Weed management plays an important role in many modern agricultural applications. Conventional weed control methods mainly rely on chemical herbicides or hand weeding, which are often cost-ineffective, environmentally unfriendly, or even posing a threat to food safety and human health. Recently, automated/robotic weeding using machine vision systems has seen increased research attention with its potential for precise and individualized weed treatment. However, dedicated, large-scale, and labeled weed image datasets are required to develop robust and effective weed identification systems but they are often difficult and expensive to obtain. To address this issue, data augmentation approaches, such as generative adversarial networks (GANs), have been explored to generate highly realistic images for agricultural applications. Yet, despite some progress, those approaches are often complicated to train or have difficulties preserving fine details in images. In this paper, we present the first work of applying diffusion probabilistic models (also known as diffusion models) to generate high-quality synthetic weed images based on transfer learning. Comprehensive experimental results show that the developed approach consistently outperforms several state-of-the-art GAN models, representing the best trade-off between sample fidelity and diversity and highest FID score on a common weed dataset, CottonWeedID15. In addition, the expanding dataset with synthetic weed images can apparently boost model performance on four deep learning (DL) models for the weed classification tasks. Furthermore, the DL models trained on CottonWeedID15 dataset with only 10% of real images and 90% of synthetic weed images achieve a testing accuracy of over 94%, showing high-quality of the generated weed samples. The codes of this study are made publicly available at https://github.com/DongChen06/DMWeeds.


翻译:常规除草剂控制方法主要依赖化学除草剂或手除草剂,这些方法往往具有成本效益低、环境不友好,甚至对食品安全和人类健康构成威胁。最近,使用机器视觉系统的自动/机器人除草剂使用机器视觉系统增加了研究的注意力,有可能进行精确和个性化的除草处理。然而,需要专门、大规模和贴标签的除草图像数据集来开发强大和有效的除草识别系统,但这些系统往往难以获取。为了解决这一问题,已经探索了数据增强方法,例如基因式对称图像(GANs)等,为农业应用制作了非常现实的图像。然而,尽管有些进展,这些方法往往比较复杂,或者难以保存图像中的精细细节。在本论文中,我们介绍应用传播稳定模型(也称为传播模型)以传输学习为基础生成高品质的合成除草剂图像。全面实验结果表明,开发的方法始终超越了数个州级的(GAN)直线式对面图像(GANs)网络图像(GANs)的升级方法, 展示了我们最高级的磁度数据样本。

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