基于深度学习的校园食堂菜品智能结算系统

校园食堂菜品智能结算系统说明文档

1. 系统概述

本系统是一款基于YOLO深度学习算法的校园食堂菜品智能结算平台，旨在通过计算机视觉技术实现食堂菜品的自动识别与结算，提高结算效率，减少人工成本，优化用户体验。系统采用PyQt5框架开发图形用户界面，集成了YOLO模型进行菜品检测，并提供了完整的用户登录、菜品识别、价格计算、支付结算及数据统计分析等功能。

2. 系统架构

2.1 总体架构

系统采用模块化设计，主要包含以下几个核心模块：

• 用户认证模块：实现用户登录与身份验证

• 菜品检测模块：基于YOLO算法实现菜品的自动识别

• 价格计算模块：根据识别结果自动计算总价

• 支付结算模块：生成支付二维码，完成支付流程

• 数据统计模块：对历史交易数据进行统计分析与可视化

2.2 技术栈

• 前端界面：PyQt5

• 深度学习框架：Ultralytics YOLO

• 图像处理：OpenCV

• 数据可视化：Matplotlib

• 二维码生成：qrcode

3. 功能模块详解

3.1 用户认证模块

用户认证模块通过LoginDialog类实现，提供了用户登录界面，支持用户名密码验证功能。系统默认管理员账号为admin，密码为123456。

登录界面设计美观，包含以下元素：

• 系统标题与Logo

• 用户名与密码输入框

• 记住密码与自动登录选项

• 登录按钮

3.2 菜品检测模块

菜品检测模块是系统的核心，通过集成YOLO模型实现对食品图像的自动识别。主要功能包括：

• 图像上传：支持从本地选择图片文件

• 模型配置：可调整检测置信度阈值

• 菜品识别：使用预训练的YOLO模型识别图像中的菜品

• 结果展示：在界面上显示原始图像与标注后的检测结果

检测过程由detect_food()方法实现，该方法加载YOLO模型，对输入图像进行处理，并返回检测结果，包括菜品类别、数量等信息。

3.3 YOLO模型训练

YOLO模型训练是系统的关键环节，主要包括以下步骤：

3.3.1 数据集准备

• 数据收集：从各种食堂环境中收集菜品图像，包括不同角度、光照条件下的菜品照片

• 数据标注：使用标注工具（如Labelimg、CVAT等）对图像中的菜品进行边界框标注

• 数据增强：通过旋转、缩放、裁剪等方式扩充数据集，提高模型泛化能力

• 数据集划分：将标注好的数据集按照8:1:1的比例划分为训练集、验证集和测试集


3.3.2 模型选择与配置

• 模型选择：采用YOLOv8作为基础模型，该模型在目标检测任务中表现优异

• 模型配置：根据菜品检测任务的特点，调整模型参数，包括学习率、批次大小、训练轮数等

• 预训练权重：使用在COCO数据集上预训练的权重初始化模型，加速收敛

3.3.3 训练过程

• 环境配置：在GPU环境下配置Ultralytics YOLO训练环境

• 训练命令：使用以下命令进行模型训练

  yolo train model=yolov8n.pt data=food_dataset.yaml epochs=100 imgsz=640 batch=16

• 训练监控：通过TensorBoard实时监控训练过程，包括损失函数变化、准确率等指标

• 模型评估：在验证集上评估模型性能，计算mAP、精确率、召回率等指标

3.3.4 训练结果分析

训练过程中，模型的性能指标逐步提升。从训练日志可以看出：

• 初始阶段（0-10轮）：模型快速学习，mAP50从0.12742提升到0.70389

• 中期阶段（10-50轮）：学习速度放缓，mAP50从0.70389提升到0.99263

• 后期阶段（50-100轮）：模型趋于稳定，mAP50维持在0.99左右

最终模型在验证集上的主要性能指标如下：

• 精确率(Precision)：0.96759

• 召回率(Recall)：0.98275

• mAP50：0.99272

• mAP50-95：0.81755

3.3.5 验证集表现

验证集上的检测效果展示：

3.3.6 标签分析

数据集中的标签分布情况：

3.3.7 模型部署

• 模型转换：将训练好的模型转换为适合部署的格式

• 集成应用：将模型集成到PyQt5应用程序中

• 性能优化：优化推理过程，提高检测速度

3.4 价格计算模块

价格计算模块根据检测结果自动计算菜品总价。系统内置了各种菜品的价格表，通过update_stats_table()方法将检测结果与价格信息关联，计算每种菜品的小计金额与总价。

价格信息在init_food_prices()方法中初始化，包含了多种常见菜品的单价。系统支持实时更新价格表，以适应菜品价格的变动。

3.5 支付结算模块

支付结算模块通过PaymentDialog类实现，提供了二维码支付界面。主要功能包括：

• 显示应付金额

• 生成支付二维码

• 确认支付流程

• 更新历史交易记录

支付成功后，系统会自动更新历史统计数据，并清空当前检测结果，为下一次交易做准备。

3.6 数据统计模块

数据统计模块通过StatisticsDialog类实现，提供了数据分析与可视化功能。主要特点包括：

• 时间范围选择：支持今日、本周、本月、本年及自定义时间范围

• 多维度统计：包括销售额占比、热门菜品排行、菜品销售额对比等

• 图表可视化：使用饼图、柱状图等直观展示统计结果

• 详细数据表格：展示交易明细，包括日期、菜品名称、数量、单价等信息

统计图表通过MplCanvas类实现，该类继承自FigureCanvasQTAgg，提供了绘制各类图表的功能。

4. 界面设计

系统界面采用现代化设计风格，布局合理，操作直观。主界面分为三个主要区域：

• 左侧区域：显示原始图像与检测结果图像

• 中间区域：显示当前检测结果与历史统计数据

• 右侧区域：提供用户信息、模型配置与控制面板

界面采用渐变背景色，按钮与控件设计美观，提供良好的视觉体验。系统还支持状态栏显示，实时反馈操作结果与系统状态。

5. 使用流程

5.1 基本使用流程

1. 启动系统，进入登录界面

2. 输入用户名密码登录系统

3. 点击"选择图片"按钮上传菜品图像

4. 点击"开始检测"按钮进行菜品识别

5. 系统显示检测结果与价格计算

6. 点击"结算支付"按钮进入支付界面

7. 扫描二维码完成支付

8. 点击"完成支付"按钮完成交易

5.2 数据统计流程

1. 点击"统计分析"按钮进入统计分析界面

2. 选择时间范围

3. 点击"查询"按钮更新统计数据

4. 切换标签页查看不同维度的统计图表

5. 查看详细数据表格

6. 系统特点与优势

• 智能识别：基于先进的YOLO算法，实现菜品的精准识别

• 实时计算：自动计算菜品价格，提高结算效率

• 便捷支付：集成二维码支付功能，简化支付流程

• 数据分析：提供多维度的数据统计与可视化，辅助经营决策

• 界面友好：采用现代化设计，操作简单直观

• 可扩展性：模块化设计，易于扩展新功能

7. 未来展望

系统目前已实现基本功能，未来可考虑以下方向进行优化与扩展：

• 增加数据库支持，实现用户数据与交易记录的持久化存储

• 优化YOLO模型，提高菜品识别的准确率与速度

• 增加移动端支持，开发配套的手机应用

• 集成更多支付方式，如支付宝、微信支付API等

• 增强数据分析功能，提供更丰富的统计报表

8. 总结

校园食堂菜品智能结算系统通过深度学习技术与现代化界面设计，实现了菜品的自动识别与结算，为校园食堂提供了一种高效、便捷的结算解决方案。系统不仅提高了结算效率，减少了人工成本，还通过数据统计分析功能，为食堂经营管理提供了决策支持。

YOLO模型的训练与优化是系统的核心技术环节，通过精心设计的数据集和训练策略，使模型能够准确识别各种菜品，为系统的智能化提供了坚实基础。随着人工智能技术的不断发展，该系统还有广阔的优化与扩展空间，有望在未来为校园食堂的智能化管理做出更大贡献。