基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的菜心病害程度識別算法

王 庚，孫 盛

（1.廣州鐵路職業(yè)技術學院，廣東 廣州 510430；2.廣東工業(yè)大學 計算機學院，廣東 廣州 510000）

菜心為十字花科蕓薹屬，一、二年生草本植物，在長江以南的地區(qū)被廣泛種植和食用［1］。菜心是廣東省栽培面積最大的蔬菜品種，亦是出口港澳及東南亞國家的主要蔬菜品種［2］。作為廣泛種植的蔬菜，一旦發(fā)生病蟲害，就會給種植戶造成巨大的損失。病蟲害嚴重影響著作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，病蟲害程度檢測可以在發(fā)生大規(guī)模蟲害前提供預警信息，可以為相關部門提前采取措施提供決策支持。

近年來，越來越多圖像分類算法技術應用于農(nóng)作物病蟲害的程度檢測中。如：吳華瑞提出了一種基于深度殘差網(wǎng)絡的番茄葉片病害識別方法［3］，馬浚誠等設計了一種溫室黃瓜霜霉病診斷系統(tǒng)［4］，丁小奇針對大白菜和馬鈴薯葉片，構建了基于特征檢測的蔬菜葉片病蟲害識別模型［5］。在圖像分類的算法中，比較經(jīng)典的算法有k 最近鄰算法（KNN）、支持向量機（SVM）、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡［6］。但是，隨著近年來深度學習及遷移學習等新的技術的迅速發(fā)展；深度學習模型，例如：卷積神經(jīng)網(wǎng)路，在分類任務中具備更加優(yōu)異的性能。因此，本文采用LeNet-5 分類網(wǎng)絡設計并實現(xiàn)一個菜心病害程度識別算法。

1 數(shù)據(jù)采集及預處理

1.1 數(shù)據(jù)采集

通過前期調(diào)研和向蔬菜基地農(nóng)民的咨詢，于2019 年3 月至12 月期間，進行了3 次集中圖像采集。共采集了1 200 張圖像；采集設備相關信息見表1。

表1 菜心圖像采集信息

在數(shù)據(jù)集中存在的病害因素基本上都是蟲害。根據(jù)與農(nóng)民的咨詢，按菜心的蟲害程度分為三類，分別是輕度（mild，包括無病）、中度（moderate）和重度（severe）。輕度：葉片蟲洞低于10 個或者沒有；中度：葉片蟲洞低于20 個但大于10 個；或葉片蟲洞大于10 個，但蟲洞面積占葉片面積比重略大。重度：葉片蟲洞大于20 個；或葉片蟲洞小于20個，但蟲洞面積占葉片面積比重較大；或葉片蟲洞面積占葉片面積比重特別大。病害程度分類示意圖見圖1。

圖1 菜心病害程度分類（輕度、中度、重度）示意圖

通過人工判別制作數(shù)據(jù)集，同時，為了降低計算復雜度，將圖像數(shù)據(jù)從2 448*2 448 裁剪成256*256。輕度病害圖像樣本共計400 個，見圖2。

圖2 菜心病害圖像（輕度）數(shù)據(jù)集

1.2 數(shù)據(jù)預處理

步驟1：圖像裁剪。在拍攝的圖像中，有很多圖像樣本包含過多葉片，會影響數(shù)據(jù)有效特征的數(shù)量，因此，需要人工進行裁剪，如圖3。

圖3 圖像樣本裁剪

步驟2：訓練集分批。本文算法是基于TensorFlow平臺實現(xiàn)，而在TensorFlow 中，數(shù)據(jù)的計算格式是以批（batch）的形式進行訓練，而批的大小（batch_size）可以自由定義。在TensorFlow 中，整合數(shù)據(jù)的方式大概有兩種，一種是將數(shù)據(jù)處理并打包成tfrecord 格式，另一種將數(shù)據(jù)處理并打包成Dataset 類的格式。前者是整理成一個文件，并放置在硬盤中，后者則是在訓練的過程中生成Dataset 類的實例，所以后者整合的數(shù)據(jù)是存放在內(nèi)存中的。因此，如果數(shù)據(jù)集龐大的話，應該運用tfrecord 的方式，如果數(shù)據(jù)集不大的話，可用Dataset 的實例。由于本文數(shù)據(jù)集規(guī)模較小，因此采用Dataset 實例。

同時，還可調(diào)用tf.image.per image standardization（）方法對圖像像素數(shù)值進行標準化處理。當數(shù)據(jù)集被整合成Dataset 的實例后，可以對其進行順序隨機處理，然后再讀取生成的Dataset，并分批送進模型進行訓練。

步驟3：數(shù)據(jù)擴增。在深度學習模型的訓練過程中，通常會采用數(shù)據(jù)擴增策略，完成數(shù)據(jù)集的樣本數(shù)量擴充，使得模型的擬合性能更好。常用的方式有：翻轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)、縮放比例、裁剪和對比度調(diào)整等。本文采用隨機調(diào)整圖片對比度的方式來擴充數(shù)據(jù)集。

2 基于LeNet-5 的菜心病害程度分類算法

2.1 經(jīng)典分類模型的分析和對比

在基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型的分類算法中，最經(jīng)典的模型有LeNet-5、VGG-16、GoogLeNet 等。VGG-16 和GoogLeNet 是ImageNet 挑 戰(zhàn) 賽（ILSVRC14）的第一名和第二名。VGG-16 網(wǎng)絡的一大特點是通過3×3 濾波器的組合與堆疊，在輸入域內(nèi)提取出更多細小的特征。通過構建和組合多個3×3 卷積核，可以獲得5×5 或7×7 卷積核一樣的計算效果，連續(xù)幾個結構較小的卷積核比單個結構大的卷積核可能具有更好的非線性效果［7］。GoogLeNet 的網(wǎng)絡深度有22 層，但模型參數(shù)比AlexNet 和VGG 小很多，GoogleNet 參數(shù)為500 萬個，該模型在AlexNet 的基礎上引入 Inception 結構代替了單純的卷積+激活的經(jīng)典組合模式。全連接層全部替換為簡單的全局平均 pooling，使得網(wǎng)絡參數(shù)量更少。升網(wǎng)絡性能最直接的辦法就是增加網(wǎng)絡深度和寬度，深度指網(wǎng)絡層次數(shù)量、寬度指神經(jīng)元數(shù)量［8］。在實際應用中，VGG-16 和GoogLeNet 有以下特點：1）參數(shù)過多，在模型的訓練容易產(chǎn)生過擬合；2）巨大的網(wǎng)絡參數(shù)量，對于計算和存儲資源要求較高，給用戶帶來較大的硬件投入成本負擔；3）較深的網(wǎng)絡層數(shù)容易出現(xiàn)梯度彌散。而LeNet-5 網(wǎng)絡大約僅有6 萬個參數(shù)，屬于規(guī)模較小的網(wǎng)絡，其訓練過程的復雜度遠遠低于VGG-16 和GoogLeNet，已經(jīng)足夠處理本文待解決的問題，因此采用了LeNet-5 網(wǎng)絡模型完成菜心病害程度分類任務［9］。

2.2 LeNet-5 網(wǎng)絡模型搭建

根據(jù)LeNet-5 的原始模型，首先實現(xiàn)一個簡單的分類網(wǎng)絡，包含兩組卷積和池化組合，兩層全連接層和一個softmax 分類層。如果輸入為［n，256，256，3］的圖像矩陣，其中n是batch size，256 表示訓練樣本像素為256×256，3 表示數(shù)據(jù)是三通道的rgb 圖像；第一個卷積層含有64 個大小為3×3×3 的濾波器，步長為1，padding 對邊緣補0，該層產(chǎn)生的輸出為［n，256，256，64］的矩陣。接著，此卷積層的輸出進入第一個池化層（kernel 為3×3，步長為2，padding也對邊緣補0）后，產(chǎn)生新的輸出為［n，128，128，64］。同理，再經(jīng)過一次卷積（32 個3×3×64 的濾波器，步長為1，padding 取0）和池化后，可以得到輸出為［n，64，64，32］的矩陣。隨后，矩陣數(shù)據(jù)進入第一次全連接層，權重的維度為單個像素矩陣平整化的大小，此處即為［131 072，128］，矩陣數(shù)據(jù)將平整化，從而得到［n，128］的矩陣。再經(jīng)歷一次全連接層［128，64］進行降維，得到［n，64］的矩陣。最后，通過softmax 層實現(xiàn)線性回歸，計算出每一類的得分，根據(jù)菜心的病害程度有三個分類，所以這個層輸出為［n，3］，即輸出為n個三種類別的概率分布。網(wǎng)絡的細節(jié)見圖4。在這個架構中，dropout 的概率為0.5，學習率為0.000 1，激活函數(shù)為ReLU 函數(shù)，同時在池化后執(zhí)行l(wèi)rn（）操作，優(yōu)化器使用的Adam，訓練集的batch size 為25。網(wǎng)絡模型結構見圖4。

圖4 LeNet-5 網(wǎng)絡結構模型

同時采用局部響應歸一化（LRN，Local Response Normalization）技術，對局部神經(jīng)元的活動創(chuàng)建競爭機制，使其中響應比較大的數(shù)值變得相對更大，通過抑制其他反饋較小的神經(jīng)元，增強模型的泛化能力。ReLU 函數(shù)所具有的線性及非線性性質(zhì)使得不需要輸入歸一化來防止達到飽和，但是，局部歸一化方案可提高網(wǎng)絡的泛化能力［10］。在上述參數(shù)設定的情況下，將網(wǎng)絡模型結構記為Model1，分類的精確度可以從0.35 左右升至0.50～0.55 之間，但是訓練很快就出現(xiàn)了過擬合的現(xiàn)象，如圖5a 所示。

2.3 LeNet-5 網(wǎng)絡模型調(diào)優(yōu)

為了減弱過擬合現(xiàn)象，必須對網(wǎng)絡模型進行調(diào)優(yōu)。不同的網(wǎng)絡結構在訓練中可能產(chǎn)生不同的過擬合，如果采取取平均操作，可能讓一些“相反的”擬合現(xiàn)象抵消。本文采取了Dropout 策略來減弱過擬合，整個dropout 過程，本質(zhì)上相當于對很多個不同的網(wǎng)絡結構取平均。在訓練數(shù)據(jù)的過程中，本文設定的dropout 概率為0.5，將一部分中間層的單元暫時從網(wǎng)絡中關閉，通過把該單元的輸出設置為0，使其不工作，來避免擬合。DropConnect 與Dropout 不同的地方，是在訓練神經(jīng)網(wǎng)絡模型過程中，它不是改變隱層節(jié)點的輸出數(shù)值，而是將節(jié)點中的輸入值，這種策略會將每個與節(jié)點相連的輸入權值以1-p 的概率變成0。DropConnect 實質(zhì)上可以去除復雜模型中的大量冗余結構，會增強模型的泛化能力。

此外，學習率作為另外一個重要的超參數(shù)，控制了網(wǎng)絡模型訓練和優(yōu)化的速度。如果學習率數(shù)值太小，梯度下降的速度會變得很慢，使得模型收斂的時間變長；但是，如果學習率過大，梯度下降的步長太大，又可能會導致模型訓練跳過最優(yōu)解。在梯度下降的過程中，優(yōu)化器可以改變學習率，同時也可以人為的設定學習率。因此，有必要對原始模型參數(shù)進行調(diào)整，通過改變學習率和網(wǎng)絡層數(shù)，得到一個新的網(wǎng)絡：記為Model2。Model2 是在Model1的基礎上，增加了兩組卷積和池化層，即四組卷積和池化層。通過改變網(wǎng)絡結構，分類的精度從0.35左右逐步升至0.60～0.65 之間，驗證精度有較大提升，見圖5b 所示。

圖5 LeNet-5 網(wǎng)絡模型訓練過程

3 實驗結果及分析

3.1 實驗環(huán)境搭建

系統(tǒng)開發(fā)采用了Python 語言，網(wǎng)絡模型的搭建和預測都是基于TensorFlow。保存訓練模型有兩種方式，分別是pb 文件或ckpt 文件。由于pb 文件具有語言獨立性，因此采用pb 文件作為模型的保存方式。此外，其他語言和深度學習框架都可以讀取pb文件，訓練好的pb 文件還可以遷移到其他框架。以pb 文件形式保存的模型參數(shù)，其相關變量為固定的，模型體積得到了大幅的縮小。

界面開發(fā)采用的是跨平臺GUI 工具包PyQt。PyQT 開發(fā)的界面可以在Qt 支持的各個平臺上運行，包括三大桌面系統(tǒng)Windows，Mac OS 和Linux 以及兩個移動系統(tǒng)iOS 和Android［10］。因而，本系統(tǒng)界面可以在多種操作系統(tǒng)環(huán)境下運行。

3.2 網(wǎng)絡模型預測結果及分析

通過讀取待預測的菜心圖像，選擇已保存的訓練好的模型的pb 文件進行預測，返回分類的結果和對應概率分布。用戶選擇任意的菜心圖像后，可以自行選擇已訓練好的網(wǎng)絡模型，然后提交給pb 文件對應的網(wǎng)絡模型中進行預測；為了方便用戶靈活選擇和實驗，系統(tǒng)預先設置了4 種模型參數(shù)配置：pb_1，pb_2，pb_3，pb_4；同時，也可以支持用戶進行二次開發(fā)，根據(jù)需求自行訓練模型。預測結束后，顯示結果以及各分類的概率，對應概率最大的那個類別就是菜心樣本對應的病害程度。詳細過程見圖6。在圖6 中，用戶選擇的樣本為一個病害程度嚴重的菜心圖像，預測結果severe 的概率最大，為99.029 3%，因此該菜心的病害程度為嚴重。

圖6 系統(tǒng)預測界面及結果輸出

4 結語

運用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的模型，構建一個小規(guī)模的菜心圖像訓練集，將菜心病害程度劃分成三個類別。針對收集數(shù)據(jù)樣本有限的問題，采用數(shù)據(jù)擴增技術完成訓練集的擴充。在得到初步結果后，完成模型訓練和參數(shù)調(diào)優(yōu)；最后，結合PyQT 技術完成一個跨平臺的用戶界面。由于時間和經(jīng)濟成本的限制，圖像樣本訓練集數(shù)量仍有待進一步擴增；后續(xù)研究中，可以繼續(xù)擴充圖像樣本庫；同時，結合農(nóng)業(yè)專家的知識，在移動互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下，給菜心種植農(nóng)戶提供精確的病害鑒別服務，可以較早的采取病害處理措施，降低病害導致的經(jīng)濟損失。