基于CNN的動(dòng)物識(shí)別研究

李建偉 鄭永果

摘 要：為實(shí)現(xiàn)AI動(dòng)物自動(dòng)化識(shí)別并提高識(shí)別精度，提出以CNN為基礎(chǔ)的動(dòng)物識(shí)別方法。首先對(duì)全景圖像進(jìn)行預(yù)處理，包括對(duì)圖像進(jìn)行隨機(jī)裁剪、翻轉(zhuǎn)以及調(diào)整各種屬性等;然后通過加入L2正則化和dropout方法進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)CNN進(jìn)行自動(dòng)分類識(shí)別。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該方法能有效優(yōu)化CNN對(duì)于小數(shù)據(jù)集存在的過擬合現(xiàn)象，將動(dòng)物識(shí)別準(zhǔn)確率提升8%以上，同時(shí)增大數(shù)據(jù)集將動(dòng)物識(shí)別準(zhǔn)確率提升4%左右。

關(guān)鍵詞：CNN;動(dòng)物識(shí)別;L2正則化;dropout;增大數(shù)據(jù)集

DOI：10. 11907/rjdk. 191049

中圖分類號(hào)：TP301文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）003-0030-04

0 引言

目前地球上已知的動(dòng)物約有150多萬種，但人類對(duì)野生珍稀動(dòng)物的識(shí)別力卻十分不足，本文通過優(yōu)化后的CNN提升動(dòng)物識(shí)別準(zhǔn)確率。

2012年，Krizhevsky等[1]提出Alex Net識(shí)別方法，該方法在大型圖像數(shù)據(jù)庫(kù)Image Net[2]圖像分類競(jìng)賽中，以準(zhǔn)確度超越第二名11%的巨大優(yōu)勢(shì)奪得冠軍，使CNN[3]倍受關(guān)注。Alex Net之后，不斷有新的CNN模型被提出，比如牛津大學(xué)的VGG（Visual Geometry Group）[4]、Google的Goog Le Net[5]、微軟的Res Net[6]等，這些網(wǎng)絡(luò)刷新了Alex Net在Image Net上創(chuàng)造的紀(jì)錄。

NORB[7]、Caltech-101/256[8-9]和CIFAR-10/100[10]等尺寸的數(shù)據(jù)集可以較好地解決簡(jiǎn)單識(shí)別任務(wù)，如果增加標(biāo)簽保留轉(zhuǎn)換[11]則效果更好，如MNIST數(shù)字識(shí)別任務(wù)的最佳錯(cuò)誤率（<0.3%）接近人類性能[9]。

曾陳穎[12]提出一種基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的大熊貓（Ailuropoda melanoleuca）識(shí)別方法。Okafor[13]等提出一種基于深層學(xué)習(xí)與視覺詞匯袋的野生動(dòng)物識(shí)別方法， 該方法使用灰度、顏色信息和不同的空間匯集方法完成訓(xùn)練過程。Villa等[14]指出：圖像包含的復(fù)雜背景信息對(duì)于識(shí)別效果有一定影響， 需要依靠準(zhǔn)確的分割算法提高識(shí)別準(zhǔn)確率。Yu等[15]將動(dòng)物體從待訓(xùn)練圖像中提取出來，使得其對(duì)自建數(shù)據(jù)庫(kù)的識(shí)別準(zhǔn)確率提高到82%。

本文從KTH-ANIMALS[16]數(shù)據(jù)集中選取熊、美洲獅、牛、狼、大象、馬等6種動(dòng)物進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，將數(shù)據(jù)集擴(kuò)充并通過gamma歸一化等方式進(jìn)行圖像預(yù)處理。使用包含兩個(gè)卷積層、兩個(gè)亞采樣層以及3個(gè)全連接層的CNN深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行訓(xùn)練，其中在兩個(gè)卷積層中加入L2正則化，并且在后兩個(gè)全連接層中使用dropout方法對(duì)CNN進(jìn)行優(yōu)化。最后使用softmax分類器進(jìn)行分類，最終識(shí)別率達(dá)到92.67%。

1 數(shù)據(jù)集擴(kuò)展與預(yù)處理

1.1 數(shù)據(jù)集擴(kuò)展

實(shí)驗(yàn)在KTH-ANIMALS數(shù)據(jù)集中下載圖像的原始數(shù)據(jù)，選取6種動(dòng)物總共602張圖像作為數(shù)據(jù)集，通過圖像翻轉(zhuǎn)、填充、平移等方式將圖像數(shù)據(jù)擴(kuò)充為原始的14倍，達(dá)8428張圖像。

KTH-ANIMALS數(shù)據(jù)集中的圖像大小各不相同，因此在實(shí)驗(yàn)中構(gòu)建圖像數(shù)據(jù)集時(shí)進(jìn)行g(shù)amma歸一化，歸一化后再將圖像縮小為32×32，以數(shù)據(jù)集中的一張圖為例如圖1所示。

1.2 數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)集分為大小為7 828張圖像組成的訓(xùn)練集和600張圖像組成的測(cè)試集。訓(xùn)練集與測(cè)試集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)相同，以測(cè)試集為例加以說明。

測(cè)試集的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)分為3部分：①圖像數(shù)據(jù)集，由一個(gè)四維數(shù)組組成，4個(gè)維度大小為600、32、32、3，分別代表共有600張像素大小為32×32的RGB三通道圖像;②標(biāo)記數(shù)據(jù)集，由一個(gè)一維數(shù)組組成，數(shù)組大小為600，數(shù)組中每個(gè)元素是0～5中的一個(gè)數(shù)字，代表6種動(dòng)物中的某一種動(dòng)物，主要用于某一類動(dòng)物的標(biāo)記;③標(biāo)記數(shù)據(jù)集的另一種形式，由一個(gè)二維數(shù)組組成，兩個(gè)維度的大小為600、6，分別代表600張圖像的標(biāo)記，標(biāo)記位為1，其它位為0，如[0，0，1，0，0，0]代表第3種動(dòng)物。

1.3 數(shù)據(jù)集預(yù)處理

數(shù)據(jù)集偏少很容易導(dǎo)致模型出現(xiàn)過擬合現(xiàn)象，因此對(duì)圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，擴(kuò)充圖像廣度和深度，對(duì)圖像的性質(zhì)、位置進(jìn)行改變。

圖像預(yù)處理方式如下：①隨機(jī)裁剪24×24像素;②隨機(jī)左右翻轉(zhuǎn);③隨機(jī)調(diào)整圖片色相;④調(diào)整圖片對(duì)比度;⑤調(diào)整圖片亮度;⑥隨機(jī)調(diào)整圖片飽和度;⑦對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行歸一化。

將訓(xùn)練集的7種預(yù)處理方式相結(jié)合基本上能使每次迭代選取的訓(xùn)練集與前一次隨機(jī)選取的訓(xùn)練集有差別，充分?jǐn)U充了數(shù)據(jù)集大小，有效優(yōu)化了過擬合問題。

2 CNN構(gòu)建

CNN包含輸入層（input layer）、卷積層（ convolutional layer）、亞采樣層（subsampling layer）、全連接層（ fully-connected layer）、輸出層（output layer）。

2.1 輸入層

輸入層是整個(gè)CNN的輸入部分，對(duì)于動(dòng)物識(shí)別，輸入層代表一個(gè)待訓(xùn)練或待預(yù)測(cè)的圖像矩陣。輸入層大小取決于圖像長(zhǎng)、寬和深度。長(zhǎng)和寬代表圖像大小，如圖2中的32×32;深度代表圖像的色彩通道，如彩色圖像為RGB三色通道，則彩色圖像的深度為3。

2.2 加入L2正則化卷積層

卷積層[17]一般為多個(gè)特征提取層，由多個(gè)二維特征圖組成，每個(gè)特征圖由許多共享權(quán)值的神經(jīng)元組成。特征圖中每個(gè)神經(jīng)元通過卷積核與上一層特征圖的局部區(qū)域相連接。卷積層對(duì)輸入層輸入的圖像矩陣進(jìn)行卷積操作，提取特征，經(jīng)過激勵(lì)函數(shù)的作用得到特征圖。卷積層特征圖公式如式（1）所示。

每個(gè)輸入圖的卷積核可以不一樣，卷積核大小通常為3×3或5×5。常用的激勵(lì)函數(shù)有線性函數(shù)、Relu函數(shù)、sigmod函數(shù)、tanh函數(shù)，分別如式（2）、式（3）、式（4）、式（5）所示。

在樣本數(shù)小于參數(shù)個(gè)數(shù)的情況下，樣本矩陣很可能是不可逆的（條件數(shù)很大），而引入正則化項(xiàng)則會(huì)解決這個(gè)問題。正則化項(xiàng)的引入平衡了偏差（bias）與方差（variance）、擬合能力與泛化能力、經(jīng)驗(yàn)風(fēng)險(xiǎn)（平均損失函數(shù)）與結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)（損失函數(shù)+正則化項(xiàng)）[18]。

實(shí)驗(yàn)使用L2正則化方法，如式（6）所示。

2.3 亞采樣層

亞采樣層根據(jù)圖像的局部相關(guān)原理，對(duì)卷積層輸出的特征圖在相鄰的小區(qū)域內(nèi)進(jìn)行聚合取樣，在減少特征和參數(shù)的同時(shí)，保留圖像的有用信息。常用的采樣方法有mean-pooling、max-pooling和Stochastic-pooling。mean- pooling方法是對(duì)鄰域內(nèi)特征點(diǎn)求平均值;max-pooling方法是對(duì)鄰域內(nèi)特征點(diǎn)取最大;Stochastic-pooling方法介于兩者之間，對(duì)像素點(diǎn)按照數(shù)值大小賦予概率，再按照概率進(jìn)行亞采樣。

2.4 加入dropout方法的全連接層

圖像經(jīng)過多層卷積與亞采樣后到達(dá)全連接層，全連接層的每一個(gè)神經(jīng)元都與上一層的所有神經(jīng)元相連，將提取到的特征綜合起來。由于其全相連特性，一般全連接層參數(shù)也是最多的。

Dropout使用在監(jiān)督學(xué)習(xí)中，其核心思想是在訓(xùn)練中隨機(jī)刪掉神經(jīng)元以及它們之間所屬的關(guān)系，通常表現(xiàn)在機(jī)器視覺、語義識(shí)別、文本分類、生物計(jì)算等方面[19]。

2.5 輸出層

輸出層一般為分類器，作用為輸出屬于各個(gè)類別的概率，并且所有類別的概率值之和為1。常用的分類器有sigmod函數(shù)和softmax函數(shù)。sigmod函數(shù)公式見式（4），softmax函數(shù)[20]公式見式（7）。

2.6 CNN參數(shù)設(shè)計(jì)

本文采用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

輸入層為32×32的彩色三通道圖像。

卷積層C1通過32個(gè)5×5的卷積核同時(shí)對(duì)權(quán)重進(jìn)行L2正則化，得到32個(gè)28×28×3的特征圖。

亞采樣層S1在2×2的區(qū)域內(nèi)對(duì)C1層產(chǎn)生的特征圖進(jìn)行最大值亞采樣，步長(zhǎng)為1，得到32個(gè)14×14×3的特征圖。

卷積層C2通過32個(gè)3×3的卷積核同時(shí)對(duì)權(quán)重進(jìn)行L2正則化，得到1 024個(gè)12×12×3的特征圖。

亞采樣層S2在2×2的區(qū)域內(nèi)對(duì)C1層產(chǎn)生的特征圖進(jìn)行最大值亞采樣，步長(zhǎng)為1，得到1 024個(gè)6×6×3的特征圖。

對(duì)特征圖采取flatten操作，產(chǎn)生一維特征向量。

全連接層F1的大小為256。

全連接層F2的大小為128，然后采用dropout方法對(duì)某一層的神經(jīng)元按照一定概率激活。

全連接層F3的大小為64，然后采用dropout方法對(duì)某一層的神經(jīng)元按照一定概率激活。

正則化項(xiàng)的系數(shù)為[1×10-4]，兩次dropout的概率參數(shù)都設(shè)為0.5，激勵(lì)函數(shù)使用Relu函數(shù)，CNN的學(xué)習(xí)率為[1×10-4]。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.1 示例

在實(shí)驗(yàn)訓(xùn)練過程中，輸入為7 828張訓(xùn)練圖像的數(shù)據(jù)集，輸出為訓(xùn)練好的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);測(cè)試過程中，輸入為600張測(cè)試圖像的數(shù)據(jù)集，輸出為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別的準(zhǔn)確率以及正確與錯(cuò)誤的圖像示例。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1中，第一行代表預(yù)測(cè)類別，第一列代表實(shí)際類別，只有當(dāng)預(yù)測(cè)類別與實(shí)際類別相同時(shí)才代表識(shí)別成功，數(shù)值代表識(shí)別為該種類的個(gè)數(shù)。

3.2 算法比較分析

為驗(yàn)證試驗(yàn)的有效性，分別采用總大小為602和8 428的數(shù)據(jù)集。在602張圖像數(shù)據(jù)集中，訓(xùn)練集大小為742，測(cè)試集為60;在8 428張圖像數(shù)據(jù)集中，訓(xùn)練集大小為7 828，測(cè)試集大小為600。實(shí)驗(yàn)采用L2正則化和dropout等防過擬合方法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，未優(yōu)化前與優(yōu)化后的模型精度存在相當(dāng)大的差異。

4 結(jié)語

深度學(xué)習(xí)在圖像識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，但是在動(dòng)物識(shí)別領(lǐng)域應(yīng)用相對(duì)較少。本文依據(jù)當(dāng)下最流行的深度學(xué)習(xí)模型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建動(dòng)物識(shí)別模型，然后通過擴(kuò)大數(shù)據(jù)集大小、L2正則化和dropout函數(shù)等方法優(yōu)化模型，提升模型精度。通過本文模型有效優(yōu)化了過擬合導(dǎo)致的模型精度降低問題，為動(dòng)物識(shí)別研究提供了一種新思路。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）