基于深度学习CNN算法的植物/中草药分类识别系统01--带数据集-pyqt5UI界面-全套源码

各位同学大家好，本次给大家分享的项目为：

基于深度学习算法的植物/中草药分类识别系统

项目文件获取地址：

百度网盘链接： https://pan.baidu.com/s/1BQks5xCYySzBqvrXTtOpvw?pwd=4t95 提取码: 4t95

一、项目摘要

本项目设计并实现一个基于深度学习算法的植物识别系统。该系统采用Mobilenet深度学习模型，利用网络采集的一个包含67类植物、共6877张图像的数据集，结合Pytorch框架进行模型训练和优化，通过准确率、损失值和混淆矩阵三种评价指标，验证了该系统的识别性能，并使用pyqt5库设计了图形用户界面（GUI），实现了便捷的植物识别和结果展示功能。

二、项目运行效果

运行效果视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1QgtVeDEDq

运行效果截图：

三、项目文件介绍

四、项目环境配置

1、项目环境库

python=3.8 pytorch pyqt5 opencv matplotlib 等

2、环境配置视频教程

1）anaconda下载安装教程
2）pycharm下载安装教程
3）项目环境库安装步骤教程

五、项目系统架构

该系统的主要功能模块如下：

1. 图像选择与上传模块： 用户界面的主页提供了一个“选择图像”按钮，用户点击后可以从本地设备选择需要识别的植物图像。系统支持常见的图像格式（如JPEG、PNG等），并将所选图像显示在界面中央，方便用户确认。
2. 图像处理与识别模块：当用户上传图像后，点击“开始检测”按钮，系统会调用Mobilenet模型对图像进行处理和识别。系统将在后台运行深度学习推断过程，识别时间较短，通常在几秒内完成。
   2.1 图像处理模块：
   用户上传图像后，系统会对输入的植物图像进行预处理。具体步骤包括：
   1）图像的尺寸调整：将输入图像的尺寸调整为模型所需的大小，即224×224像素。
   2）图像标准化：按照ImageNet预训练模型的标准，对图像的像素值进行归一化处理。
   2.2 模型预测模块：
   经过处理的图像输入到预训练的Mobilenet模型中进行预测。该系统采用了在Pytorch框架上训练的Mobilenet 模型，该模型能够在计算资源有限的环境中实现高效的植物识别。模型加载了之前在训练集上获得的最佳权重文件，并进行推断操作，输出分类结果。
3. 识别结果展示模块：识别完成后，系统会在界面的结果区域显示植物的名称、分类置信度以及对应的植物详细信息。

六、项目构建流程

1、数据集

数据集文件夹：all_data

概述：

在本系统中，使用了一个从网络上收集的植物图像数据集，包含67类不同种类的植物，共计6877张图像。

数据集格式及命令统一代码：to_rgb.py
(对数据集中的图像统一成rgb格式并进行统一规范命名）

2、算法网络Mobilenet

概述：
Mobilenet是专为移动设备和嵌入式系统设计的轻量化卷积神经网络。其主要特点在于采用了深度可分离卷积（Depthwise Separable Convolution）来减少计算量和参数数量，从而在资源受限的环境下实现高效的图像分类和识别。

算法代码为：models文件夹下的mobilenet.py

"""mobilenet in pytorch

[1] Andrew G. Howard, Menglong Zhu, Bo Chen, Dmitry Kalenichenko, Weijun Wang, Tobias Weyand, Marco Andreetto, Hartwig Adam

    MobileNets: Efficient Convolutional Neural Networks for Mobile Vision Applications
    https://arxiv.org/abs/1704.04861
"""

import torch
import torch.nn as nn


class DepthSeperabelConv2d(nn.Module):

    def __init__(self, input_channels, output_channels, kernel_size, **kwargs):
        super().__init__()
        self.depthwise = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(
                input_channels,
                input_channels,
                kernel_size,
                groups=input_channels,
                **kwargs),
            nn.BatchNorm2d(input_channels),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

        self.pointwise = nn.Sequential(
            nn.Conv2d(input_channels, output_channels, 1),
            nn.BatchNorm2d(output_channels),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

    def forward(self, x):
        x = self.depthwise(x)
        x = self.pointwise(x)

        return x


class BasicConv2d(nn.Module):

    def __init__(self, input_channels, output_channels, kernel_size, **kwargs):

        super().__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(
            input_channels, output_channels, kernel_size, **kwargs)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(output_channels)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)

    def forward(self, x):
        x = self.conv(x)
        x = self.bn(x)
        x = self.relu(x)

        return x


class MobileNet(nn.Module):

    def __init__(self, width_multiplier=1, class_num=100):
       super().__init__()

       alpha = width_multiplier
       self.stem = nn.Sequential(
           BasicConv2d(3, int(32 * alpha), 3, padding=1, bias=False),
           DepthSeperabelConv2d(
               int(32 * alpha),
               int(64 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           )
       )

       #downsample
       self.conv1 = nn.Sequential(
           DepthSeperabelConv2d(
               int(64 * alpha),
               int(128 * alpha),
               3,
               stride=2,
               padding=1,
               bias=False
           ),
           DepthSeperabelConv2d(
               int(128 * alpha),
               int(128 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           )
       )

       #downsample
       self.conv2 = nn.Sequential(
           DepthSeperabelConv2d(
               int(128 * alpha),
               int(256 * alpha),
               3,
               stride=2,
               padding=1,
               bias=False
           ),
           DepthSeperabelConv2d(
               int(256 * alpha),
               int(256 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           )
       )

       #downsample
       self.conv3 = nn.Sequential(
           DepthSeperabelConv2d(
               int(256 * alpha),
               int(512 * alpha),
               3,
               stride=2,
               padding=1,
               bias=False
           ),

           DepthSeperabelConv2d(
               int(512 * alpha),
               int(512 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           ),
           DepthSeperabelConv2d(
               int(512 * alpha),
               int(512 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           ),
           DepthSeperabelConv2d(
               int(512 * alpha),
               int(512 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           ),
           DepthSeperabelConv2d(
               int(512 * alpha),
               int(512 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           ),
           DepthSeperabelConv2d(
               int(512 * alpha),
               int(512 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           )
       )

       #downsample
       self.conv4 = nn.Sequential(
           DepthSeperabelConv2d(
               int(512 * alpha),
               int(1024 * alpha),
               3,
               stride=2,
               padding=1,
               bias=False
           ),
           DepthSeperabelConv2d(
               int(1024 * alpha),
               int(1024 * alpha),
               3,
               padding=1,
               bias=False
           )
       )

       self.fc = nn.Linear(int(1024 * alpha), class_num)
       self.avg = nn.AdaptiveAvgPool2d(1)

    def forward(self, x):
        x = self.stem(x)

        x = self.conv1(x)
        x = self.conv2(x)
        x = self.conv3(x)
        x = self.conv4(x)

        x = self.avg(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        x = self.fc(x)
        return x


def mobilenet(alpha=1, class_num=67):
    return MobileNet(alpha, class_num)

3、网络模型训练

训练代码为:train.py

• 超参数设置：输入图像尺寸：224×224。
• 优化器和损失函数：采用AdamW优化器，学习率设定为0.0001，损失函数为交叉熵损失函数。
• 训练轮数（Epoch）：模型训练共进行了300个epoch，每个epoch结束时，计算训练集和验证集的准确率，保存验证集准确率最高时的模型。（可自行修改）
• 批次大小（Batch Size）：16。（可自行修改）
• 学习率衰减：在训练过程中，采用学习率衰减策略，确保在模型逐渐收敛的过程中保持适当的更新步长。
  

import os
import argparse

import torch
import torch.optim as optim
import matplotlib.pyplot as plt
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from torchvision import transforms

from my_dataset import MyDataSet
from models.mobilenet import mobilenet as create_model
from utils import read_split_data, train_one_epoch, evaluate


def draw(train, val, ca):
    plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft YaHei']
    plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
    plt.cla() # 清空之前绘图数据
    plt.title('精确度曲线图' if ca == "acc" else '损失值曲线图')
    plt.plot(train, label='train_{}'.format(ca))
    plt.plot(val, label='val_{}'.format(ca))
    plt.legend()
    plt.grid()
    plt.savefig('精确度曲线图' if ca == "acc" else '损失值曲线图')
    # plt.show()



def main(args):
    device = torch.device(args.device if torch.cuda.is_available() else "cpu")

    if os.path.exists("./weights") is False:
        os.makedirs("./weights")

    tb_writer = SummaryWriter()

    train_images_path, train_images_label, val_images_path, val_images_label = read_split_data(args.data_path)

    img_size = 224
    data_transform = {
        "train": transforms.Compose([transforms.RandomResizedCrop(img_size),
                                     transforms.RandomHorizontalFlip(),
                                     transforms.ToTensor(),
                                     transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])]),
        "val": transforms.Compose([transforms.Resize(int(img_size * 1.143)),
                                   transforms.CenterCrop(img_size),
                                   transforms.ToTensor(),
                                   transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])])}

    # 实例化训练数据集
    train_dataset = MyDataSet(images_path=train_images_path,
                              images_class=train_images_label,
                              transform=data_transform["train"])

    # 实例化验证数据集
    val_dataset = MyDataSet(images_path=val_images_path,
                            images_class=val_images_label,
                            transform=data_transform["val"])

    batch_size = args.batch_size
    nw = min([os.cpu_count(), batch_size if batch_size > 1 else 0, 8])  # number of workers
    print('Using {} dataloader workers every process'.format(nw))
    train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset,
                                               batch_size=batch_size,
                                               shuffle=True,
                                               pin_memory=True,
                                               num_workers=nw,
                                               collate_fn=train_dataset.collate_fn)

    val_loader = torch.utils.data.DataLoader(val_dataset,
                                             batch_size=batch_size,
                                             shuffle=False,
                                             pin_memory=True,
                                             num_workers=nw,
                                             collate_fn=val_dataset.collate_fn)

    model = create_model(class_num=67).to(device)

    if args.weights != "":
        assert os.path.exists(args.weights), "weights file: '{}' not exist.".format(args.weights)

        model.load_state_dict(torch.load(args.weights, map_location=device))


    if args.freeze_layers:
        for name, para in model.named_parameters():
            # 除head外，其他权重全部冻结
            if "head" not in name:
                para.requires_grad_(False)
            else:
                print("training {}".format(name))

    pg = [p for p in model.parameters() if p.requires_grad]
    optimizer = optim.AdamW(pg, lr=args.lr, weight_decay=5E-2)

    for epoch in range(args.epochs):
        # train
        train_loss, train_acc = train_one_epoch(model=model,
                                                optimizer=optimizer,
                                                data_loader=train_loader,
                                                device=device,
                                                epoch=epoch)

        # validate
        val_loss, val_acc = evaluate(model=model,
                                     data_loader=val_loader,
                                     device=device,
                                     epoch=epoch)

        train_acc_list.append(train_acc)
        train_loss_list.append(train_loss)

        val_acc_list.append(val_acc)
        val_loss_list.append(val_loss)


        tags = ["train_loss", "train_acc", "val_loss", "val_acc", "learning_rate"]
        tb_writer.add_scalar(tags[0], train_loss, epoch)
        tb_writer.add_scalar(tags[1], train_acc, epoch)
        tb_writer.add_scalar(tags[2], val_loss, epoch)
        tb_writer.add_scalar(tags[3], val_acc, epoch)
        tb_writer.add_scalar(tags[4], optimizer.param_groups[0]["lr"], epoch)

        if val_acc == max(val_acc_list):
            print('save-best-epoch:{}'.format(epoch))
            with open('loss.txt', 'w') as fb:
                fb.write(str(train_loss) + ',' + str(train_acc) + ',' + str(val_loss) + ',' + str(val_acc))
            torch.save(model.state_dict(), "./weights/plant-best-epoch.pth")




if __name__ == '__main__':
    parser = argparse.ArgumentParser()
    parser.add_argument('--num_classes', type=int, default=67)
    parser.add_argument('--epochs', type=int, default=300)
    parser.add_argument('--batch-size', type=int, default=16)
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=0.0001)

    # 数据集所在根目录
    parser.add_argument('--data-path', type=str,
                        default="all_data")

    # 预训练权重路径，如果不想载入就设置为空字符
    parser.add_argument('--weights', type=str, default='',
                        help='initial weights path')
    # 是否冻结权重
    parser.add_argument('--freeze-layers', type=bool, default=False)
    parser.add_argument('--device', default='cuda:0', help='device id (i.e. 0 or 0,1 or cpu)')

    opt = parser.parse_args()

    train_loss_list = []
    train_acc_list = []
    val_loss_list = []
    val_acc_list = []

    main(opt)

    draw(train_acc_list, val_acc_list, 'acc')
    draw(train_loss_list, val_loss_list, 'loss')

开始训练：

在all_data中准备好数据集，并设置好超参数后，即可开始运行train.py

成功运行效果展示：

1）会生成dataset.png数据集分布柱状图

2）pycharm下方实时显示相关训练日志

等待所有epoch训练完成后代码会自动停止，并在weights文件夹下生成训练好的模型pth文件，并生成准确率和损失值曲线图。

4、训练好的模型预测

无界面预测代码为：predict.py

import os
import json

import torch
from PIL import Image
from torchvision import transforms
import matplotlib.pyplot as plt

from models.mobilenet import mobilenet  as create_model


def main(img_path):
    import os
    os.environ['KMP_DUPLICATE_LIB_OK'] = 'TRUE'

    device = torch.device("cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

    img_size = 224
    data_transform = transforms.Compose(
        [transforms.Resize(int(img_size * 1.143)),
         transforms.CenterCrop(img_size),
         transforms.ToTensor(),
         transforms.Normalize([0.485, 0.456, 0.406], [0.229, 0.224, 0.225])])

    assert os.path.exists(img_path), "file: '{}' dose not exist.".format(img_path)
    img = Image.open(img_path)
    plt.imshow(img)
    # [N, C, H, W]
    img = data_transform(img)
    # expand batch dimension
    img = torch.unsqueeze(img, dim=0)

    # read class_indict
    json_path = './class_indices.json'
    assert os.path.exists(json_path), "file: '{}' dose not exist.".format(json_path)

    json_file = open(json_path, "r")
    class_indict = json.load(json_file)

    # create model  创建模型网络
    model = create_model(class_num=67).to(device)
    # load model weights  加载模型
    model_weight_path = "weights/plant-best-epoch.pth"
    model.load_state_dict(torch.load(model_weight_path, map_location=device))
    model.eval()
    #调用模型进行检测
    with torch.no_grad():
        # predict class
        output = torch.squeeze(model(img.to(device))).cpu()
        predict = torch.softmax(output, dim=0)
        predict_cla = torch.argmax(predict).numpy()


    for i in range(len(predict)):
        print("class: {:10}   prob: {:.3}".format(class_indict[str(i)],
                                                  predict[i].numpy()))
    # 返回检测结果和准确率
    res = class_indict[str(list(predict.numpy()).index(max(predict.numpy())))]
    num= "%.2f" % (max(predict.numpy()) * 100) + "%"
    print(res,num)
    return res,num


if __name__ == '__main__':
    img_path = r"all_data\plant_2\3.png"
    main(img_path)

使用方法：
1）设置好训练好的模型权重路径
2）设置好要预测的图像的路径
直接右键运行即可，成功运行后会在pycharm下方生成预测结果数据

5、UI界面设计-pyqt5

对应代码文件：
1）ui.py 用于设置界面中控件的属性样式和显示的文本内容，可自行修改文本内容

2）主界面.py 用于设置界面中的相关按钮及动态的交互功能

3）plant_data.py 相关介绍及展示信息文本，可自行修改介绍信息

6、项目相关评价指标

1、准确率曲线图（训练后自动生成）

2、损失值曲线图（训练后自动生成）

3、混淆矩阵图

生成方式：训练完模型后，运行confusion_matrix.py文件，设置好使用的模型权重文件后，直接右键运行即可，等待模型进行预测生成

以上为本项目完整的构建实现流程步骤，更加详细的项目讲解视频如下：https://www.bilibili.com/video/BV19KtVeWE1d
（对程序使用，项目中各个文件作用，算法网络结构，所有程序代码等进行的细致讲解，时长1小时）

七、项目论文报告

本项目有配套的论文报告（9000字左右），部分截图如下：