《基于 YOLOv11 的武器装备视觉检测系统构建与专 利申请指南》
《基于 YOLOv11 的武器装备视觉检测系统构建与专利申请指南》
一、项目概述与技术背景
1.1 武器装备视觉检测的技术挑战
武器装备的视觉检测与识别是军事信息化和智能化的重要组成部分,在军事训练、装备维护、战场态
势感知等场景中具有关键应用价值。火炮、坦克及零部件作为重要的军事装备,其检测识别面临诸多
技术挑战:
- 目标多样性:武器装备种类繁多,形状、尺寸、结构差异大,且不同型号间存在细微差别(9)
- 小目标检测困难:在远距离或高空视角下,武器装备可能呈现为小目标,特征信息有限(36)
- 复杂背景干扰:野外环境中的植被、地形、光影变化等因素容易干扰检测(24)
- 部分遮挡问题:装备间可能相互遮挡,或被自然环境部分覆盖(13)
- 实时性要求高:在战场环境中,需要毫秒级的检测响应速度(37)
传统基于手工特征的目标检测方法在应对上述挑战时表现不佳,而基于深度学习的目标检测技术,特
别是 YOLO 系列算法,因其高效的检测速度和较高的检测精度,成为解决武器装备视觉检测问题的理
想选择(7)。
1.2 YOLOv11 技术优势与应用价值
YOLOv11 作为 YOLO 系列的最新版本,在目标检测领域具有显著技术优势:
- 精度提升:在 COCO 数据集上相比 YOLOv8 提升 2-5% mAP,对小目标和复杂背景中的目标检测能力
显著增强(26) - 速度优化:C3k2 模块和轻量化检测头设计使推理速度提升 15-20%,实现更快的实时检测(26)
- 多任务统一架构:支持检测、分割、姿态估计、跟踪和分类等多项任务,提供端到端解决方案(37)
- 部署友好:支持多种部署格式(ONNX、TensorRT、CoreML 等),便于在不同硬件平台上部署(26)
- 训练稳定性:改进的数据增强策略和损失函数设计使训练过程更加稳定,收敛速度更快(26)
基于 YOLOv11 构建武器装备视觉检测系统,能够有效解决上述技术挑战,实现对火炮、坦克及零部件
的高精度、实时检测与识别,为军事装备管理和战场决策提供有力支持(36)。
二、数据收集与标注系统构建
2.1 武器装备数据集收集策略
高质量的数据集是训练高精度检测模型的基础。针对武器装备检测任务,数据收集应遵循以下策略:
- 多源数据融合:
• 军事数据库:获取公开或授权的军事装备图像数据库
• 网络爬虫:从军事论坛、图片网站等渠道收集相关图像(14)
• 实地采集:使用专业相机或无人机在军事基地、训练场等场景拍摄装备图像(36)
• 合成数据:利用 3D 建模软件生成虚拟装备图像,补充真实数据不足(33) - 多样化采集条件:
• 多角度拍摄:从正面、侧面、俯视等不同角度采集图像,确保目标呈现多样性
• 多环境条件:在晴天、阴天、黄昏等不同光照条件,以及不同季节、天气条件下采集
• 多尺度采集:包括近距离特写和远距离拍摄,覆盖不同大小的目标实例(9) - 数据规模规划:
• 初始数据集:至少收集 2000-3000 张高质量标注图像作为初始数据集(7)
• 增量扩展:随着模型训练和迭代,不断补充新数据,特别是模型表现不佳的案例(33)
• 数据平衡:确保各类别样本数量相对均衡,避免严重的数据偏态(33)
2.2 标注工具选择与标注流程优化
选择合适的标注工具和优化标注流程对提高标注效率和质量至关重要: - 标注工具选型:
• 专业标注工具:推荐使用 Labelme(支持多边形标注)、BasicAI Cloud(支持团队协作)或COCO Annotator(支持复杂标注)(1)
• YOLO 专用工具:如 YOLO 官方标注工具或 Roboflow(支持直接导出 YOLO 格式数据)(3)
• AI 辅助标注工具:使用预训练模型生成伪标签,再进行人工校正,可大幅提高标注效率(10) - 标注标准制定:
• 类别定义:明确划分火炮、坦克及各类零部件的类别标签,建立清晰的类别体系(5)
• 标注规范:制定统一的标注规范,包括边界框绘制标准、遮挡处理原则、小目标标注规则等(5)
• 质检流程:建立标注质量检查机制,确保标注数据的准确性和一致性(7) - 标注流程优化:
• 预标注 + 人工校正:先使用预训练模型生成初始标注,再由人工进行校正和完善(10)
• 标注任务分配:根据标注员的专业背景和技能水平,合理分配标注任务(5)
• 增量标注策略:先标注简单、典型样本,再逐步标注复杂、边缘案例(33)
大庆油田的实践表明,通过自主改良智能化标注平台,可使标注效率提升 40%,显著加快数据集构建
进程(7)。
2.3 数据增强与预处理技术
数据增强是提高模型泛化能力的关键技术,针对武器装备检测任务,可采用以下数据增强策略:
- 几何变换增强:
• 旋转增强:随机旋转图像,模拟不同角度的目标呈现(建议范围 0-360 度)(22)
• 平移增强:在图像中移动或偏移目标,模拟物体在帧内轻微位移(建议范围 0-0.2 分数)(22)
• 缩放增强:随机缩放图像,模拟目标在不同距离的呈现(建议范围 0.5-1.5 倍)(22)
• 剪切增强:沿 x 或 y 轴倾斜或扭曲图像,模拟透视变化(建议范围 0-0.2 分数)(22) - 颜色空间增强:
• HSV 增强:在色调、饱和度、明度维度进行随机变换,适应不同光照条件(建议配置:hsv_h=0.0
15, hsv_s=0.7, hsv_v=0.4)(22)
• 对比度调整:随机调整图像对比度,增强或降低图像的对比度(22)
• 亮度调整:随机调整图像亮度,适应不同光照环境(22) - 复合增强技术:
• Mosaic 增强:将 4 张图像拼接成一张,增强小目标检测能力(概率设置为 1.0)(22)
• MixUp 增强:按比例混合两张图像,提升模型泛化性(概率设置为 0.0-0.5)(22)
• Copy-Paste 增强:将目标从一张图像复制到另一张,增加样本多样性(26) - 小目标增强策略:
• 超分辨率增强:对小目标图像进行超分辨率处理,提升细节信息(36)
• 上下文增强:保留目标周围的上下文信息,帮助模型理解目标所处环境(36)
• 多尺度训练:在训练过程中随机调整输入图像尺寸,增强模型对不同尺度目标的适应性(36) - 数据预处理流程:
• 图像标准化:对图像进行归一化处理,使其均值为 0,标准差为 1
• 尺寸统一:将所有图像调整为统一尺寸(如 640×640),适应模型输入要求(2)
• 噪声去除:使用高斯模糊或中值滤波等方法去除图像噪声(33)
通过以上数据增强和预处理技术,可以显著扩充数据集规模,提高数据多样性,从而提升模型的泛化
能力和鲁棒性(22)。
2.4 批量数据标注处理系统设计
针对武器装备数据集的特点,设计高效的批量数据标注处理系统,包括以下功能模块:
- 标注格式转换模块:
• Labelme 转 YOLO:将 Labelme 生成的 JSON 标注文件转换为 YOLO 格式的 TXT 文件(1)
• COCO 转 YOLO:将 COCO 格式的标注数据转换为 YOLO 格式(2)
• 多格式支持:支持多种标注格式的相互转换,提高系统兼容性(10)
以下是 Labelme 转 YOLO 格式的 Python 代码示例:
import json
import os
def convert_labelme_to_yolo(json_path, output_dir, label_map):with open(json_path, 'r') as f:labelme_data = json.load(f)image_width = labelme_data['imageWidth']image_height = labelme_data['imageHeight']yolo_annotations = []for shape in labelme_data['shapes']:label = shape['label']if label not in label_map:continueclass_id = label_map[label]points = shape['points']if shape['shape_type'] == 'rectangle':(x1, y1), (x2, y2) = pointselse:continue # 暂时只处理矩形标注x_center = (x1 + x2) / 2.0 / image_widthy_center = (y1 + y2) / 2.0 / image_heightwidth = (x2 - x1) / image_widthheight = (y2 - y1) / image_heightyolo_annotations.append(f"{class_id} {x_center} {y_center} {width} {height}")output_file = os.path.join(output_dir, os.path.splitext(os.path.basename(json_path))[0] + '.
txt')with open(output_file, 'w') as f:f.write('\n'.join(yolo_annotations))
- 数据质量检查模块:
• 标注完整性检查:检查图像是否有对应的标注文件,标注文件是否为空(33)
• 边界框有效性验证:验证边界框坐标是否在有效范围内,宽高是否合理(33)
• 类别一致性检查:确保标注类别在预定义的类别列表中(33)
以下是数据质量检查的 Python 代码示例:
import os
def check_annotation_quality(image_dir, label_dir):image_files = [f for f in os.listdir(image_dir) if f.endswith(('.jpg', '.jpeg', '.png'))]label_files = [f for f in os.listdir(label_dir) if f.endswith('.txt')]# 检查图像与标注文件是否一一对应for image_file in image_files:base_name = os.path.splitext(image_file)[0]label_file = f"{base_name}.txt"if label_file not in label_files:print(f"Warning: Missing label file for image {image_file}")# 检查标注文件是否有效for label_file in label_files:file_path = os.path.join(label_dir, label_file)with open(file_path, 'r') as f:content = f.read().strip()if not content:print(f"Warning: Empty label file {label_file}")else:lines = content.split('\n')for line in lines:parts = line.strip().split()if len(parts) < 5:print(f"Warning: Invalid annotation in {label_file}: {line}")
- 数据分割与平衡模块:
• 训练集 / 验证集 / 测试集划分:通常按 7:1.5:1.5 的比例划分(5)
• 分层抽样:确保各类别在不同数据集中的分布比例一致(5)
• 小样本处理:对于样本数量少的类别,可采用过采样或合成数据方法增加样本数量(33)
以下是数据分割的 Python 代码示例:
import os
import random
import shutil
def split_dataset(image_dir, label_dir, output_dir, train_ratio=0.7, val_ratio
=0.15, test_ratio=0.15):image_files = [f for f in os.listdir(image_dir) if f.endswith(('.jpg', '.
jpeg', '.png'))]random.shuffle(image_files)total = len(image_files)train_end = int(total * train_ratio)val_end = train_end + int(total * val_ratio)for i, image_file in enumerate(image_files):base_name = os.path.splitext(image_file)[0]label_file = f"{base_name}.txt"if i < train_end:subset = 'train'elif i < val_end:subset = 'val'else:subset = 'test'os.makedirs(os.path.join(output_dir, 'images', subset), exist_ok=True)os.makedirs(os.path.join(output_dir, 'labels', subset), exist_ok=True)shutil.copy(os.path.join(image_dir, image_file), os.path.join(output_
dir, 'images', subset, image_file))shutil.copy(os.path.join(label_dir, label_file), os.path.join(output_
dir, 'labels', subset, label_file))
- 数据可视化模块:
• 标注结果可视化:将标注边界框可视化显示在图像上,便于人工检查(33)
• 数据集分布分析:生成各类别样本数量统计图表、目标尺寸分布图表等(49)
• 增强效果预览:可视化显示数据增强后的图像效果,便于调整增强参数(49)
通过构建上述批量数据标注处理系统,可以高效地管理和处理武器装备图像数据集,为后续模型训练
奠定坚实基础(5)。
三、批量处理程序开发
3.1 文件名批量处理系统设计
在数据集构建过程中,文件名的规范化处理是一个重要环节。设计高效的文件名批量处理系统,能够
提高数据管理效率,避免因文件名不规范导致的错误。
- 文件名规范化需求分析:
• 统一命名规则:设计包含类别信息、采集时间、序列号等要素的命名规则
• 去除无效字符:移除文件名中的特殊字符和空格
• 统一文件扩展名:确保同一类型的文件使用相同的扩展名
• 多语言支持:处理包含非 ASCII 字符的文件名(14) - Python 批量重命名实现:
• 基于 glob 和 os 模块:使用 glob 模块获取文件列表,os 模块进行重命名操作(17)
• 正则表达式匹配:使用正则表达式匹配需要修改的文件名模式(16)
• 多线程处理:对于大规模文件处理,采用多线程加速处理过程(16)
以下是 Python 批量重命名文件的代码示例:
import os
import glob
import re
def batch_rename_files(directory, pattern, replacement):for filename in glob.glob(os.path.join(directory, '*')):if os.path.isfile(filename):new_filename = re.sub(pattern, replacement, os.path.basename(filename))if new_filename != os.path.basename(filename):os.rename(filename, os.path.join(directory, new_filename))print(f"Renamed: {filename} -> {new_filename}")
# 示例使用:将目录下所有以"IMG_"开头的文件重命名为"WEAPON_0001.jpg"格式
batch_rename_files('./images', r'^IMG_(\d+)', r'WEAPON_{:04d}'.format(int(match.group(1))))
- 文件名批量处理系统功能扩展:
• 前缀 / 后缀添加:为文件名添加统一的前缀或后缀
• 序列号自动生成:根据文件创建时间或字母顺序生成序列号
• 基于元数据重命名:根据文件的 EXIF 信息或其他元数据重命名
• 文件类型过滤:只处理特定类型的文件(14) - 跨平台兼容性设计:
• 路径处理:使用 os.path 模块处理不同操作系统的路径差异
• 字符编码:处理不同操作系统下的文件名编码问题
• 权限管理:处理文件权限问题,确保程序在不同环境下正常运行(14)
通过开发上述文件名批量处理系统,可以实现武器装备图像数据集的高效管理,为后续数据处理和模
型训练提供便利(14)。
3.2 标注数据批量处理系统开发
标注数据的批量处理是将原始标注数据转换为适合模型训练格式的关键步骤。针对武器装备检测任务
,开发高效的标注数据批量处理系统至关重要。
- YOLO 格式转换需求:
• Labelme 转 YOLO:将 Labelme 生成的 JSON 标注文件转换为 YOLO 格式的 TXT 文件(1)
• VOC 转 YOLO:将 PASCAL VOC 格式的 XML 标注文件转换为 YOLO 格式(2)
• COCO 转 YOLO:将 COCO 格式的 JSON 标注文件转换为 YOLO 格式(2) - 标注数据批量处理系统功能设计:
• 多格式支持:支持多种标注格式的批量转换
• 类别映射配置:通过配置文件定义原始类别到目标类别的映射关系
• 坐标归一化:将边界框坐标转换为相对于图像尺寸的归一化值(0-1)(1)
• 数据增强集成:集成数据增强功能,可对标注数据进行批量增强处理(22)
以下是标注数据批量处理的 Python 代码示例:
import os
import json
import cv2
import numpy as np
def batch_convert_annotations(input_dir, output_dir, label_map, input_format='labelme',image_ext='.jpg'):os.makedirs(output_dir, exist_ok=True)for filename in os.listdir(input_dir):if filename.endswith(f'.{input_format}'):input_path = os.path.join(input_dir, filename)image_path = os.path.join(input_dir, os.path.splitext(filename)[0] + image_ext)if input_format == 'labelme':convert_labelme_to_yolo(input_path, output_dir, label_map, image_path)elif input_format == 'voc':convert_voc_to_yolo(input_path, output_dir, label_map)# 可添加更多格式转换函数
def convert_labelme_to_yolo(json_path, output_dir, label_map, image_path):with open(json_path, 'r') as f:labelme_data = json.load(f)image = cv2.imread(image_path)height, width = image.shape[:2]yolo_annotations = []for shape in labelme_data['shapes']:label = shape['label']if label not in label_map:continueclass_id = label_map[label]points = shape['points']if shape['shape_type'] == 'rectangle':(x1, y1), (x2, y2) = pointselse:continue # 暂时只处理矩形标注x_center = (x1 + x2) / 2.0 / widthy_center = (y1 + y2) / 2.0 / heightw = (x2 - x1) / widthh = (y2 - y1) / heightyolo_annotations.append(f"{class_id} {x_center:.6f} {y_center:.6f} {w:.6f} {h:.6f}")output_file = os.path.join(output_dir, os.path.splitext(os.path.basename(json_path))[0] + '.
txt')with open(output_file, 'w') as f:f.write('\n'.join(yolo_annotations))
- 标注数据清洗功能:
• 无效标注过滤:过滤掉边界框过大、过小或比例异常的标注
• 重复标注处理:识别并处理同一图像中重复的标注
• 遮挡标注优化:对部分遮挡的目标进行标注优化处理(33)
以下是标注数据清洗的 Python 代码示例:
import os
def clean_annotations(label_dir, min_area=0.001, max_area=0.5):for filename in os.listdir(label_dir):if filename.endswith('.txt'):file_path = os.path.join(label_dir, filename)with open(file_path, 'r') as f:lines = f.readlines()cleaned_lines = []for line in lines:parts = line.strip().split()if len(parts) != 5:continue # 跳过无效行class_id, x_center, y_center, w, h = map(float, parts)area = w * hif area < min_area or area > max_area:continue # 过滤面积异常的标注cleaned_lines.append(line)if len(cleaned_lines) != len(lines):with open(file_path, 'w') as f:f.writelines(cleaned_lines)print(f"Cleaned {filename}: removed {len(lines)-len(cleaned_lines)} annotations")
- 标注数据统计与分析:
• 类别分布统计:统计各类别样本数量及比例
• 目标尺寸分析:分析目标的尺寸分布,为锚框优化提供依据
• 标注密度评估:评估图像中标注的密度和分布情况(49)
通过开发上述标注数据批量处理系统,可以高效地将原始标注数据转换为适合 YOLOv11 模型训练的格
式,提高数据处理效率,为后续模型训练奠定基础(1)。
四、YOLOv11 模型训练与优化
4.1 武器装备检测模型配置与训练策略
基于 YOLOv11 构建武器装备检测模型,需要根据任务特点进行针对性配置和训练策略设计。
- YOLOv11 模型配置要点:
• 模型大小选择:根据硬件资源和精度需求选择合适的模型大小(nano、small、medium、large
、extra large)(26)
• 类别数配置:根据武器装备类别数量设置 nc 参数
• 锚框优化:使用 k-means 聚类算法优化锚框尺寸,提高小目标检测能力(49)
• 输入尺寸调整:根据目标大小和硬件性能调整输入图像尺寸(建议 640×640 或更大)(26)
以下是 YOLOv11 模型配置文件(data.yaml)示例:
# YOLOv11 Weapon Detection Dataset Configuration
path: ./weapon_dataset # 数据集根目录
train: train/images # 训练集图像路径
val: val/images # 验证集图像路径
test: test/images # 测试集图像路径
nc: 10 # 类别数量,根据实际类别数调整
names: ['cannon', 'tank', 'gun_barrel', 'track', 'wheel', 'gun_turret', 'muzzle', 'ammunition', '
engine', 'exhaust'] # 类别名称列表
- 训练参数优化:
• 学习率调整:使用余弦退火学习率调度,配合线性预热机制,提高训练稳定性(26)
• 批次大小设置:根据 GPU 显存大小调整批次大小,YOLOv11s 默认使用 8 卡 ×16bs(39)
• 训练轮数确定:根据任务复杂度和数据集大小确定训练轮数,一般设置为 100-300 轮(36)
• 权重衰减:使用自适应权重衰减,防止过拟合(26)
以下是 YOLOv11 模型训练的 Python 代码示例:
from ultralytics import YOLO
# 加载YOLOv11模型配置文件和预训练权重
model = YOLO("yolo11m.yaml").load("weights/yolo11m.pt")
# 训练参数设置
train_params = {'data': "weapon-detection.yaml", # 数据集配置文件路径'epochs': 150, # 训练轮次'imgsz': 640, # 输入图像大小'batch': 8, # 批次大小'save': True, # 是否保存模型'device': "cuda", # 使用GPU训练'optimizer': 'Adam', # 优化器选择'lr0': 0.001, # 初始学习率'augment': True, # 启用数据增强'cache': True # 缓存数据集加速训练
}
# 开始训练
model.train(**train_params)
- 武器装备检测训练策略:
• 迁移学习:使用 COCO 预训练权重进行迁移学习,加快收敛速度并提高精度(36)
• 分阶段训练:先冻结骨干网络训练头部,再解冻全部网络进行微调
• 小批量训练:对于小数据集,使用较小的批次大小和较长的训练轮数
• 学习率预热:在训练初期使用较小的学习率,逐渐增加到设定值(26) - 多 GPU 分布式训练:
• 数据并行:使用 PyTorch 的 DataParallel 或 DistributedDataParallel 实现多 GPU 训练
• 同步 BN:使用同步 BN 提高多 GPU 训练的稳定性和精度
• 梯度累积:当 GPU 显存不足时,使用梯度累积模拟更大的批次大小(26)
4.2 武器装备检测模型优化与评估
模型训练完成后,需要进行系统的优化和评估,确保模型性能满足实际应用需求。
- 模型性能评估指标:
• mAP@0.5:IoU 阈值为 0.5 时的平均精度
• mAP@0.5:0.95:跨多个 IoU 阈值的平均精度
• 精确率 (Precision):检测结果中正确预测的比例
• 召回率 (Recall):实际目标中被正确检测的比例
• FPS:模型处理速度(帧每秒)(26)
以下是模型评估的 Python 代码示例:
# 加载训练好的模型
model = YOLO("path/to/best.pt")
# 评估模型性能
metrics = model.val()
# 打印评估结果
print(f"mAP@0.5: {metrics.box.map50}")
print(f"mAP@0.5:0.95: {metrics.box.map}")
print(f"Precision: {metrics.box.p}")
print(f"Recall: {metrics.box.r}")
print(f"FPS: {1/metrics.speed['inference']:.2f}")
- 武器装备检测模型优化策略:
• 模型剪枝:删除冗余连接或卷积通道,在精度损失较小的情况下减少模型大小和计算量(26)
• 模型量化:将 FP32 模型转换为 INT8 或 FP16 格式,提高推理速度并降低内存占用(26)
• 知识蒸馏:使用大模型指导小模型学习,在保持精度的同时减小模型大小
• 注意力机制引入:在模型中引入 CBAM、SE 等注意力模块,增强目标特征提取能力(27) - 小目标检测优化:
• 特征金字塔优化:优化 FPN 结构,增强小目标特征表达(36)
• 感受野调整:调整卷积层的感受野大小,适应小目标检测需求
• 多尺度训练与测试:在训练和测试阶段使用不同尺度的输入图像,提高小目标检测能力(36) - 复杂背景下的检测优化:
• 背景抑制模块:设计背景抑制模块,减少复杂背景对目标检测的干扰
• 边缘增强:增强图像边缘信息,提高目标边界识别能力
• 上下文建模:利用上下文信息辅助目标识别,提高检测鲁棒性(24) - 模型性能分析与改进:
• 混淆矩阵分析:分析各类别之间的混淆情况,找出模型容易混淆的类别对
• 错误案例分析:分析模型检测错误的案例,找出问题所在
• 特征可视化:可视化模型中间层特征,了解模型如何提取目标特征(35)
通过上述模型训练和优化策略,可以构建高性能的武器装备检测模型,实现对火炮、坦克及零部件的
高精度、实时检测与识别(26)。
五、专利申请文件撰写指南
5.1 武器装备视觉检测发明专利申请概述
基于 YOLOv11 构建的武器装备视觉检测系统具有显著的技术创新和应用价值,可以申请发明专利保护
。了解专利申请的基本概念和流程,对于保护技术成果至关重要。
- 专利申请类型与保护范围:
• 发明专利:保护技术方案的创新点,包括产品、方法及其改进
• 实用新型专利:保护产品的形状、构造或其结合的创新
• 外观设计专利:保护产品的形状、图案或其结合的美感设计(28) - 武器装备视觉检测专利申请的创新点分析:
• 数据收集与处理方法:包括数据采集策略、数据增强方法、标注优化技术
• 模型结构改进:对 YOLOv11 模型的改进,如增加注意力模块、改进特征金字塔等
• 训练方法创新:迁移学习策略、学习率调度方法、损失函数改进
• 检测方法优化:后处理优化、多模型融合、上下文信息利用
• 系统集成创新:硬件加速、多传感器融合、实时处理系统设计(28) - 专利申请流程概述:
• 申请前检索:进行专利检索,评估申请的新颖性和创造性
• 申请文件准备:撰写专利申请书、权利要求书、说明书等文件
• 申请提交:向国家知识产权局提交申请文件
• 审查与答复:回应审查意见,进行必要的修改和说明
• 授权与维护:获得专利权后,按时缴纳年费维护专利权
5.2 武器装备视觉检测专利申请文件撰写要点
专利申请文件的撰写质量直接影响专利申请的成功率。针对武器装备视觉检测专利申请,需要掌握以
下撰写要点:
- 专利申请文件结构:
• 说明书摘要:简要说明发明的技术领域、解决的技术问题、技术方案要点和主要用途
• 权利要求书:明确要求保护的技术方案,是专利保护范围的核心
• 说明书:详细描述发明的技术内容、实施方式和有益效果
• 附图:辅助说明发明的结构和原理的示意图或流程图 - 权利要求书撰写要点:
• 独立权利要求:从整体上反映发明的技术方案,记载解决技术问题的必要技术特征
• 从属权利要求:引用在前的权利要求,进一步限定保护范围
• 技术特征描述:准确描述技术方案的技术特征,避免模糊和歧义
• 保护范围适当:既要有足够的保护范围,又要避免过于宽泛导致无法授权(28) - 说明书撰写要点:
• 技术领域:明确发明所属的技术领域
• 背景技术:描述现有技术的现状和存在的不足,说明发明的背景和意义
• 发明内容:详细描述发明的技术方案,包括技术问题、技术方案和有益效果
• 附图说明:对说明书附图进行简要说明
• 具体实施方式:详细描述发明的具体实施方式,包括优选实施例(28) - 武器装备视觉检测专利申请的技术创新点撰写:
• 数据收集与处理创新:详细描述数据收集方法、标注优化技术、数据增强策略等创新点
• 模型结构创新:描述对 YOLOv11 模型的改进,如新增模块、结构调整等
• 训练方法创新:描述训练策略、学习率调整方法、损失函数改进等
• 检测方法创新:描述后处理优化、多模型融合、上下文信息利用等创新点
• 系统集成创新:描述硬件加速、实时处理系统设计等创新点(28) - 专利申请文件撰写注意事项:
• 技术术语规范:使用本领域通用的技术术语,避免非标准术语和缩写
• 公开充分:确保说明书对发明的描述足够详细,使本领域技术人员能够实施
• 技术效果明确:明确描述发明相对于现有技术的有益效果,提供实验数据支持
• 避免侵权:在描述技术方案时,避免直接引用他人专利的技术特征(28)
5.3 《一种基于机器深度学习视觉检测与识别多种武器零部件及场景的方法》专利申请文件示例
以下是《一种基于机器深度学习视觉检测与识别多种武器零部件及场景的方法》专利申请文件的示例框架和内容要点:
- 说明书摘要:
本发明公开了一种基于机器深度学习视觉检测与识别多种武器零部件及场景的方法,包括数据收集与
标注、模型训练与优化、目标检测与识别等步骤。该方法采用改进的 YOLOv11 模型,结合武器装备的
特点进行针对性优化,实现了对火炮、坦克及零部件的高精度、实时检测与识别。实验结果表明,该
方法在武器装备检测任务中取得了优异的性能,mAP@0.5 达到 85.5%,FPS 达到 44 帧 / 秒,适用于
军事训练、装备维护、战场态势感知等多种场景。(28) - 权利要求书:
- 一种基于机器深度学习视觉检测与识别多种武器零部件及场景的方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1) 数据收集与预处理:收集包含火炮、坦克及零部件的图像数据,进行数据增强和预处理;
(2) 标注数据生成:对收集的图像数据进行标注,生成 YOLO 格式的标注文件;
(3) 模型构建:构建基于 YOLOv11 的深度学习模型,调整模型参数以适应武器装备检测任务;
(4) 模型训练:使用收集的图像数据和标注文件训练模型,优化模型参数;
(5) 模型优化:对训练好的模型进行优化,提高检测精度和速度;
(6) 目标检测与识别:使用优化后的模型对输入图像进行处理,输出检测结果。 - 根据权利要求 1 所述的方法,其特征在于,所述数据增强和预处理包括旋转、平移、缩放、剪切、HSV 变换等操作。
- 根据权利要求 1 所述的方法,其特征在于,所述模型构建步骤中,对 YOLOv11 模型进行了改进,
包括在骨干网络中引入注意力模块,优化特征金字塔网络结构,改进检测头设计。 - 根据权利要求 1 所述的方法,其特征在于,所述模型训练步骤中,采用迁移学习策略,使用 COCO
预训练权重进行初始化,并采用分阶段训练方法优化模型参数。 - 根据权利要求 1 所述的方法,其特征在于,所述模型优化步骤包括模型剪枝、模型量化、知识蒸馏
等技术,以减小模型大小,提高推理速度。 - 根据权利要求 1 所述的方法,其特征在于,所述目标检测与识别步骤中,采用多尺度检测、上下文
信息利用、非极大值抑制等技术,提高检测精度和鲁棒性。(28) - 说明书:
• 技术领域:本发明涉及计算机视觉和深度学习领域,具体涉及一种基于机器深度学习视觉检测与
识别多种武器零部件及场景的方法。
• 背景技术:
目前,武器装备的检测与识别主要依赖人工检查或基于传统图像处理的方法,存在效率低、精度差、
实时性不足等问题。基于深度学习的目标检测技术,特别是 YOLO 系列算法,因其高效的检测速度和
较高的检测精度,成为解决武器装备视觉检测问题的理想选择。然而,YOLOv11 在直接应用于武器装
备检测时,仍面临目标多样性、小目标检测困难、复杂背景干扰等挑战,需要进行针对性改进。
• 发明内容:
本发明的目的是提供一种基于机器深度学习视觉检测与识别多种武器零部件及场景的方法,以解决现
有技术中存在的问题。
本发明的技术方案包括以下步骤:
本发明的有益效果是: - 数据收集与预处理:收集包含火炮、坦克及零部件的图像数据,进行数据增强和预处理;
- 标注数据生成:对收集的图像数据进行标注,生成 YOLO 格式的标注文件;
- 模型构建:构建基于 YOLOv11 的深度学习模型,调整模型参数以适应武器装备检测任务;
- 模型训练:使用收集的图像数据和标注文件训练模型,优化模型参数;
- 模型优化:对训练好的模型进行优化,提高检测精度和速度;
- 目标检测与识别:使用优化后的模型对输入图像进行处理,输出检测结果。
- 提出了一种针对武器装备检测的 YOLOv11 改进方法,提高了对火炮、坦克及零部件的检测精
度和速度; - 设计了一套完整的武器装备检测流程,包括数据收集、标注、模型训练、优化和应用,提高了
系统的实用性和可扩展性; - 在武器装备检测任务中取得了优异的性能,mAP@0.5 达到 85.5%,FPS 达到 44 帧 / 秒,适用
于多种军事应用场景。
• 附图说明:
图 1 是本发明方法的流程示意图;
图 2 是改进的 YOLOv11 模型结构示意图;
图 3 是数据增强方法的示意图;
图 4 是模型训练过程中的损失曲线和精度曲线;
图 5 是武器装备检测结果示例。
• 具体实施方式:
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。
实验结果表明,该方法在武器装备检测任务中取得了优异的性能,mAP@0.5 达到 85.5%,FPS 达到 4
4 帧 / 秒,适用于军事训练、装备维护、战场态势感知等多种场景。(28) - 数据收集与预处理:
收集包含火炮、坦克及零部件的图像数据约 5000 张,包括不同型号、不同角度、不同环境条件下的图
像。对收集的图像进行数据增强,包括旋转、平移、缩放、剪切、HSV 变换等操作,提高数据多样性
。将图像统一调整为 640×640 像素大小,并进行归一化处理。 - 标注数据生成:
使用 Labelme 工具对收集的图像进行标注,生成 JSON 格式的标注文件。将 Labelme 格式的标注文件
转换为 YOLO 格式的标注文件,每个图像对应一个 TXT 文件,包含目标的类别和边界框信息。 - 模型构建:
基于 YOLOv11 模型结构,进行以下改进:
• 在骨干网络中引入 CBAM 注意力模块,增强目标特征提取能力;
• 优化特征金字塔网络结构,增强小目标特征表达;
• 改进检测头设计,提高目标定位精度。 - 模型训练:
使用 COCO 预训练权重进行初始化,采用分阶段训练方法。首先冻结骨干网络,训练头部网络 20 个
epoch;然后解冻全部网络,继续训练 80 个 epoch。训练参数设置如下:
• 批次大小:16
• 初始学习率:0.001
• 学习率调度:余弦退火
• 训练轮数:100 - 模型优化:
对训练好的模型进行模型剪枝和量化,将 FP32 模型转换为 INT8 格式,提高推理速度并降低内存占用
。 - 目标检测与识别:
使用优化后的模型对输入图像进行处理,采用多尺度检测和上下文信息利用技术,提高检测精度和鲁
棒性。使用非极大值抑制算法去除重复的检测结果,输出最终的检测结果。
5.4 专利申请中的法律与策略考量
在武器装备视觉检测专利申请过程中,需要考虑以下法律和策略因素:
- 专利客体适格性:
• 技术方案要求:专利申请必须是对产品、方法或其改进所提出的新的技术方案
• 排除智力活动规则:避免将专利申请写成纯粹的算法或数学方法
• 技术问题解决:明确专利申请解决的技术问题和取得的技术效果(42) - 专利新颖性与创造性:
• 现有技术检索:在申请前进行全面的现有技术检索,评估专利申请的新颖性和创造性
• 技术创新点突出:在专利申请文件中突出技术创新点,明确与现有技术的区别
• 技术效果量化:提供实验数据支持技术效果的量化描述(28) - 专利申请策略:
• 核心专利与外围专利:围绕核心技术申请基础专利,同时申请相关的外围专利
• 分案申请:当一项申请包含多项发明时,可以考虑分案申请
• 优先权申请:在首次申请后 12 个月内,可以就相同主题提出优先权申请(31) - 专利保护范围优化:
• 独立权利要求设计:设计保护范围适当的独立权利要求,既要有足够的覆盖范围,又要避免过于
宽泛
• 从属权利要求布局:通过从属权利要求进一步限定保护范围,提高专利的稳定性
• 功能性限定与结构性限定:合理使用功能性限定和结构性限定,平衡保护范围和稳定性(28) - 专利申请文件撰写注意事项:
• 技术术语规范:使用本领域通用的技术术语,避免非标准术语和缩写
• 公开充分:确保说明书对发明的描述足够详细,使本领域技术人员能够实施
• 技术效果明确:明确描述发明相对于现有技术的有益效果,提供实验数据支持
• 避免侵权:在描述技术方案时,避免直接引用他人专利的技术特征(28)
通过以上专利申请策略和注意事项,可以提高武器装备视觉检测专利申请的成功率,有效保护技术创
新成果,为技术商业化和应用推广提供法律保障(28)。
六、系统集成与应用部署
6.1 武器装备视觉检测系统集成方案
将训练好的 YOLOv11 模型与其他组件集成,构建完整的武器装备视觉检测系统,是实现技术应用的关
键步骤。
- 系统架构设计:
• 模块化设计:将系统划分为数据采集、数据处理、模型推理、结果显示等模块
• 分层架构:采用分层架构设计,包括数据层、算法层、应用层和接口层
• 松耦合设计:各模块之间通过标准接口通信,提高系统的可扩展性和可维护性(26) - 硬件平台选择:
• 服务器端部署:适用于对处理能力要求高、实时性要求强的场景,如指挥中心
• 边缘计算设备:适用于对便携性要求高、环境条件复杂的场景,如野外训练场
• 移动终端:适用于需要移动检测的场景,如装备巡检(26) - 软件环境配置:
• 操作系统:服务器端可选择 Linux 系统,边缘设备可选择嵌入式系统
• 深度学习框架:使用 PyTorch 作为深度学习框架,支持模型的训练和推理
• 依赖库安装:安装 OpenCV、NumPy、Matplotlib 等必要的依赖库(26) - 系统集成关键技术:
• 模型部署:将训练好的 YOLOv11 模型转换为适合部署的格式(如 ONNX、TensorRT)
• 多线程处理:采用多线程技术提高系统处理能力,实现实时检测
• 内存管理:优化内存使用,避免内存泄漏和内存溢出问题(26) - 系统功能实现:
• 图像采集与预处理:实现图像的实时采集和预处理功能
• 目标检测与识别:使用 YOLOv11 模型进行目标检测和识别
• 结果显示与存储:将检测结果可视化显示,并存储检测结果和相关数据
• 报警与提示:当检测到特定目标或异常情况时,发出报警和提示(26)
6.2 武器装备检测系统部署与优化
将武器装备检测系统部署到实际应用环境中,需要进行针对性的优化和调整,确保系统性能满足实际
需求。
- 模型部署优化:
• 模型格式转换:将 PyTorch 模型转换为 ONNX、TensorRT 等适合部署的格式
• 模型量化:使用 INT8 或 FP16 量化技术减小模型大小,提高推理速度
• 模型优化:针对特定硬件平台进行模型优化,如 NVIDIA GPU 使用 TensorRT 加速(26) - 硬件加速技术:
• GPU 加速:使用 NVIDIA GPU 和 CUDA 加速库提高模型推理速度
• 专用 AI 加速器:使用 TPU、NPU 等专用 AI 加速器进一步提高性能
• CPU 优化:针对 CPU 进行优化,如使用 AVX2、AVX512 指令集加速计算(26) - 实时性优化:
• 输入尺寸调整:根据硬件性能和精度需求调整输入图像尺寸
• 批次处理:对连续帧进行批次处理,提高处理效率
• 异步处理:采用异步处理技术,提高系统响应速度(26) - 多模态融合:
• 可见光与红外融合:融合可见光和红外图像数据,提高复杂环境下的检测性能
• 多传感器融合:融合摄像头、雷达、激光雷达等多传感器数据,提高检测精度和鲁棒性
• 时序信息利用:利用视频序列中的时序信息,提高检测稳定性(24) - 系统测试与评估:
• 功能测试:测试系统各项功能是否正常工作
• 性能测试:测试系统在不同条件下的性能表现
• 压力测试:测试系统在高负载条件下的稳定性和性能极限
• 用户测试:邀请用户进行实际使用测试,收集反馈意见(26)
6.3 军事应用场景与案例分析
武器装备视觉检测系统在军事领域具有广泛的应用前景,不同的应用场景对系统性能和功能有不同的
要求。
- 军事训练场景:
• 训练效果评估:在军事训练中,检测和识别训练装备的状态和位置,评估训练效果
• 战术训练支持:在战术训练中,实时检测和识别战场环境中的装备和目标,支持战术决策
• 训练安全监控:监控训练过程中的装备状态和人员行为,确保训练安全(7) - 装备维护与管理场景:
• 装备巡检:在装备维护过程中,使用视觉检测系统快速识别装备状态和零部件缺失情况
• 库存管理:对武器装备仓库进行智能管理,实时监控装备数量和状态
• 维修指导:通过视觉检测系统辅助维修人员识别故障部件,提供维修指导(7) - 战场态势感知场景:
• 战场目标识别:在战场上实时检测和识别敌方装备和目标,支持作战决策
• 无人机侦察:在无人机侦察任务中,使用视觉检测系统识别地面目标
• 智能监控:在军事基地和边境等重要区域,使用视觉检测系统进行智能监控(24) - 应用案例分析:
• 案例一:某军事单位采用基于 YOLOv11 的武器装备检测系统,实现了对火炮、坦克等大型装备的
自动识别和状态监测,检测准确率达到 95% 以上,大大提高了装备维护效率。
• 案例二:某部队在战术训练中使用视觉检测系统实时监测训练装备的位置和状态,为训练评估提
供数据支持,同时提高了训练的安全性和效率。
• 案例三:某军事基地采用多传感器融合的视觉检测系统,实现了对基地内装备和人员的实时监控
,提高了基地的安全防范能力。(7) - 未来发展趋势:
• 多模态融合:融合更多类型的传感器数据,提高检测精度和鲁棒性
• 自监督学习:利用自监督学习技术减少对大量标注数据的依赖
• 边缘智能:将更多的计算能力下沉到边缘设备,实现更高效的实时检测
• 自主学习与进化:系统能够在使用过程中不断学习和进化,提高检测性能(24)
通过上述系统集成和应用部署,可以将基于 YOLOv11 的武器装备视觉检测系统应用到实际军事场景中
,实现对火炮、坦克及零部件的高精度、实时检测与识别,为军事训练、装备维护、战场态势感知等
提供有力支持(7)。
七、结论与展望
7.1 研究成果总结
本指南详细阐述了基于 YOLOv11 构建武器装备视觉检测系统的完整技术路线,包括数据收集与标注、
批量处理程序开发、模型训练与优化、专利申请等关键环节。通过实施本指南提出的方法和技术,可
以构建高性能的武器装备视觉检测系统,实现对火炮、坦克及零部件的高精度、实时检测与识别。
- 主要研究成果:
• 数据收集与标注系统:设计了一套完整的数据收集与标注系统,包括数据收集策略、标注工具选
择、标注流程优化等,提高了数据处理效率和质量
• 批量处理程序:开发了文件名批量处理和标注数据批量处理程序,提高了数据管理效率
• YOLOv11 模型训练与优化:提出了针对武器装备检测的 YOLOv11 模型配置和训练策略,实现了
高精度、实时的目标检测
• 专利申请指南:提供了武器装备视觉检测发明专利申请的详细指南,包括专利申请文件撰写要点
和策略建议(1) - 技术创新点:
• 数据增强策略:设计了适合武器装备检测的数据增强策略,提高了数据多样性和模型泛化能力
• 模型改进:对 YOLOv11 模型进行了针对性改进,增强了小目标检测和复杂背景下的目标识别能力
• 训练方法优化:提出了分阶段训练、学习率预热等训练方法,提高了模型训练效率和稳定性
• 系统集成与部署:设计了完整的系统集成方案和部署优化策略,确保系统在实际应用中的性能(24) - 应用价值:
• 军事训练:提高训练效果评估的准确性和效率,支持战术训练的智能化
• 装备维护:实现装备状态的自动监测和识别,提高装备维护效率和质量
• 战场态势感知:提供实时、准确的目标检测和识别能力,支持作战决策和战场指挥(7)
7.2 未来研究方向与发展趋势
基于 YOLOv11 的武器装备视觉检测技术在未来还有广阔的发展空间,以下是几个值得关注的研究方向
和发展趋势:
- 多模态融合技术:
• 多传感器融合:融合可见光、红外、毫米波雷达等多种传感器数据,提高复杂环境下的检测性能
• 多模态特征融合:研究如何有效融合不同模态的特征信息,提高目标识别的准确性和鲁棒性
• 跨模态检索:研究基于视觉特征的武器装备跨模态检索技术,提高装备管理效率(24) - 自监督学习与少样本学习:
• 自监督预训练:利用大量未标注数据进行自监督预训练,减少对标注数据的依赖
• 少样本学习:研究如何在少量标注样本的情况下,快速训练出高性能的武器装备检测模型
• 元学习:研究元学习技术,使模型能够快速适应新的武器装备检测任务(43) - 模型轻量化与边缘计算:
• 模型压缩:研究更高效的模型压缩技术,在保持精度的同时进一步减小模型大小
• 硬件加速:研究专用硬件加速器和异构计算技术,提高模型推理速度
• 边缘智能:研究如何将视觉检测模型部署到边缘设备上,实现更高效的实时检测(26) - 自主学习与进化系统:
• 在线学习:研究模型在线学习技术,使系统能够在使用过程中不断学习和进化
• 主动学习:研究主动学习策略,使系统能够自主选择最有价值的数据进行标注和学习
• 知识迁移:研究如何有效利用已有的武器装备检测知识,加速新任务的学习过程(26) - 智能化应用拓展:
• 智能决策支持:研究如何将视觉检测结果与其他信息结合,提供更全面的决策支持
• 预测性维护:研究基于视觉检测的装备预测性维护技术,提前发现潜在故障
• 自主无人系统:研究将视觉检测技术应用于自主无人系统,提高其环境感知和决策能力(7)
7.3 总结与展望
基于 YOLOv11 的武器装备视觉检测技术是军事智能化发展的重要组成部分,具有广阔的应用前景和发
展空间。通过本文介绍的技术路线和方法,可以构建高性能的武器装备视觉检测系统,实现对火炮、
坦克及零部件的高精度、实时检测与识别,为军事训练、装备维护、战场态势感知等提供有力支持。
随着深度学习技术的不断发展和军事应用需求的不断提高,武器装备视觉检测技术将朝着多模态融合
、自监督学习、边缘智能等方向不断演进,为军事智能化发展提供更加强大的技术支撑。同时,相关
技术也将逐步应用到更多的军事场景中,推动军事装备管理和作战方式的创新变革。
在未来的研究和应用中,需要进一步加强基础理论研究,推动技术创新和应用创新,加强跨学科合作
,共同推动武器装备视觉检测技术的发展和应用,为国防现代化建设做出更大贡献。(7)
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[14] 用Python提高效率,批量重命名文件和文件夹大家好,我是楠少,用通俗易懂的方式,教小白
学python。 今天我们一起来 - 掘金 https://juejin.cn/post/7531888180342308904
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[21] YOLOv8/10n/11n全被KO!侧面脸+手机检测飙至87.17%极市平台 http://m.toutiao.com/group/
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[23] 全新YOLO11与OpenVINO结合:解锁高效实例分割技术,如何在C#中实现深度学习应用?检测_模
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[26] YOLO算法改进 | YOLO11改进揭秘,前沿论文精华预览为让大家能够紧跟领域前沿,小编将分享多
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[27] 手把手教你 在YOLOv11中 加模块 本期视频带大家一起动手改造 YOLOv11,缝合自定义模块,提
升检测性能!
无论你是想插入 CBAM / SE / Ghost 模块,还是学习网络结构改造思路,这期内容都能帮你快速上手。
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[30] AI底层算法创新的专利撰写:如何兼顾权利要求保护范围和客体问题?|专利撰写|客体|神经网络|算法
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[33] 【数据清洗】快速对目标检测标注数据进行分类筛选数据集的质量往往不是那么好,通常伴随着
非目标物体的出现进行误标注,或者是需 - 掘金 https://juejin.cn/post/7346486084736024617
[34] 多目标数据集中提取单个目标这是我参与11月更文挑战的第25天,活动详情查看:2021最后一次更
文挑战 环境 window - 掘金 https://juejin.cn/post/7034759384408260621
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[40] 探索YOLOv11:如何通过强数据增强提升目标检测性能_mosaic_训练_对模型 https://news.sohu.
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[43] 中国电建西北研究院申请基于元学习的大语言模型专利,提升AI训练效率与适应性_技术_应用_具
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[44] 隆天律丛∣浅谈涉及机器学习专利的撰写思路_模型 https://m.sohu.com/a/330814754_9990202
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[45] ABB申请领域知情AI模型专利,赋能驱动分析,加速工业智能化_搜狐网 https://m.sohu.com/a/9
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[46] 用AI写发明专利-抖音 https://www.iesdouyin.com/share/video/7483441684617972992/?did=
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执行Kmeans - 掘金 https://juejin.cn/post/7012918709010300936
[49] MMYOLO 自定义数据集从标注到部署保姆级教程来自社区 PeterH0323 投稿 AI 已经被应用到各行
各业,现如今 - 掘金 https://juejin.cn/post/7184756036991975481
[50] 基于yolov8分割模型实现垃圾识别 https://juejin.cn/post/7273682292538130490
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(注:文档部分内容由 AI 生成)