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Analysis of Stable Diffusion-derived fake weeds performance for training Convolutional Neural Networks

Publicado en:Computers And Electronics In Agriculture. 214 108324- - 2023-11-01 214(), DOI: https://doi.org/10.1016/j.compag.2023.108324

Autores: Moreno, H; Gómez, A; Altares-López, S; Ribeiro, A; Andújar, D

Afiliaciones

Resumen

Weeds challenge crops by competing for resources and spreading diseases, impacting crop yield and quality. Effective weed detection can enhance herbicide application, thus reducing environmental and health risks. A major challenge in Site-Specific Weed Management (SSWM) is developing a reliable weed identification system, especially given the diversity and similarity between certain weeds and crops during early growth stages. Image-based deep learning (DL) methods have become vital for weed classification. However, accurate weed classification and detection using DL techniques face the bottleneck of requiring large labeled data. Furthermore, labeling this specific extensive data is a time-consuming and tedious task apart from necessitating weed science experts. This research's central focus is to present a novel approach to weed detection using convolutional neural network (CNN) classifiers, specifically Yolov8l and RetinaNet, augmented with Stable Diffusion data i.e., artificial weed images. Stable Diffusion enhanced the training data, increasing the classifiers' adaptability. The study targeted specific weeds (Solanum nigrum L.; Portulaca oleracea L.; Setaria Verticillata L.) found in tomato crops, using a limited number of real images (30 samples) to produce artificial training images for the CNNs. All validation and test sets are comprised of real weed images. Results showed high performance when using only artificial images in terms of Mean Average Precision (mAP). In isolated conditions (0.91 mAP), i.e., only one weed species per image, an average performance gain of about 3% in all tests is obtained. When adding the artificial images to the real ones (mixed dataset), a mAP of 0.99 is obtained. In contrast, results using only artificial images obtained 0.81 mAP when detecting more than a single weed species. However, when implementing the trained CNNs with a mixed dataset, a 6% -9% performance gain was achieved in all cases. A mAP of up to 0.93 was achieved in the most challenging conditions where weed species could overlap. The results indicate that the proposed approach outperformed existing methods, such as Generative Adversarial Networks (GANs) regarding mAP. Furthermore, the Yolov8l model distinctly emerged as the most favorable option for real -time detection systems considering Frame Detection Speed (FDS). Specifically, the Yolov8l model registered an FDS of 10.2 ms, which is considerably faster when compared to the 21.2 ms that the RetinaNet model exhibited. Additionally, the method is versatile and applicable to various crops and weed species, thereby enhancing automated weed management systems. This research illustrates that Stable Diffusion can efficiently expand small image sets, significantly reducing field imaging. The study offers valuable insights for future SSWM efforts utilizing artificially generated images for weed detection and classification.

Palabras clave

AgricultureArtificial datasetCropsDeep learningNeural networksObject detection imageRobustness-data augmentationStable diffusionVisionWeeds identification

Indicios de calidad

Impacto bibliométrico. Análisis de la aportación y canal de difusión

El trabajo ha sido publicado en la revista Computers And Electronics In Agriculture debido a la progresión y el buen impacto que ha alcanzado en los últimos años, según la agencia WoS (JCR), se ha convertido en una referencia en su campo. En el año de publicación del trabajo, 2023, se encontraba en la posición 2/89, consiguiendo con ello situarse como revista Q1 (Primer Cuartil), en la categoría Agriculture, Multidisciplinary. Destacable, igualmente, el hecho de que la Revista está posicionada por encima del Percentil 90.

Desde una perspectiva relativa, y atendiendo al indicador del impacto normalizado calculado a partir de las Citas Mundiales proporcionadas por WoS (ESI, Clarivate), arroja un valor para la normalización de citas relativas a la tasa de citación esperada de: 4.57. Esto indica que, de manera comparada con trabajos en la misma disciplina y en el mismo año de publicación, lo ubica como trabajo citado por encima de la media. (fuente consultada: ESI 14 Nov 2024)

Esta información viene reforzada por otros indicadores del mismo tipo, que aunque dinámicos en el tiempo y dependientes del conjunto de citaciones medias mundiales en el momento de su cálculo, coinciden en posicionar en algún momento al trabajo, entre el 50% más citados dentro de su temática:

  • Media Ponderada del Impacto Normalizado de la agencia Scopus: 5.19 (fuente consultada: FECYT Feb 2024)

De manera concreta y atendiendo a las diferentes agencias de indexación, el trabajo ha acumulado, hasta la fecha 2025-06-08, el siguiente número de citas:

  • WoS: 21
  • Scopus: 27

Impacto y visibilidad social

Desde la dimensión de Influencia o adopción social, y tomando como base las métricas asociadas a las menciones e interacciones proporcionadas por agencias especializadas en el cálculo de las denominadas “Métricas Alternativas o Sociales”, podemos destacar a fecha 2025-06-08:

  • La utilización de esta aportación en marcadores, bifurcaciones de código, añadidos a listas de favoritos para una lectura recurrente, así como visualizaciones generales, indica que alguien está usando la publicación como base de su trabajo actual. Esto puede ser un indicador destacado de futuras citas más formales y académicas. Tal afirmación es avalada por el resultado del indicador “Capture” que arroja un total de: 61 (PlumX).

Con una intencionalidad más de divulgación y orientada a audiencias más generales podemos observar otras puntuaciones más globales como:

    Es fundamental presentar evidencias que respalden la plena alineación con los principios y directrices institucionales en torno a la Ciencia Abierta y la Conservación y Difusión del Patrimonio Intelectual. Un claro ejemplo de ello es:

    • El trabajo se ha enviado a una revista cuya política editorial permite la publicación en abierto Open Access.