù)中表現(xiàn)出色,通過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)有以下幾個重要理由:
- 強大的圖像特征提取能力:CNN 能夠自動從圖像中提取豐富的特征,如邊緣、紋理、形狀等。對于農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測,這些特征對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有破損的邊緣或者異常的顏色分布。CNN 可以通過卷積層和池化層的組合,有效地提取這些特征,從而提高檢測的準(zhǔn)確性。
- 對水果質(zhì)量檢測的適用性:水果的質(zhì)量檢測主要依賴于對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)確地進行檢測。
- 大量的成功案例和研究支持:在圖像識別領(lǐng)域,CNN 已經(jīng)取得了巨大的成功。許多研究和實際應(yīng)用都證明了 CNN 在物體識別、目標(biāo)檢測、圖像分割等任務(wù)中的有效性。在水果質(zhì)量檢測方面,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 對水果的成熟度進行分類,準(zhǔn)確率高達 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)。
- 可擴展性和靈活性:CNN 可以根據(jù)不同的需求進行擴展和調(diào)整。我們可以通過增加卷積層和全連接層的數(shù)量來提高模型的復(fù)雜度和性能,也可以通過調(diào)整卷積核的大小和數(shù)量來適應(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)、生成對抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)等,以進一步提高水果質(zhì)量檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。
四、數(shù)據(jù)集格式
4.1 數(shù)據(jù)集來源
我們可以從互聯(lián)網(wǎng)上下載公開的水果圖像數(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,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)可以采用分類存儲的方式,例如按照水果種類、成熟度等級等進行分類存儲。
數(shù)據(jù)集通常以圖像文件的形式存儲,每個圖像文件對應(yīng)一個水果樣本。圖像文件可以采用常見的圖像格式,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)簽進行分類存儲,例如,可以將成熟的水果圖像存儲在一個文件夾中,將有缺陷的水果圖像存儲在另一個文件夾中。
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節(jié)特征。色彩模式采用 RGB 模式,能夠真實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)量檢測的準(zhǔn)確性。
4.3 樣例表格
以下是一個簡單的數(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)實現(xiàn)
5.1 Maven 依賴
在使用 Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 時,需要在項目的 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)集并進行預(yù)處理??梢允褂?Deeplearning4j 的DataSetIterator接口來加載圖像數(shù)據(jù)集,并對圖像進行歸一化和數(shù)據(jù)增強等預(yù)處理操作。以下是一個示例代碼:
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,我們需要構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型并進行訓(xùn)練??梢允褂?Deeplearning4j 的MultiLayerConfiguration和MultiLayerNetwork類來構(gòu)建和訓(xùn)練模型。以下是一個示例代碼:
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)測和評估
最后,我們可以使用訓(xùn)練好的模型對新的水果圖像進行預(yù)測,并評估模型的性能。以下是一個示例代碼:
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、單元測試
為了確保代碼的正確性和可靠性,我們可以編寫單元測試來測試數(shù)據(jù)加載、模型構(gòu)建和訓(xùn)練、模型預(yù)測和評估等功能。以下是一個示例單元測試代碼:
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)具體的評估指標(biāo)進行斷言
}
}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)集并進行歸一化和數(shù)據(jù)增強等預(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)模型并進行訓(xùn)練,輸出訓(xùn)練過程中的損失函數(shù)值和準(zhǔn)確率等信息。
- 模型預(yù)測和評估:成功使用訓(xùn)練好的模型對新的水果圖像進行預(yù)測,并輸出模型的評估指標(biāo),如準(zhǔn)確率、召回率和 F1 值等。
八、參考資料文獻
到此這篇關(guān)于Springboot 整合 Java DL4J 實現(xiàn)農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)的文章就介紹到這了,更多相關(guān)Springboot 農(nóng)產(chǎn)品質(zhì)量檢測系統(tǒng)內(nèi)容請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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