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收稿日期:2026-04-28
出版日期:2026-07-17
基金项目:作者简介:刘思伊,本科,研究方向为计算机视觉。E-mail:2023308250109@cau.edu.cn
通信作者:
Received:2026-04-28
Online:2026-07-17
Foundation items:National Key Research and Development Program of China(2024YFD2000304); Post Expert Project of the Beijing Smart Agriculture Innovation Team, Modern Agriculture Industry Technology System(BAIC10-2026-E14)
About author:LIU Siyi, E-mail: 2023308250109@cau.edu.cn
Corresponding author:摘要:
【目的】 荷斯坦奶牛养殖环境存在光照复杂、遮挡多等干扰因素,且现有AI模型对奶牛蹄部、耳尖等末端关键点表征不足,导致姿态估计精度不高。为提高复杂牛舍场景下奶牛姿态估计的精度与鲁棒性,以YOLOv11n-Pose为基础模型,提出一种融合自适应注意力与多尺度感知的轻量化奶牛姿态估计算法YOLOv11n-AS4D。 【方法】 针对蹄部、耳尖等末端关键点因多级下采样导致的空间信息衰减,设计基于P2高分辨率特征的非对称四尺度检测头,通过渐进式通道配置与单向特征流提升细粒度空间表征能力;针对遮挡与背景纹理相似条件下特征判别不稳定问题,提出Adaptive SimAM模块,通过自适应正则化、多尺度能量建模与层级差异化部署增强关键点特征的判别稳定性。 【结果】 改进模型在自建与CMBN数据集上的精确率为97.6%和98.0%,召回率为97.6%和98.7%,mAP@0.5:0.95为84.6%和83.8%,较YOLOv11n-Pose的mAP@0.5:0.95分别提升1.2和1.4个百分点,精确率分别提升0.4和0.3个百分点,召回率分别提升0.4和0.5个百分点;参数量由2.90/2.91 M降至2.27/2.28 M;计算量由7.3/7.2增至9.8 GFLOPs,端到端推理速度为83.1帧/s,表明模型以一定计算开销换取更高定位精度,并保持实时推理能力。 【结论】 该模型以适度增加计算量为代价,降低了参数量并提升了姿态估计精度,有效缓解了末端关键点空间信息衰减与复杂遮挡下的特征判别不稳定,可为奶牛行为识别与养殖管理提供骨架感知支撑。
中图分类号:
刘思伊, 李振波. 融合SimAM与四尺度检测的YOLOv11荷斯坦奶牛姿态估计[J]. 智慧农业(中英文), doi: 10.12133/j.smartag.SA202604052.
LIU Siyi, LI Zhenbo. Holstein Cattle Pose Estimation via YOLOv11 with Integrated SimAM and Four-Scale Detection[J]. Smart Agriculture, doi: 10.12133/j.smartag.SA202604052.
表5
自建荷斯坦奶牛姿态估计数据集上YOLOv11n-AS4D消融实验结果
| 方法 | 精确率/% | 召回率/% | mAP@0.5/% | mAP@0.5:0.95/% | Params/M | 计算量/GFLOPs | FPS/(帧/s) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| YOLOv11n-Pose | 97.2±0.2 | 97.2±0.2 | 97.7±0.1 | 83.4±0.2 | 2.90 | 7.3 | 93.2 |
| +Adaptive SimAM | 97.4±0.1 | 97.6±0.1 | 97.6±0.1 | 84.0±0.2 | 2.92 | 7.3 | 91.5 |
| +4Scale | 97.2±0.1 | 97.4±0.1 | 98.1±0.1 | 83.8±0.2 | 2.25 | 9.7 | 84.3 |
| YOLOv11n-AS4D | 97.6±0.2 | 97.6±0.1 | 98.2±0.1 | 84.6±0.3 | 2.27 | 9.8 | 83.1 |
表6
CMBN牛只姿态估计数据集上YOLOv11n-AS4D消融实验结果
| 方法 | 精确率/% | 召回率/% | mAP@0.5/% | mAP@0.5:0.95/% | Params/M | 计算量/GFLOPs | FPS(帧/s) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| YOLOv11n-Pose | 97.7±0.1 | 98.2±0.2 | 98.3±0.1 | 82.4±0.3 | 2.91 | 7.2 | 93.2 |
| +Adaptive SimAM | 97.8±0.2 | 98.6±0.2 | 98.9±0.2 | 83.2±0.2 | 2.92 | 7.3 | 91.5 |
| +4Scale | 97.8±0.1 | 98.5±0.2 | 98.4±0.1 | 83.1±0.4 | 2.26 | 9.7 | 84.3 |
| YOLOv11n-AS4D | 98.0±0.1 | 98.7±0.1 | 98.9±0.2 | 83.8±0.3 | 2.28 | 9.8 | 83.1 |
表11
自建荷斯坦奶牛姿态数据集上不同算法对比实验结果
| 方法 | 精确率/% | 召回率/% | mAP@0.5/% | mAP@0.5:0.95/% | Params/M | 计算量/GFLOPs |
|---|---|---|---|---|---|---|
| HRNet-W325] | 96.3±0.2 | 96.0±0.2 | 96.9±0.1 | 81.7±0.3 | 28.54 | 15.7 |
| RTMPose-S[ | 96.1±0.2 | 91.0±0.3 | 95.5±0.2 | 83.1±0.3 | 5.47 | 5.4 |
| WU[ | 96.7±0.1 | 97.0±0.2 | 96.6±0.1 | 84.0±0.3 | 6.90 | 6.8 |
| ZHAO[ | 97.4±0.2 | 97.4±0.2 | 98.0±0.1 | 83.9±0.2 | 3.11 | 8.1 |
| YOLOv5 | 96.6±0.2 | 96.8±0.2 | 97.0±0.1 | 81.9±0.2 | 2.78 | 6.7 |
| YOLOv6 | 97.1±0.2 | 96.3±0.2 | 97.5±0.1 | 82.8±0.3 | 4.40 | 12.3 |
| YOLOv8n-Pose | 97.2±0.1 | 97.0±0.2 | 97.7±0.1 | 83.2±0.2 | 3.00 | 8.2 |
| YOLOv10n | 95.4±0.2 | 96.4±0.2 | 97.6±0.1 | 83.0±0.3 | 2.73 | 7.1 |
| YOLOv12[ | 97.0±0.2 | 95.8±0.2 | 97.4±0.2 | 80.5±0.4 | 2.83 | 7.5 |
| YOLOv13[ | 97.2±0.2 | 97.4±0.2 | 96.2±0.2 | 81.3±0.3 | 2.72 | 7.3 |
| YOLOv11n-Pose | 97.2±0.2 | 97.2±0.2 | 97.7±0.1 | 83.4±0.2 | 2.90 | 7.3 |
| YOLOv11n-AS4D | 97.6±0.2 | 97.6±0.1 | 98.2±0.1 | 84.6±0.3 | 2.27 | 9.8 |
表12
CMBN奶牛姿态数据集上不同算法对比实验结果
| 方法 | 精确率/% | 召回率/% | mAP@0.5/% | mAP@0.5:0.95/% | Params/M | 计算量/GFLOPs |
|---|---|---|---|---|---|---|
| HRNet-W32[ | 97.1±0.2 | 97.0±0.2 | 97.3±0.1 | 82.5±0.3 | 28.12 | 15.7 |
| RTMPose-S[ | 96.4±0.2 | 88.8±0.3 | 95.8±0.2 | 82.0±0.3 | 5.45 | 5.4 |
| WU[ | 97.0±0.2 | 97.1±0.2 | 96.6±0.1 | 82.9±0.3 | 6.90 | 6.8 |
| Zhao[ | 97.8±0.22 | 97.9±0.2 | 98.0±0.2 | 82.7±0.2 | 3.11 | 8.1 |
| YOLOv5 | 97.4±0.2 | 97.9±0.2 | 97.4±0.2 | 80.9±0.3 | 2.78 | 6.7 |
| YOLOv6 | 97.9±0.1 | 97.3±0.2 | 98.0±0.2 | 81.9±0.3 | 4.32 | 12.3 |
| YOLOv8n-Pose | 97.9±0.2 | 98.0±0.2 | 98.1±0.1 | 82.2±0.2 | 3.00 | 8.2 |
| YOLOv10n | 96.2±0.2 | 97.4±0.2 | 98.1±0.2 | 82.1±0.3 | 2.73 | 7.1 |
| YOLOv12[ | 97.8±0.3 | 96.8±0.2 | 97.9±0.1 | 79.9±0.4 | 2.83 | 7.5 |
| YOLOv13[ | 98.0±0.2 | 98.5±0.2 | 96.5±0.2 | 81.7±0.3 | 2.70 | 7.3 |
| YOLOv11n-Pose | 97.7±0.1 | 98.2±0.2 | 98.3±0.1 | 82.4±0.3 | 2.91 | 7.2 |
| YOLOv11n-AS4D | 98.0±0.1 | 98.7±0.1 | 98.9±0.2 | 83.8±0.3 | 2.28 | 9.8 |
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