Dit protocol vergelijkt zes YOLO-modellen voor real-time detectie van veegedrag ter ondersteuning van welzijn en optimalisatie van het bedrijfsbeheer.
Een abonnement op JoVE is vereist om deze inhoud te bekijken. Log in of start vandaag met uw gratis proefperiode.
Methodenartikel
Dit protocol vergelijkt zes YOLO-modellen voor real-time detectie van veegedrag ter ondersteuning van welzijn en optimalisatie van het bedrijfsbeheer.
Real-time en nauwkeurige detectie van het gedrag van runderen is cruciaal voor het verbeteren van het dierenwelzijn en het optimaliseren van het veebeheer. Om dit aan te pakken, evalueert deze studie uitgebreid zes door de gemeenschap ontwikkelde lichtgewicht YOLO-modellen (You Only Look Once) - YOLOv8n, YOLOv9t, YOLOv10n, YOLOv11n, YOLOv12n en YOLOv13n - voor het herkennen van vijf belangrijke gedragingen van runderen (staan, liggen, foerageren, drinken en herkauwen) met behulp van de aangepaste CBVD-5-dataset. De dataset omvat diverse lichtomstandigheden en natuurlijke stalomgevingen om real-world monitoringscenario's weer te geven. Alle modellen werden beoordeeld aan de hand van standaard objectdetectiemetrieken (precisie, terugroepen, mAP@50 en mAP@50-95) en implementatiegerichte indicatoren, waaronder inferentietijd, frames per seconde (FPS), modelgrootte en trainingsduur om een evenwichtige evaluatie van nauwkeurigheid en efficiëntie te bieden. YOLOv13n behaalde de hoogste mAP@50-95 (0,712), terwijl YOLOv11n de hoogste mAP@50 bereikte (0,967) en een stabiele convergentie vertoonde met een goede afweging tussen detectienauwkeurigheid en inferentiesnelheid. YOLOv10n demonstreerde de hoogste deductiesnelheid (1,2 ms/frame, ~833 FPS), waardoor het zeer geschikt is voor latentiegevoelige toepassingen zoals continue stalbewaking. Alle modellen behielden compacte formaten van minder dan 6 MB en een real-time doorvoer van meer dan ~300 FPS, wat hun bruikbaarheid voor edge-implementatie bevestigt. De resultaten vormen een reproduceerbaar benchmarkingkader voor het evalueren van moderne YOLO-varianten, en bieden inzicht in modelselectie voor efficiënte, schaalbare en welzijnsgerichte veemonitoringsystemen.
Het efficiënt monitoren van het gedrag van runderen is essentieel in de precisieveehouderij, ter ondersteuning van welzijnsmanagement, ziektedetectie en operationele optimalisatie. Niet-invasieve, op visie gebaseerde benaderingen zijn bijzonder veelbelovend vanwege hun schaalbaarheid en veelzijdigheid. Gestandaardiseerde datasets zoals CBVD-5 (Cow Behavior Video Dataset with 5 classes) bieden diverse gedragsannotaties over verschillende lichtomstandigheden, waardoor ze waardevolle benchmarks zijn in dit domein1. In de meeste praktische boerderijomgevingen zijn camera's op een matige hoogte bevestigd met relatief stabiele verlichting, hoewel incidentele occlusie bij runderen de detectieprestaties kan beïnvloeden. Gedragsherkenning bij vee wordt nog steeds geconfronteerd met uitdagingen zoals occlusie, bewegingsvariabiliteit en schaarse trainingsgegevens. Om deze uitdagingen aan te gaan, hebben eerdere werken sensorgebaseerde benaderingen onderzocht2, beeldpatroonmodellering3 en ensemble deep learning-strategieën4. Objectdetectieframeworks zoals YOLO (You Only Look Once), voor het eerst geïntroduceerd door Redmon et al.5, en de meer geavanceerde versie YOLOv76, vallen op door hun vermogen om detectienauwkeurigheid, latentie en rekenefficiëntie in evenwicht te brengen. In dit onderzoek verwijst real-time prestaties naar het bereiken van een inferentiesnelheid van meer dan 30 frames per seconde (FPS), wat zorgt voor een soepele en continue op video gebaseerde gedragstracking in praktische boerderijomgevingen. Deze studie evalueert systematisch de prestaties van YOLOv8n tot en met YOLOv13n op de CBVD-5-dataset, waarbij de nadruk wordt gelegd op realtime gedragsdetectie en implementatiebeperkingen. Recente ontwikkelingen in de YOLO-architectuur, waaronder de open community-releases YOLOv87, YOLOv98, YOLOv109, YOLOv1110, YOLOv1211 en YOLOv1312, hebben verbeteringen geïntroduceerd in detectieprecisie en rekenefficiëntie. Deze modellen maken gebruik van innovaties zoals multitasken, ankervrije koppen en geoptimaliseerd overdrachtsleren, waardoor ze geschikter zijn voor omgevingen met beperkte middelen die doorgaans worden aangetroffen in grootschalige veehouderijen. Voor zover wij weten, is er echter geen uitgebreide studie geweest die deze modellen specifiek evalueert voor de herkenning van het gedrag van runderen. Om deze leemte op te vullen, voeren we een vergelijkende evaluatie uit van recente YOLO-modellen (v8n-v13n) voor het detecteren van veegedrag met behulp van een dataset die is ontworpen om real-world boerderijomgevingen te simuleren. De modellen worden geëvalueerd aan de hand van standaard detectiemetrieken zoals gemiddelde gemiddelde precisie (mAP), precisie, terugroepactie, deductietijd en FPS om te bepalen welke variant het meest geschikt is voor real-time veemonitoringtoepassingen in landbouwomstandigheden. In plaats van een nieuwe architectuur voor te stellen, stelt deze studie een systematisch en reproduceerbaar benchmarkingkader vast voor recente YOLO-varianten in de context van het monitoren van het gedrag van vee, waarbij een lacune in de huidige literatuur wordt aangepakt waar hun vergelijkende prestaties grotendeels onontgonnen blijven.
De YOLO-familie van objectdetectoren heeft een aanzienlijk geavanceerd real-time computervisie, vooral in toepassingen die zowel snelheid als nauwkeurigheid vereisen. Bij de herkenning van het gedrag van runderen, waar real-time monitoring van veebewegingen essentieel is, maakt YOLO's balans van deze kenmerken het zeer effectief. Deze recensie schetst de evolutie van YOLO-modellen, van vroege versies tot de meest recente, en belicht de belangrijkste innovaties die relevant zijn voor het detecteren van veegedrag. Elke iteratie heeft verbeteringen geïntroduceerd in detectiesnelheid, nauwkeurigheid en robuustheid onder boerderijomstandigheden, waardoor YOLO-modellen steeds geschikter worden voor het monitoren van vee in dynamische omgevingen.
De vroege generaties YOLO (v1-v3) legden de basis voor eentraps objectdetectie door classificatie en lokalisatie te verenigen in een enkel regressiekader. Deze versies verbeterden geleidelijk de inferentiesnelheid, ruimtelijke precisie en detectiecapaciteit op meerdere schalen, waardoor de basis werd gelegd voor het toepassen van YOLO in gedragsanalyse van vee en andere realtime landbouwscenario's 13,14,15,16. Met de release van YOLOv4 in 2020 onderging de architectuur verdere verfijningen, waaronder de acceptatie van de Cross Stage Partial (CSP) backbone, Mish-activering en geavanceerde functie-aggregatietechnieken 17,18,19. Deze updates verbeterden de modelprestaties op kleinere datasets, een veelvoorkomend scenario bij het detecteren van veegedrag vanwege de beperkte geannoteerde steekproeven voor zeldzame gebeurtenissen. Het community-gedreven YOLOv5-project, dat in 2020 door Ultralytics werd gelanceerd, werd wijdverbreid toegepast vanwege het modulaire ontwerp en het gemak van implementatie via een PyTorch-framework20. Hoewel YOLOv5 niet vergezeld ging van een collegiaal getoetst artikel, werd het de facto een basislijn in real-time veedetectietaken vanwege de sterke balans tussen nauwkeurigheid en implementatieflexibiliteit. YOLOv6, uitgebracht in 2022, gaf prioriteit aan hardwarevriendelijk ontwerp met de EfficientRep-backbone en Rep-PAN-hals21,22. Door ankervrije detectie op te nemen, verbeterde het model de robuustheid in scenario's met occlusie en gedeeltelijk zicht, omstandigheden die vaak voorkomen in drukke veeomgevingen. YOLOv7 heeft de rekenefficiëntie verder geoptimaliseerd via de E-ELAN-architectuur, waardoor snellere training en verbeterde prestaties op meerdere detectieschalen mogelijk zijn23. Tegelijkertijd hebben alternatieve modellen zoals YOLOX24 en YOLOR25 geavanceerde detectiesnelheid en generalisatie, beide essentiële kenmerken voor bewakingssystemen voor vee in de buitenlucht. De release van YOLOv8 door Ultralytics in 2023 introduceerde verschillende architecturale wijzigingen, waaronder ankervrije koppen, structurele herparametrisering en sterkere augmentatiestrategieën. Deze updates leverden aanzienlijke winsten op in zowel detectieprecisie als inferentiesnelheid, waardoor YOLOv8 een concurrerende optie is voor real-time analyse van het gedrag van vee. De evolutie zette zich voort met de opkomst van YOLOv9, YOLOv10, YOLOv11, YOLOv12 en YOLOv13. YOLOv9 integreerde multi-task learning om gezamenlijk de classificatie, lokalisatie en ondersteunende taken zoals keypoint-detectie te verbeteren. YOLOv10 is op dit fundament gebouwd door domeinaanpassingsmodules en segmentatiebewuste aandachtsmechanismen in te bedden. YOLOv11 introduceerde zelfgecontroleerde trainingsprotocollen die de afhankelijkheid van volledig gelabelde gegevens verminderden, wat voordelen biedt in toepassingen met weinig gegevens, zoals het monitoren van het gedrag van vee. YOLOv12 legde de nadruk op verbeterde functiefusie en dynamische herparametrisering. Ten slotte bevatte YOLOv13 op transformatoren gebaseerde modules en spatio-temporele aandacht, die superieure prestaties bieden voor detectie met hoge snelheid en lage latentie in complexe, realtime landbouwscenario's.
In de afgelopen jaren zijn op YOLO gebaseerde deep learning-modellen op grote schaal gebruikt voor geautomatiseerde en realtime monitoring van het gedrag van vee vanwege hun efficiëntie en nauwkeurigheid. Vóór de invoering van op YOLO gebaseerde detectoren hadden verschillende vroege op visie gebaseerde systemen de haalbaarheid van beeldgestuurde veemonitoring aangetoond. Sumi et al. ontwikkelden bijvoorbeeld een koemonitoringssysteem voor afkalfdetectie met behulp van bewegingsanalyse26, terwijl Zin et al. een op deep learning gebaseerd koe-identificatiekader voorstelden dat een herkenningsnauwkeurigheid van 97% bereikt27. Deze werkzaamheden legden de basis voor latere benaderingen voor objectdetectie in de precisieveehouderij. Verschillende onderzoeken hebben verschillende YOLO-varianten toegepast voor gedragsclassificatie, bewegingsregistratie en houdingsherkenning onder verschillende omstandigheden. Mu et al. stelde bijvoorbeeld een verbeterd lichtgewicht Cattle Behavior Recognition-YOLO28 (CBR-YOLO) model voor op basis van YOLOv8, geoptimaliseerd voor weersadaptatie in meerdere scènes. Het model behaalde een gemiddelde nauwkeurigheid van 90,2% en verminderde het aantal parameters aanzienlijk. Tong et al. introduceerde het YOLO-BoT-model29, waarbij aandachts- en transformatorgebaseerde modules in YOLOv8 werden opgenomen voor het detecteren en volgen van veegedrag in complexe omgevingen, waarbij een detectie-mAP van 91,7% werd bereikt bij 31,2 FPS. Hao et al. integreerden een Efficient Multi-Scale Attention (EMA)-mechanisme in YOLOv530 (YOLOv5-EMA), dat de detectieprestaties voor lichaamsdelen van runderen (bijv. hoofd, benen) verbeterde en mAP-waarden tussen 94,8% en 95,5% bereikte. Guarnido-Lopez et al.31 evalueerden YOLOv8 en YOLOv10 voor de herkenning van voedingsgerelateerd gedrag (bijv. kauwen, bijten, naderen) bij Charolais-stieren, en rapporteerden dat YOLOv10 iets beter presteerde dan YOLOv8 in mAP@50, mAP@50-95, precisie en recall, terwijl YOLOv8 snellere convergentie en lagere overfitting vertoonde. Hoewel YOLOv1 tot en met YOLOv8 op grote schaal zijn toegepast en gevalideerd voor veegerelateerde taken, blijft de toepasbaarheid van YOLOv9 tot en met YOLOv13 in dit domein onderbelicht. Tot op heden is er geen uitgebreide evaluatie geweest van deze nieuwere modellen voor het detecteren van veegedrag, wat een kritieke lacune in bestaand onderzoek aan het licht brengt en verder onderzoek naar hun prestaties in de echte wereld motiveert.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
1. Voorbereiding van de dataset
OPMERKING: Bij dit onderzoek waren geen nieuwe dierproeven betrokken. Alle gegevens zijn afkomstig uit de openbaar beschikbare CBVD-5-dataset, die door de oorspronkelijke auteurs is verzameld en vrijgegeven in overeenstemming met de richtlijnen voor institutionele dierenverzorging. Daarom was er geen aanvullende ethische goedkeuring nodig voor dit werk.
2. Modelselectie en -instelling
3. Model training
4. Evaluatie van het model
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
In dit gedeelte worden de evaluatieresultaten gepresenteerd van YOLOv8 tot en met YOLOv13-modellen op de CBVD-5-dataset voor herkenning van meervoudig gedrag van runderen. De analyse richt zich op detectienauwkeurigheid, trainingsconvergentie, gedragsdistributie en geschiktheid voor implementatie in omgevingen met beperkte middelen. De kwaliteit van de dataset en de balans van de klas volgen de splitsingen die in het protocol worden beschreven (70/20/10), waardoor een consistente weergave van alle vijf gedragingen in tra...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
Het algehele succes van het voorgestelde vergelijkende raamwerk hangt in belangrijke mate af van verschillende protocolstappen, waaronder hoogwaardige gedragsannotatie, diverse gegevensvergroting en stabiele convergentiemonitoring tijdens de training. Deze factoren zorgen ervoor dat de verschillen in modelprestaties een weerspiegeling zijn van echte architecturale variatie in plaats van gegevens of trainingsruis. Deze studie evalueerde systematisch zes lichtgewicht YOLO-varianten (v8n to...
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
De auteurs verklaren dat ze geen concurrerende belangen hebben.
Dit werk werd gefinancierd door een overbruggingssubsidie van de Universiti Sains Malaysia, projectnummer: R501-LR-RND003-0000001342-0000.
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.
| Naam | Bedrijf | Catalogusnummer | Opmerkingen |
|---|---|---|---|
| Dahua DH-NVR2216-HDS3 Recorder | Dahua Technology | https://www.dahuasecurity.com/ | |
| Dahua DH-S3000C-16GT Gigabit Switch | Dahua Technology | https://www.dahuasecurity.com/ | |
| Dahua M/K Surveillance Camera (2.8 mm / 3.6 mm lens) | Dahua Technology | https://www.dahuasecurity.com/ | |
| Google Colab Pro | https://colab.research.google.com/ | ||
| Matplotlib | Matplotlib Community | https://matplotlib.org/ | |
| NVIDIA A100 GPU | NVIDIA | https://www.nvidia.com/en-us/data-center/a100/ | |
| NumPy | NumPy Community | https://numpy.org/ | |
| OpenCV | OpenCV.org | https://opencv.org/ | |
| Optuna (Hyperparameter Optimization) | Optuna.org | https://optuna.org/ | |
| Pandas | Pandas Community | https://pandas.pydata.org/ | |
| PyTorch (v2.0+) | PyTorch Foundation | https://pytorch.org/ | |
| Python (v3.10) | Python Software Foundation | https://www.python.org/ | |
| Roboflow TSL Dataset | Roboflow | https://roboflow.com/ | |
| Ubuntu 20.04 LTS | Canonical | https://ubuntu.com/ | |
| Visual Studio Code | Microsoft | https://code.visualstudio.com/ | |
| YOLOv13 | Ultralytics | https://github.com/ultralytics/YOLOv13 | |
| YOLOv9 | Ultralytics | https://github.com/ultralytics/YOLOv9 |
Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.