李 玲 ， 李艷樂 ， 郭海麗 ， 蘇明敏

（衡水學(xué)院，河北 衡水 053000）

1 基于CNN的蘋果樹病蟲害識(shí)別流程

為了探究農(nóng)作物病蟲害自動(dòng)識(shí)別方式，課題組以蘋果樹為對象，收集病害蘋果樹葉樣本，基于卷積網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)蘋果樹生長階段過程中病蟲害及類型的識(shí)別。結(jié)合數(shù)據(jù)樣本以及其圖像數(shù)據(jù)特點(diǎn)，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，搭建CNN模型，在本文中稱其為CNNModel，最后在完成模型設(shè)計(jì)以及訓(xùn)練之后，將其部署在計(jì)算機(jī)設(shè)備中，接入攝像頭模塊以及相關(guān)執(zhí)行控制模塊，通過實(shí)時(shí)采集圖像后進(jìn)行分類識(shí)別從而根據(jù)所識(shí)別的類型實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能。如圖1所示。

圖1 基于CNN的蘋果樹病蟲害識(shí)別流程

首先人工收集標(biāo)注的蘋果樹葉圖像數(shù)據(jù)集，在搭建的識(shí)別模型上進(jìn)行訓(xùn)練，然后將其部署在連接了相機(jī)的后端設(shè)備中，連接的相機(jī)以一定的角度實(shí)時(shí)拍攝蘋果樹葉照片，并輸入訓(xùn)練好的模型進(jìn)行分類識(shí)別，輸出檢測結(jié)果。為了對比CNN模型的效果，引入RNN以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)SVM模型進(jìn)行對比[1-2]。

2 圖像數(shù)據(jù)描述及預(yù)處理

本文數(shù)據(jù)為蘋果樹葉病蟲害圖像數(shù)據(jù)，一共含有26 368張帶標(biāo)簽的蘋果樹葉圖像數(shù)據(jù)，部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖2所示。

圖2 部分?jǐn)?shù)據(jù)展示

圖中一共有5類數(shù)據(jù)，Alternaria_Boltch（斑點(diǎn)落葉病）、Brown_Spot（褐斑病）、Grey_Spot（灰斑?。?、Mosaic（花葉病）、Rust（銹病）。為使圖像便于輸入模型，選用線性插值方法將圖像尺寸調(diào)整為224×224，同時(shí)對圖像進(jìn)行中心化處理，使數(shù)據(jù)分布在-1到1之間，加快模型的擬合。對原始圖像數(shù)據(jù)預(yù)處理后，按7∶1∶2將數(shù)據(jù)分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集、測試集。將訓(xùn)練集輸入模型訓(xùn)練，用驗(yàn)證集監(jiān)控訓(xùn)練過程以及協(xié)助參數(shù)調(diào)整，最后用測試集評估模型的性能。

3 基于CNN的蘋果樹葉病蟲害識(shí)別實(shí)現(xiàn)

3.1 深度學(xué)習(xí)與CNN的基本理論

深度學(xué)習(xí)是一種機(jī)器學(xué)習(xí)方法，其算法實(shí)質(zhì)上是基于“擬合”的機(jī)制，通過大量數(shù)據(jù)在不斷的試錯(cuò)和調(diào)整中，逐漸得出有效的參數(shù)。因?yàn)槠錁?gòu)成是基于大量的層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這些深層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可以有著大量的權(quán)重和偏差參數(shù)，因此能夠?qū)ο蟮奶卣鬟M(jìn)行自動(dòng)提取，不同于傳統(tǒng)需要手動(dòng)提取的特征，在很多時(shí)候，深度學(xué)習(xí)能夠更加方便和準(zhǔn)確地提取到有用的特征來完成相應(yīng)的任務(wù)。深度學(xué)習(xí)是一種端到端的學(xué)習(xí)。相較于傳統(tǒng)方法，深度學(xué)習(xí)能夠?qū)W習(xí)到更高效的特征與模式。

在深度學(xué)習(xí)算法應(yīng)用中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是最成功的領(lǐng)域之一，其中，有一維到高維（三維）的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。每個(gè)維度的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在不同領(lǐng)域有不一樣的表現(xiàn)效果。如圖3所示，展示了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。

圖3 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)基本結(jié)構(gòu)

基本的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)首先包含輸入層，然后接下來是隱藏層，最后是輸出層。輸入層為原始的數(shù)據(jù)，也就是需要進(jìn)行特征提取和學(xué)習(xí)的數(shù)據(jù)，隱藏層由多個(gè)神經(jīng)元組成，每個(gè)神經(jīng)元都接收一些輸入，并做一些計(jì)算，輸出是每個(gè)分類的分?jǐn)?shù)，最后的輸出層為模型通過輸入經(jīng)過神經(jīng)元后輸出的結(jié)果，對于不同的任務(wù)，輸出的形式略有不同[3-4]。

3.2 基于預(yù)訓(xùn)練的MobileNet蘋果樹病蟲害識(shí)別的CNN模型搭建

典型的CNN由一系列的卷積、池化和全連接（密集）層組成，實(shí)現(xiàn)了端到端的圖像處理及識(shí)別任務(wù)。在圖像分類領(lǐng)域內(nèi)，深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)取得了十分優(yōu)秀的分類性能，但較多網(wǎng)絡(luò)層數(shù)也導(dǎo)致了網(wǎng)絡(luò)性能退化等問題的出現(xiàn)。為提升識(shí)別模型性能，可增加網(wǎng)絡(luò)深度或?qū)挾?。但一味地疊加網(wǎng)絡(luò)深度，易導(dǎo)致計(jì)算量過大等問題，在實(shí)際部署時(shí)不利于移動(dòng)設(shè)備的部署。移動(dòng)輕量級網(wǎng)絡(luò)MobileNet的提出解決了一般卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)隨著網(wǎng)絡(luò)深度的增加而出現(xiàn)的性能退化問題。而預(yù)訓(xùn)練的MobileNet模型優(yōu)化更容易，收斂速度更快，因此本文中基于預(yù)訓(xùn)練的MobileNet搭建蘋果樹病蟲害識(shí)別的CNN模型， MobileNet的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 MobileNet的結(jié)構(gòu)

對于MobileNet模型的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。首先，通過修改輸出層尺寸，使其能適用于本文中蘋果樹病害識(shí)別。其次，將經(jīng)過ImageNet數(shù)據(jù)集預(yù)訓(xùn)練的MobileNet權(quán)重載入進(jìn)來，遷移到本文的蘋果樹病害診斷模型中，這種做法被稱為遷移學(xué)習(xí)，在傳統(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)中，如果要使得分類準(zhǔn)確，不但需要其訓(xùn)練集、測試集擁有相同的特征空間，而且要服從相同的分布。但在現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，滿足這兩個(gè)條件的情況是很少的，這就導(dǎo)致訓(xùn)練好的分類模型泛化性不強(qiáng)，不得不構(gòu)建新的模型。隨著遷移學(xué)習(xí)的發(fā)展，同時(shí)因?yàn)槠洳辉倬窒抻趥鹘y(tǒng)機(jī)器學(xué)習(xí)對訓(xùn)練集以及測試集的相同分布等的要求，其作為一種跨領(lǐng)域的學(xué)習(xí)方法已被廣泛應(yīng)用于圖像分類、信號(hào)處理、語音識(shí)別等眾多領(lǐng)域[5-7]。

遷移學(xué)習(xí)方法有許多， Sinno Jialin Pan和Qiang Yang在TKDE 2010 上的文章，將遷移學(xué)習(xí)算法根據(jù)所要遷移的知識(shí)表示形式分為四大類：1）基于實(shí)例的遷移學(xué)習(xí)。源領(lǐng)域中的數(shù)據(jù)的某一部分可以通過reweighting的方法重用，用于目標(biāo)域的學(xué)習(xí)。2）基于特征表示的遷移學(xué)習(xí)。通過源領(lǐng)域?qū)W習(xí)一個(gè)好的特征表示，把知識(shí)通過特征的形式進(jìn)行編碼，并從源領(lǐng)域傳遞到目標(biāo)域，提升目標(biāo)域的任務(wù)效果。3）基于參數(shù)的遷移學(xué)習(xí)。目標(biāo)域和源領(lǐng)域的任務(wù)之間共享相同的模型參數(shù)。4）基于關(guān)系知識(shí)的遷移學(xué)習(xí)。相關(guān)領(lǐng)域之間的知識(shí)遷移，假設(shè)源領(lǐng)域和目標(biāo)域中，數(shù)據(jù)之間的關(guān)系是相同的，其中，通過基于特征表示的遷移學(xué)習(xí)構(gòu)建源領(lǐng)域與目標(biāo)域之間的潛在特征子空間減小兩者之間的差異性，縮小特征的維數(shù)并優(yōu)化精煉特征。

在大型數(shù)據(jù)集（ImageNet）上訓(xùn)練使用遷移學(xué)習(xí)的方法，將這些預(yù)訓(xùn)練模型在不同對象中學(xué)習(xí)的基本結(jié)構(gòu)用于對組織病理學(xué)圖像進(jìn)行分類，可以加快訓(xùn)練過程并加快新CNN模型的構(gòu)建。

然后訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)的所有層，使得模型權(quán)重適用于本文的蘋果樹病害診斷任務(wù)。通過MobileNet的卷積層，實(shí)現(xiàn)特征提取，同時(shí)接入丟棄率為0.5的DropOut層，降低模型出現(xiàn)過擬合的概率，最后連接全連接層，輸出維度為5×1的向量結(jié)果。該結(jié)果表征了蘋果樹葉圖像反映的病害類型。對蘋果這五個(gè)病害類的識(shí)別，是深度學(xué)習(xí)中的多分類問題，對于多分類問題來說，常見的損失函數(shù)是交叉熵?fù)p失函數(shù)CE（cross entropy loss），其表達(dá)式如式（1）所示：

式中，M表示類別數(shù)，在本文中M為5，表示所有類型的數(shù)量；yc為真實(shí)的只有0和1的向量；Pc為預(yù)測的結(jié)果，需要經(jīng)過激活函數(shù)將結(jié)果放縮到0～1之間，在本文中選擇softmax激活函數(shù)。

3.3 蘋果樹病蟲害識(shí)別模型評價(jià)指標(biāo)

在一般的二分類任務(wù)中，常以召回率（Recall）、特異性（Specificity）、精度（Precision）、準(zhǔn)確率（Accuracy）和F1值作為二分類模型的評價(jià)指標(biāo)，定義如式（2） ～（6）所示：

式中，TP為識(shí)別正確的正樣本總數(shù)；TN為識(shí)別正確的負(fù)樣本總數(shù)；FN為識(shí)別錯(cuò)誤的正樣本總數(shù)；FP表示識(shí)別錯(cuò)誤的負(fù)樣本總數(shù)。在多分類任務(wù)中，分別計(jì)算每個(gè)類別的PRF，然后分別求平均得到PRF。即對多個(gè)混淆矩陣求PRF，然后求Precision、Recall，F(xiàn)1的算術(shù)平均，分別為micro-Precision、micro-Recall，micro-F1，3個(gè)指標(biāo)都是越接近1表示效果越好[8-10]。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果分析

為了探究本文中的MobileNet方法的有效性，使用python語言基于tensorflow框架搭建了兩個(gè)深度模型，即MobileNet、 RNN，同時(shí)基于傳統(tǒng)的圖像識(shí)別方法和opencv庫提取圖像的顏色及紋理特征作為樣本特征，基于scikit-learn框架搭建SVM模型。然后在同樣的硬件環(huán)境下，使用同樣的數(shù)據(jù)集訓(xùn)練這3種模型。在訓(xùn)練兩個(gè)深度學(xué)習(xí)模型時(shí)，對每個(gè)模型都訓(xùn)練20個(gè)epochs（輪次），優(yōu)化器為Adam，初始學(xué)習(xí)率為0.001；batch sizes（一次訓(xùn)練所選取的樣本量）設(shè)置為32，訓(xùn)練SVM的參數(shù)為默認(rèn)參數(shù)。MobileNet訓(xùn)練過程損失下降曲線圖如圖5所示。

圖5 訓(xùn)練過程損失下降曲線對比圖

由圖5損失下降曲線可知，MobileNet在訓(xùn)練過程中損失都明顯下降，這一定程度上說明了深度學(xué)習(xí)方法的有效性，為了消除隨機(jī)的影響，因此重復(fù)進(jìn)行5次實(shí)驗(yàn)，求出平均準(zhǔn)確度及標(biāo)準(zhǔn)差，結(jié)果如表1所示。

表1 測試結(jié)果統(tǒng)計(jì)量化表示

根據(jù)表1的數(shù)據(jù)可知，本文基于MobileNet提出的蘋果樹病害識(shí)別模型的平均準(zhǔn)確度分?jǐn)?shù)遠(yuǎn)高于其余兩種方法，并且對比3個(gè)模型測試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差，也能說明MobileNet模型在本文數(shù)據(jù)中使得檢測模型更加穩(wěn)定，也有更好的擬合效果。訓(xùn)練及驗(yàn)證說明了模型在訓(xùn)練過程中表現(xiàn)效果較好，但還不能充分地說明本模型的優(yōu)越性，因此在測試數(shù)據(jù)中，引入RPF評價(jià)指標(biāo)，從而更加有力地證明本模型的優(yōu)良效果，在導(dǎo)入測試集后，3個(gè)模型對應(yīng)的評價(jià)指標(biāo)如表2所示。

表2 評價(jià)指標(biāo)對比結(jié)果

如表2所示，其中基于MobileNet的蘋果樹病害識(shí)別模型的micro-Precision為0.99、micro-Recall為0.98、micro-F1值為0.99， 綜合3項(xiàng)性能指標(biāo)與其余模型進(jìn)行對比可知，MobileNet模型的性能要優(yōu)于其余2種模型。因此可以認(rèn)為在學(xué)習(xí)率為0.001、優(yōu)化器為adam、batch_size為16的情況下MobileNet在本文數(shù)據(jù)中分類性能比其他模型要好。

5 結(jié)論

1）本文基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，以及MobileNet，修改輸出的全連接層尺寸，搭建了MobileNet蘋果樹葉分類模型，實(shí)現(xiàn)Alternaria_Boltch（斑點(diǎn)落葉?。rown_Spot（褐斑?。?、Grey_Spot（灰斑?。?、Mosaic（花葉?。?、Rust（銹?。┻@5種蘋果樹病害的識(shí)別。平均準(zhǔn)確率達(dá)到了0.99的分?jǐn)?shù)，micro-Precision、micro-Recall、micro-F1指標(biāo)分別達(dá)到了0.99、0.98、0.99，綜合評價(jià)這幾個(gè)模型，本模型能用于蘋果樹葉病害識(shí)別系統(tǒng)的視覺模型開發(fā)及部署。

2）本文所使用的數(shù)據(jù)集包含的類別數(shù)較小，因此代表性不強(qiáng)，同時(shí)本文也僅僅是針對蘋果樹病害進(jìn)行了識(shí)別，未充分考慮其他農(nóng)作物的綜合情況，因此未來將考慮收集更多的農(nóng)作物實(shí)況數(shù)據(jù)，制定更多的指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)更高精度的分類識(shí)別[11-13]，從而為開展嵌入式實(shí)時(shí)農(nóng)作物病蟲害視覺系統(tǒng)應(yīng)用研究提供參考，以推動(dòng)我國農(nóng)業(yè)自動(dòng)化建設(shè)的發(fā)展。