基于多特征字典學(xué)習(xí)的害蟲圖像自動(dòng)分類方法

張超凡 王儒敬 謝成軍*

1(中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所 安徽 合肥 230031)2(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥 230026)

基于多特征字典學(xué)習(xí)的害蟲圖像自動(dòng)分類方法

張超凡1,2王儒敬1謝成軍1*

1(中國(guó)科學(xué)院合肥智能機(jī)械研究所 安徽 合肥 230031)2(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 安徽 合肥 230026)

為提高農(nóng)田害蟲圖像識(shí)別分類的準(zhǔn)確率，提出一種基于多特征字典學(xué)習(xí)的害蟲圖像自動(dòng)分類方法。首先，利用監(jiān)督字典學(xué)習(xí)的方式，對(duì)每一類害蟲圖像構(gòu)建多特征過完備字典。為進(jìn)一步增強(qiáng)計(jì)算機(jī)在復(fù)雜情況下對(duì)害蟲圖像的辨識(shí)能力，應(yīng)用構(gòu)造的過完備字典對(duì)害蟲圖像進(jìn)行多特征稀疏表示。最后，通過最小化害蟲圖像的重構(gòu)誤差實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，與其他方法相比，該方法提高了害蟲圖像識(shí)別的準(zhǔn)確率。

多特征融合 稀疏表示 字典學(xué)習(xí) 害蟲圖像 完備字典

0 引 言

及時(shí)、準(zhǔn)確地識(shí)別病蟲害的種類，是開展農(nóng)田病蟲害預(yù)測(cè)、預(yù)報(bào)和防治的重要前提。計(jì)算機(jī)視覺的飛速發(fā)展，為實(shí)現(xiàn)害蟲圖像的自動(dòng)識(shí)別提供了先進(jìn)的技術(shù)手段。由于其具有準(zhǔn)確性高、速度快、信息量大等優(yōu)點(diǎn)，在農(nóng)作物害蟲識(shí)別方面得到較多的應(yīng)用，可以高效地識(shí)別農(nóng)作物蟲害，為科學(xué)管理農(nóng)作物生長(zhǎng)，提高農(nóng)作物產(chǎn)量和質(zhì)量提供有力保障。

目前，國(guó)內(nèi)外針對(duì)害蟲圖像識(shí)別的研究?jī)?nèi)容主要集中在農(nóng)作物害蟲的圖像特征表示和分類識(shí)別兩個(gè)方面。其中，害蟲圖像的特征表示是害蟲識(shí)別的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到最終識(shí)別結(jié)果的好壞。分類識(shí)別是指使用害蟲圖像特征構(gòu)建分類器，達(dá)到害蟲分類識(shí)別的過程。黃世國(guó)[1]提取了昆蟲的5種紋理特征，對(duì)5種昆蟲的分類做了實(shí)驗(yàn)，分類準(zhǔn)確率分別為30%、35%、30%、45%、60%。齊麗英[2]研究了基于多特征綜合的昆蟲識(shí)別，提取昆蟲圖像的不同類特征，如紋理特征、色彩特征、形狀特征等，使用異步組合檢索的方式利用這些特征，識(shí)別率達(dá)到90%。竺樂慶等[3]以鱗翅昆蟲為例，研究了基于顏色特征和紋理特征的昆蟲識(shí)別方法，該方法選取顏色直方圖作為顏色特征，采用雙樹復(fù)小波提取圖像紋理，經(jīng)過試驗(yàn)驗(yàn)證，該算法識(shí)別率達(dá)到76%。張建華等[4]利用徑向基支持向量機(jī)識(shí)別棉花棉蚜、棉葉螨、棉盲蝽、煙粉虱等棉花害蟲，識(shí)別率達(dá)到88.1%。Yaakob等[5]提取圖像不變距特征結(jié)合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法進(jìn)行害蟲圖像分類，取得了比較理想的分類效果。Wang等[6]利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和支持向量機(jī)結(jié)合進(jìn)行昆蟲特征的訓(xùn)練與學(xué)習(xí)，識(shí)別率達(dá)到93%。韓安太等[7]將稀疏表示引入害蟲識(shí)別，利用害蟲訓(xùn)練樣本構(gòu)造訓(xùn)練樣本矩陣，通過解L1范數(shù)意義下最優(yōu)化問題實(shí)現(xiàn)害蟲測(cè)試樣本的稀疏分解，利用分解結(jié)果實(shí)現(xiàn)識(shí)別，取得了較好的分類識(shí)別率。胡永強(qiáng)等[8]將多特征融合和稀疏表示結(jié)合，通過稀疏表示首先得出害蟲在不同特征下的分類情況，結(jié)合不同特征下學(xué)習(xí)到的權(quán)值獲得識(shí)別結(jié)果。

顏色特征描述害蟲蟲體顏色的RGB空間的統(tǒng)計(jì)特性，而LBP紋理特征也在害蟲圖像識(shí)別領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，這兩種特征均能較好地表示害蟲圖像，但單一特征的辨識(shí)能力有限。此外，復(fù)雜的實(shí)際環(huán)境中需要考慮遮擋和背景圖像分割殘留的情形。針對(duì)上述問題，最近稀疏表示理論的提出，為解決上述問題提供了新的思路和解決方法[9]。本文提出一種基于多特征字典學(xué)習(xí)的害蟲圖像自動(dòng)分類方法。首先對(duì)顏色特征與紋理特征進(jìn)行融合處理，對(duì)融合特征進(jìn)行訓(xùn)練構(gòu)建學(xué)習(xí)字典，利用融合特征改進(jìn)SRC[10](Sparse Representation-based Classification)分類模型，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類。

1 特征提取與字典構(gòu)建

1.1 特征提取

農(nóng)作物害蟲圖像識(shí)別中，顏色特征和紋理特征作為害蟲圖像的底層特征均可以應(yīng)用于識(shí)別。單一特征對(duì)圖像的詮釋性相比于融合特征較低，基于顏色特征對(duì)害蟲圖像進(jìn)行識(shí)別分類能夠達(dá)到一定識(shí)別效果，當(dāng)具有類似顏色統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律的害蟲圖像并不能得到較好的識(shí)別結(jié)果。紋理特征作為害蟲表面的幾何特征，刻畫了像素下灰度空間分布規(guī)律。融合顏色特征和紋理特征可以提高特征表示中的信息量，提高識(shí)別率。

(1) 顏色特征

顏色特征作為一種全局特征，存在于每一張彩色害蟲圖像中。本文使用的顏色特征是顏色直方圖的歸一化統(tǒng)計(jì)特征，具有平移不變，尺度不變以及旋轉(zhuǎn)不變的特性。對(duì)于RGB空間下各通道均存在統(tǒng)計(jì)特征，分別統(tǒng)計(jì)并級(jí)聯(lián)特征，后續(xù)對(duì)其進(jìn)行PCA(Principal Components Analysis)[11]降維處理，形成維數(shù)較低的統(tǒng)計(jì)特征，方便后續(xù)字典訓(xùn)練。

(2) 紋理特征

局部二值模式[12]LBP(local binary patterns)是一種描述圖像局部空間結(jié)構(gòu)進(jìn)行局部紋理特征提取的非參數(shù)線性降維算子。對(duì)圖像中(x,y)點(diǎn)處值用如下公式計(jì)算：

(1)

(2)

其中，gc表示中心像素點(diǎn)(x,y)的灰度值，gp表示在半徑R處相鄰點(diǎn)的灰度值，P表示中心像素點(diǎn)周圍相鄰像素點(diǎn)的個(gè)數(shù)。

= min{ROR(LBPP,R,i)|i= 0,1,…,P-1}

(3)

式中ROR(LBPP,R,i)表示P位二進(jìn)制LBP值循環(huán)右移i位后的值，得到P種LBP模式，取P種模式下最小值為旋轉(zhuǎn)不變的LBP算子。對(duì)經(jīng)過變換的LBP紋理圖像進(jìn)行統(tǒng)計(jì)歸一化降維成紋理特征。

(3) 特征融合

在特征表示中，使用顏色特征與紋理特征級(jí)聯(lián)成表示害蟲圖像的特征向量，降維聯(lián)合不同特征可以包含害蟲的不同信息，相互補(bǔ)充，提高特征表示能力。特征融合結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 害蟲圖像特征融合

1.2 基于稀疏編碼的有監(jiān)督字典訓(xùn)練

稀疏編碼[13-14]的關(guān)鍵在于使用較少的字典原子有效地表示出輸入數(shù)據(jù)。該文中使用的字典訓(xùn)練[15-16]的方式是有監(jiān)督的，即每一類害蟲字典單獨(dú)訓(xùn)練成各個(gè)子字典，然后合并成一個(gè)最終完備的字典。設(shè)Y為一系列n維的向量集合，其中每一列表示一幅害蟲圖像。由于該文中使用有監(jiān)督的字典訓(xùn)練方式，在字典訓(xùn)練前對(duì)Y加入標(biāo)簽，Y=[Y1,Y2,…,YN]∈Rn×M。其中Yi為第i類輸入數(shù)據(jù)的集合，Yi=[yi1,yi2,…,yim]，其中M=m×N，共N類，每類m個(gè)樣本。使用稀疏編碼方法學(xué)習(xí)的字典D=[D1,D2,…,DN]∈Rn×S，子字典Di為每一類單獨(dú)學(xué)習(xí)的字典，Di=[di1,di2,…,dit]，其中S=t×N，其中S>n，每個(gè)子字典中有t個(gè)原子。與之相聯(lián)系的稀疏編碼X=[x1,x2,…,xM]∈RS×M。用k項(xiàng)字典原子表示輸入數(shù)據(jù)Y可以通過解決以下問題實(shí)現(xiàn)：

(4)

② 利用正交匹配追蹤(OMP)算法[18]，其簡(jiǎn)單且執(zhí)行速度較快。固定D對(duì)輸入數(shù)據(jù)Y進(jìn)行稀疏表示得到稀疏編碼X，X中有k項(xiàng)非零項(xiàng)。

③ 逐列更新字典D利用式(5)[19]：

(5)

④ 更新字典D后，判斷誤差是否滿足精度要求或者是否達(dá)到指定的迭代次數(shù)，滿足則結(jié)束訓(xùn)練，否則返回②。

KSVD算法通過不斷迭代從而降低殘差的能量并學(xué)習(xí)重構(gòu)字典D，不僅實(shí)現(xiàn)了最小化重構(gòu)誤差且滿足了稀疏限制,特征在字典D下能具有較強(qiáng)的稀疏表示性。

2 基于融合特征與稀疏編碼的分類方法

2.1 算法框架

本文所提算法主要結(jié)合融合特征與稀疏表示對(duì)害蟲圖像進(jìn)行分類識(shí)別。算法框架如圖2所示。

圖2 基于融合特征稀疏表示分類算法框架圖

在圖2框架中，害蟲圖像經(jīng)過預(yù)處理與特征提取的過程，提取出單獨(dú)種類的特征向量，經(jīng)過級(jí)聯(lián)形成融合特征。字典D是由各個(gè)子字典合并而成。每個(gè)子字典單獨(dú)學(xué)習(xí)成包含該類圖像特征的子字典，各子字典采取有監(jiān)督字典訓(xùn)練的方式單獨(dú)訓(xùn)練，有序地排列出字典D。融合特征結(jié)合稀疏字典D可以表示出害蟲圖像的稀疏特征，該處稀疏特征有別于字典訓(xùn)練時(shí)求解的稀疏系數(shù)，字典訓(xùn)練時(shí)利用OMP對(duì)害蟲特征進(jìn)行稀疏編碼，將稀疏限制固定為小于單個(gè)子字典中原子的個(gè)數(shù)，從而保證稀疏性。此處利用基追蹤[20]的算法對(duì)進(jìn)行稀疏表示，其中大多數(shù)都是非零的，密集地對(duì)應(yīng)于多個(gè)類。由于測(cè)試樣本只能用其所屬類別字典原子有效地表示，我們?nèi)藶楦深A(yù)，將不屬于該類的非零項(xiàng)設(shè)置為零，例如本文中采用14類害蟲，因此所求稀疏特征中約1/14，即7%的項(xiàng)為非零項(xiàng)，實(shí)現(xiàn)稀疏性。當(dāng)害蟲類別越多，稀疏性越強(qiáng)，對(duì)待識(shí)別類別的針對(duì)性越強(qiáng)，識(shí)別效果越明顯。對(duì)于框架中重構(gòu)分類，即是本文采用的分類模型，對(duì)整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)分類。

2.2 所提算法詳細(xì)分類過程

本文改進(jìn)并應(yīng)用稀疏表示分類模型SRC,該分類方法的主要原理是將圖像按列進(jìn)行列向量化，應(yīng)用稀疏表示模型將一個(gè)數(shù)據(jù)向量表示成一組基向量的線性組合的形式，理想條件下任何一個(gè)圖像都能用存在該類圖像的圖像庫(kù)中的本類圖像線性組合表示出來。在實(shí)際計(jì)算中，使用L1范數(shù)求解稀疏表示的系數(shù)代替L0范數(shù),求稀疏系數(shù)意義在于求解非零元素的個(gè)數(shù)，即L0范數(shù)，而L0范數(shù)是NP-hard問題，在實(shí)際求解中不現(xiàn)實(shí)，求解L1范數(shù)屬于凸優(yōu)化問題，便于實(shí)際求解，使用基追蹤的方式解下式：

(6)

對(duì)于本文來說，改變了SRC直接使用圖像列向量化產(chǎn)生的向量作為訓(xùn)練樣本的情況，替代使用融合特征作為訓(xùn)練樣本，這是與SRC的區(qū)別之處。為確定圖像中害蟲屬于哪一類，通過重構(gòu)出各類圖像特征，然后與原始測(cè)試樣本害蟲圖像的融合特征相比較求其殘差，重構(gòu)殘差最小的一個(gè)類別就是我們想要的結(jié)果，公式如下：

(7)

(8)

(9)

圖3 基于稀疏表示重構(gòu)害蟲時(shí)殘差情況

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文實(shí)驗(yàn)中害蟲圖像數(shù)據(jù)由安徽省農(nóng)科院提供，其中包括14類害蟲圖像，每類50張，共700張。對(duì)圖像預(yù)處理分割出害蟲圖像，大小為300×300，背景為白色，部分圖像中存有樹葉等背景噪聲和蟲體分割殘缺的情形。訓(xùn)練樣本在每次實(shí)驗(yàn)中均隨機(jī)選取，剩余的為測(cè)試樣本。害蟲數(shù)據(jù)集中包括6種水稻害蟲，5種玉米害蟲，3種大豆害蟲，例如卷葉螟、地老虎、及腎毒蛾等，部分預(yù)處理后的樣本如圖4所示。

圖4 實(shí)驗(yàn)害蟲圖像集中害蟲樣本種類

3.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

在本實(shí)驗(yàn)中基于提出的方法，利用Microsoft Visual Studio C++ 2010平臺(tái)結(jié)合計(jì)算機(jī)視覺庫(kù)OpenCV2.4.8、壓縮感知KL1p庫(kù)和SVM庫(kù)[21]進(jìn)行分類對(duì)比實(shí)驗(yàn)。參數(shù)設(shè)置如下：

(1) 每類學(xué)習(xí)的子字典的大小為18，稀疏限制k取5；

(2) 在顏色特征提取中，選取各通道直方圖子區(qū)段數(shù)目為255，紋理特征LBP取鄰域點(diǎn)數(shù)為8；

(3) 每類隨機(jī)選取15和25張害蟲圖像作為訓(xùn)練樣本，分別用35和25張作為測(cè)試樣本；

(4) SVM分類模型選用線性核，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型選用3層網(wǎng)絡(luò)，K近鄰模型中K值取3，其他參數(shù)均保持函數(shù)庫(kù)默認(rèn)參數(shù)值。

3.2 單一特征情況下分類準(zhǔn)確率目

在本文方法框架下，使用單一特征顏色和紋理特征與融合特征進(jìn)行分類比較，分類識(shí)別準(zhǔn)確率記錄于表1。其中R15與R25分別表示每類使用15和25張作為訓(xùn)練樣本，每組實(shí)驗(yàn)都進(jìn)行10次，取10次所有類別害蟲圖像分類準(zhǔn)確率的平均值作為實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄于表1中，以下實(shí)驗(yàn)部分均采取該方式。

表1 單一特征與融合特征識(shí)別率情況表 %

由表1可以看出，在每類訓(xùn)練樣本數(shù)為15時(shí)，依靠融合特征進(jìn)行分類的識(shí)別率為87.18%，基于單一顏色特征和紋理特征的識(shí)別率分別為73.16%和46.54%。融合特征比單一顏色和紋理特征分類正確率提高了約14.02和40.64?？梢钥闯?，融合特征相較于單一顏色特征和紋理特征優(yōu)勢(shì)較為明顯。在融合特征中，顏色特征對(duì)識(shí)別正確率貢獻(xiàn)較大，主要是由于對(duì)于害蟲圖像，害蟲本身的顏色空間分布保存的害蟲圖像信息較為豐富。而對(duì)于紋理特征，是對(duì)其LBP紋理的灰度分布統(tǒng)計(jì)，信息量不足，其保存特征對(duì)于不同害蟲間區(qū)別性不如顏色特征，識(shí)別率遠(yuǎn)低于顏色特征與融合特征。在每類訓(xùn)練樣本為25時(shí)，隨著訓(xùn)練樣本數(shù)量的增加，融合特征下的總體識(shí)別率也相應(yīng)增加，比單一顏色特征高約13.98%，比單一紋理特征高約39.46%。由以上分析可看出，融合特征相較于單一特征，在樣本數(shù)增大的過程中，優(yōu)勢(shì)逐漸增大，對(duì)增加識(shí)別率有幫助。

3.3 不同分類模型的分類準(zhǔn)確率

將本文提取的融合特征使用不同的分類模型進(jìn)行比較，即與傳統(tǒng)分類模型和相關(guān)文章方法進(jìn)行分類比較，分類準(zhǔn)確率見表2所示。

表2 不同分類模型識(shí)別率情況表 %

由表2可看出：本文所提出的融合特征稀疏表示結(jié)合SRC算法的分類準(zhǔn)確率分別為87.18%(每類15張訓(xùn)練圖片)和94.49%(每類25張訓(xùn)練圖片)。本文方法對(duì)比于文獻(xiàn)[8]方法分類準(zhǔn)確率提高了約4.53%和4.06%，對(duì)比于支持向量機(jī)分類模型的準(zhǔn)確率提高了約9.92%和12.47%。對(duì)比于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型的分類準(zhǔn)確率，提高了約5.35%和8.1%，比K-近鄰分類模型提高了約12.89%和16.27%。圖5可看出詳細(xì)變化趨勢(shì)情況。與其他幾種方法相比，本文方法在訓(xùn)練樣本不斷增加的過程中，害蟲測(cè)試樣本的識(shí)別率持續(xù)增加，并持續(xù)保持較高水平。

圖5 不同分類模型在訓(xùn)練樣本增加時(shí)識(shí)別率

本文方法的圖像分類方法不同于傳統(tǒng)的支持向量機(jī)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、K近鄰分類模型：其他三種分類模型直接使用了融合特征進(jìn)行分類，將融合特征作為分類器訓(xùn)練的樣本，該方式可以達(dá)到一定的分類識(shí)別率。而本文使用融合特征結(jié)合稀疏表示的方式，將特征以原子的形式保存在字典中，針對(duì)每一類單獨(dú)學(xué)習(xí)其子字典，利用不同稀疏系數(shù)的線性組合有效地對(duì)測(cè)試樣本進(jìn)行表示，對(duì)特征進(jìn)行稀疏編碼，隨樣本量增加逐漸增強(qiáng)特征的魯棒性。對(duì)于文獻(xiàn)[8]中的方法，其將每類特征單獨(dú)進(jìn)行稀疏表示，之后結(jié)合每類學(xué)習(xí)的權(quán)值獲得分類結(jié)果，與本文的分類方法在融合特征的方式和具體分類策略上存在不同。結(jié)合以上圖標(biāo)與分析，可得出結(jié)論，隨著樣本量的增加，本文方法擁有更好的識(shí)別準(zhǔn)確率。

3.4 不同訓(xùn)練測(cè)試集下分類結(jié)果

本節(jié)僅比較本文方法和上節(jié)結(jié)果中分類效果較好的2種分類方法的識(shí)別個(gè)數(shù)情況，其中僅在訓(xùn)練樣本和測(cè)試樣本數(shù)均為25時(shí)的條件下比較，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7和圖8所示。圖6、圖7、圖8中不同顏色線條代表各類害蟲，實(shí)驗(yàn)編號(hào)為1～10，不同實(shí)驗(yàn)序號(hào)下訓(xùn)練測(cè)試樣本隨機(jī)選擇，同一實(shí)驗(yàn)編號(hào)下兩種方法使用相同的訓(xùn)練測(cè)試樣本，折線變化情況表示識(shí)別的害蟲個(gè)數(shù)的變化情況。對(duì)比三幅圖可以看出，本文方法相較于其他兩種分類方法正確分類個(gè)數(shù)波動(dòng)情況較小，對(duì)每類害蟲正確分類個(gè)數(shù)在18～25范圍內(nèi)變化，正確分類個(gè)數(shù)普遍較多。對(duì)于文獻(xiàn)[8]中分類方法的識(shí)別情況，識(shí)別變化總體在16～25的范圍內(nèi)，對(duì)于害蟲中的直紋弄蝶，該分類模型在不同的訓(xùn)練測(cè)試樣本下差別較大，且一度正確分類數(shù)較低，持續(xù)僅識(shí)別為16至19幅，另有多類害蟲正確分類個(gè)數(shù)波動(dòng)較大。對(duì)于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分類模型，正確分類個(gè)數(shù)波動(dòng)較大，在第三次實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)腎毒蛾正確分類個(gè)數(shù)僅為8個(gè)的情況，整體波動(dòng)較大，正確分類數(shù)穩(wěn)定性較差。

圖6 本文方法1～10序號(hào)實(shí)驗(yàn)識(shí)別個(gè)數(shù)變化情況圖

圖7 文獻(xiàn)[8]方法1～10序號(hào)實(shí)驗(yàn)識(shí)別個(gè)數(shù)變化情況圖

圖8 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型1～10序號(hào)實(shí)驗(yàn)識(shí)別個(gè)數(shù)變化情況圖

表3記錄了三種方法正確識(shí)別個(gè)數(shù)的統(tǒng)計(jì)信息。本文方法與另外兩種分類方法正確分類個(gè)數(shù)平均值分別為23.621、22.607和20.521，標(biāo)準(zhǔn)差分別為1.058、1.391和2.958。由此可看出，本文方法總體分類效果較優(yōu)，且對(duì)每類害蟲正確分類情況較為穩(wěn)定。

表3 正確分類個(gè)數(shù)均值與標(biāo)準(zhǔn)差均值

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了一種基于多特征字典學(xué)習(xí)的害蟲圖像自動(dòng)分類方法。利用顏色特征與紋理特征融合的方式表示害蟲圖像樣本，并通過有監(jiān)督的字典訓(xùn)練方式構(gòu)建害蟲圖像特征的完備字典。利用改進(jìn)的SRC分類模型對(duì)害蟲圖像進(jìn)行稀疏表示并實(shí)現(xiàn)自動(dòng)分類。通過實(shí)驗(yàn)表明，本文所提方法取得了較好的分類識(shí)別率，且分類正確率達(dá)到94.49%。此外，在算法穩(wěn)定性方面，均優(yōu)于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、支持向量機(jī)等分類模型。本文所提方法在農(nóng)作物害蟲圖像識(shí)別的應(yīng)用中，具有實(shí)際的意義。將來工作圍繞多特征字典融合策略、非監(jiān)督字典學(xué)習(xí)等方面加以考慮，提高復(fù)雜場(chǎng)合下害蟲圖像自動(dòng)分類方法的自適應(yīng)性與高效性。

[1] 黃世國(guó).基于圖像的昆蟲識(shí)別關(guān)鍵技術(shù)研究[D].西安：西北大學(xué),2008.

[2] 齊麗英.基于多特征綜合的昆蟲識(shí)別研究[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué),2009,37(3):1380-1381.

[3] 竺樂慶,張真,張培毅.基于顏色直方圖及雙樹復(fù)小波變換(DTCWT)的昆蟲圖像識(shí)別[J].昆蟲學(xué)報(bào),2010,53(1):91-97.

[4] 張建華,冀榮華,袁雪,等.基于徑向基支持向量機(jī)的棉花蟲害識(shí)別[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2011,42(8):178-183.

[5] Yaakob S N,Jain L.An insect classification analysis based on shape features using quality threshold ARTMAP and moment invariant[J].Applied Intelligence,2012,37(1):12-30.

[6] Wang J,Lin C,Ji L,et al.A new automatic identification system of insect images at the order level[J].Knowledge-Based Systems,2012,33:102-110.

[7] 韓安太,郭小華,廖忠,等.基于壓縮感知理論的農(nóng)業(yè)害蟲分類方法[J].農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào),2011,27(6):203-207.

[8] 胡永強(qiáng),宋良圖,張潔,等.基于稀疏表示的多特征融合害蟲圖像識(shí)別[J].模式識(shí)別與人工智能,2014,27(11):985-992.

[9] Elhamifar E,Vidal R.Robust classification using structured sparse representation[C]//Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR),2011 IEEE Conference on.IEEE,2011:1873-1879.

[10] Wright J,Yang A Y,Ganesh A,et al.Robust face recognition via sparse representation[J].IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence,2009,31(2):210-227.

[11] Bro R,Smilde A K.Principal component analysis[J].Analytical Methods,2014,6(9):2812-2831.

[12] Yang B,Chen S.A comparative study on local binary pattern (LBP) based face recognition:LBP histogram versus LBP image[J].Neurocomputing,2013,120:365-379.

[13] Ren X,Ramanan D.Histograms of sparse codes for object detection[C]//Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR),2013 IEEE Conference on.IEEE,2013:3246-3253.

[14] Shekhar S,Patel V M,Chellappa R.Analysis sparse coding models for image-based classification[C]//2014 IEEE International Conference on Image Processing (ICIP),Paris,France.Piscataway,NJ,USA:IEEE Press,2014:5207-5211.

[15]ThiagarajanJJ,SpaniasA.Learningdictionariesforlocalsparsecodinginimageclassification[C]//2011ConferenceRecordoftheFortyFifthAsilomarConferenceonSignals,SystemsandComputers,PacificGrove,CA,USA.Piscataway,NJ,USA:IEEEPress,2011:2014-2018.

[16]JiangZ,LinZ,DavisLS.LabelconsistentK-SVD:learningadiscriminativedictionaryforrecognition[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,2013,35(11):2651-2664.

[17]RubinsteinR,ZibulevskyM,EladM.EfficientimplementationoftheK-SVDalgorithmusingbatchorthogonalmatchingpursuit[R].TechnicalReport,CSTechnion,2008:1-15.

[18]WangJ,KwonS,ShimB.Generalizedorthogonalmatchingpursuit[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2012,60(12):6202-6216.

[19]AharonM,EladM,BrucksteinA.rmK-SVD:analgorithmfordesigningovercompletedictionariesforsparserepresentation[J].IEEETransactionsonSignalProcessing,2006,54(11):4311-4322.

[20]ChenSS,DonohoDL,SaundersMA.Atomicdecompositionbybasispursuit[J].SIAMReview,2001,43(1):129-159.

[21]ChangCC,LinCJ.LIBSVM:alibraryforsupportvectormachines[J].ACMTransactionsonIntelligentSystemsandTechnology(TIST),2011,2(3):389-396.

AUTOMATIC CLASSIFICATION METHOD FOR PEST IMAGE BASEDON MULTI-FEATURE DICTIONARY LEARNING

Zhang Chaofan1，2Wang Rujing1Xie Chengjun1*

1(InstituteofIntelligentMachines,ChineseAcademyofSciences,Hefei230031,Anhui,China)2(SchoolofInformationScienceandTechnology,UniversityofScienceandTechnologyofChina,Hefei230026,Anhui,China)

An automatic classification method for pest image based on multi-feature dictionary learning is developed to improve the accuracy of pest classification.With supervised dictionary learning,each pest image can be constructed as multi-feature overcomplete dictionary.In order to further enhance the abilities of identifying pest image in complex background,multi-feature of pest image are sparsely represented using the constructed overcomplete dictionary.Finally,the classification of pest is achieved by minimizing reconstruction error.Experimental results show that the proposed method performs well on the classification of insect species,and outperforms several state-of-the-art methods in insect categorization.

Multi-feature fusion Sparse representation Dictionary learning Pest image Overcomplete dictionary

2015-11-21。國(guó)家自然科學(xué)

31401293);國(guó)家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2014BAD10B08);安徽省科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(1401032010)。張超凡，碩士生，主研領(lǐng)域：圖像識(shí)別。王儒敬，研究員。謝成軍,副研究員。

TP391.4

A

10.3969/j.issn.1000-386x.2017.03.026