魚類識(shí)別小程序設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂俊霖，陳作志，劉 巖，楊長(zhǎng)平

(中國(guó)水產(chǎn)科學(xué)研究院南海水產(chǎn)研究所，廣東 廣州510300)

0 引言

隨著智能手機(jī)的普及和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，以智能手機(jī)為載體的圖像識(shí)別軟件日漸走入人們的生活?；诰矸e神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和深度學(xué)習(xí)的方法，圖像識(shí)別軟件可自動(dòng)提取圖像特征，并推斷出對(duì)應(yīng)的種類(標(biāo)簽)，因此，在需要進(jìn)行圖像識(shí)別的場(chǎng)景中，手機(jī)圖像識(shí)別軟件得到了迅速地推廣和應(yīng)用，這類手機(jī)軟件使用便捷，對(duì)特定領(lǐng)域的物體識(shí)別具備一定準(zhǔn)確度，受到人們的普遍歡迎[1-2]。

我國(guó)擁有廣闊的海洋面積，有3 000多種魚類，共4個(gè)綱47目、313科、3 090種，人們經(jīng)常捕獲和食用的魚類有幾十種到上百種[3-5]。某些魚類較為少見；不同科屬的魚類具有較相似的外觀特征；各地對(duì)某些魚類的稱呼不統(tǒng)一，容易引起誤解。鑒于上述情況，有必要開發(fā)出一款魚類識(shí)別軟件，幫助大眾識(shí)別魚類、辨別魚類、了解魚類，這既是海洋科普的需要，也有益于漁政和科研人員了解當(dāng)?shù)氐臐O業(yè)水產(chǎn)情況。

1 產(chǎn)品使用場(chǎng)景

當(dāng)前，已經(jīng)有不少應(yīng)用于特定場(chǎng)景的識(shí)別程序，如人臉識(shí)別、花卉識(shí)別、水果識(shí)別、昆蟲識(shí)別和車牌號(hào)識(shí)別等[6-10]。這些識(shí)別程序?yàn)楣ぷ魅藛T提供了有力的輔助工具，對(duì)普通人群來說，可通過這些識(shí)別程序，快速便捷地獲得科普知識(shí)。

魚類識(shí)別程序適用于以下場(chǎng)景。

(1)對(duì)不了解的魚類，如在農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)上售賣的魚類，或在漁業(yè)資源調(diào)查中捕獲、垂釣到的魚類進(jìn)行識(shí)別，可了解其名稱、生活習(xí)性、分布位置和形態(tài)特征。

(2)對(duì)已知道俗名的魚類，想了解其更多的信息(學(xué)名、分類地位和生活習(xí)性等)。

(3)對(duì)俗名相同但外形不同的魚類進(jìn)行探究和比較，了解其不同之處。

(4)對(duì)識(shí)別出來的魚類，希望通過分享功能，得到進(jìn)一步確認(rèn)，或者通過手機(jī)的分享功能，向公眾或好友傳播新發(fā)現(xiàn)，分享新知識(shí)。

2 識(shí)別軟件表現(xiàn)形式

當(dāng)前，手機(jī)識(shí)別應(yīng)用軟件有多種表現(xiàn)形式，傳統(tǒng)上使用手機(jī)應(yīng)用程序，也就是俗稱的手機(jī)APP[11]。手機(jī)APP的特點(diǎn)是開發(fā)時(shí)間較長(zhǎng)、功能較豐富，但成本也較高。隨著微信的興起，微信為了統(tǒng)一入口，推出了小程序功能，由于微信的使用人數(shù)眾多，因此，基于微信小程序的識(shí)別軟件也逐漸流行起來[12-13]。兩者之間的比較如表1所示。

表1 手機(jī)APP和微信小程序的對(duì)比

針對(duì)魚類識(shí)別的使用場(chǎng)景，選擇微信小程序的形式，比較符合魚類識(shí)別這種一次性、偶發(fā)性和隨用隨走的應(yīng)用場(chǎng)景。

3 識(shí)別軟件設(shè)計(jì)

魚類識(shí)別小程序的設(shè)計(jì)可以分為前端和后端兩個(gè)部分。前端使用微信小程序，呈現(xiàn)各種功能頁面并接受用戶輸入(圖1)，后端在服務(wù)器上運(yùn)行，對(duì)前端傳遞過來的交互信息進(jìn)行響應(yīng)，執(zhí)行具體的功能，如調(diào)用識(shí)別腳本、讀取數(shù)據(jù)庫(kù)信息等，并返回相應(yīng)的結(jié)果(圖2)。

圖1 前端功能框架

圖2 后端功能框架

3.1 前端功能模塊

(1)識(shí)別功能。識(shí)別功能是核心功能，用戶通過調(diào)用手機(jī)攝像頭，或者通過讀取相冊(cè)里的圖片，上傳給服務(wù)器進(jìn)行識(shí)別。識(shí)別的結(jié)果包括學(xué)名、中文名、俗名、形態(tài)特征、地理分布、生活習(xí)性等信息。

(2)魚類搜索。用戶可以通過搜索魚類的學(xué)名或俗名，得到相應(yīng)魚類的具體信息。

(3)一句話提示。在程序的起始頁隨機(jī)展示魚類的清晰大圖，并配有一句話提示，激發(fā)用戶的好奇心和求知欲，增強(qiáng)用戶黏性。

(4)識(shí)別記錄。記錄用戶的每一次識(shí)別，并可將識(shí)別記錄分享出去。

(5)小程序助手。如果有不了解的魚類，用戶可借助微信小程序的助手功能，邀請(qǐng)魚類鑒定專家輔助鑒定。

(6)分享轉(zhuǎn)發(fā)。分享轉(zhuǎn)發(fā)識(shí)別出來的結(jié)果，請(qǐng)好友幫忙核對(duì)結(jié)果，或分享新知識(shí)。

3.2 后端功能模塊

(1)魚類識(shí)別腳本調(diào)用。對(duì)上傳過來的圖片進(jìn)行識(shí)別腳本調(diào)用，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將圖片的卷積結(jié)果與識(shí)別模型相比對(duì)，得到屬于某個(gè)物種的概率值，該物種在魚類數(shù)據(jù)庫(kù)中有一個(gè)唯一的標(biāo)識(shí)(identification，ID)，每個(gè)ID對(duì)應(yīng)一種魚類。

(2)數(shù)據(jù)庫(kù)讀取。設(shè)計(jì)魚類信息數(shù)據(jù)庫(kù)，根據(jù)腳本識(shí)別出來的物種ID，在魚類數(shù)據(jù)庫(kù)中讀取屬于該ID的其他字段，從而得到對(duì)應(yīng)魚類的詳細(xì)信息。開發(fā)人員需提前在數(shù)據(jù)庫(kù)中填好魚類各字段的具體信息。

(3)識(shí)別日志。記錄圖片的識(shí)別結(jié)果，如上傳圖片時(shí)間、識(shí)別結(jié)果、識(shí)別耗時(shí)等。

(4)統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，可給出目標(biāo)時(shí)間段內(nèi)識(shí)別接口的調(diào)用情況和識(shí)別概率，為有針對(duì)性地調(diào)整識(shí)別參數(shù)提供數(shù)據(jù)支撐。

4 魚類數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

魚類數(shù)據(jù)庫(kù)用于對(duì)可識(shí)別的魚類信息進(jìn)行統(tǒng)一管理。根據(jù)軟件的使用場(chǎng)景，確定了魚類數(shù)據(jù)庫(kù)的收錄標(biāo)準(zhǔn)：①較為常見；②在我國(guó)出版的魚類圖譜、圖志中被收錄過；③魚類的信息和圖片較易采集。經(jīng)反復(fù)篩選，共收入魚類1 400種，這也是識(shí)別小程序所能識(shí)別的上限。

在魚類識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)中，設(shè)計(jì)了可展示字段，并根據(jù)字段收集整理了魚類的關(guān)鍵信息，如學(xué)名、中文名、俗名、分類地位、形態(tài)特征和生活習(xí)性等，制作成魚類數(shù)據(jù)庫(kù)。

魚類識(shí)別數(shù)據(jù)庫(kù)的結(jié)構(gòu)如表2所示。

表2 魚類信息數(shù)據(jù)表

5 識(shí)別小程序的實(shí)現(xiàn)

識(shí)別小程序由2個(gè)頁面組成，首頁是“識(shí)別”頁(圖3)，通過隨機(jī)展示一張魚類的清晰大圖和一句話知識(shí)，引發(fā)用戶的好奇心，用戶可直接點(diǎn)擊該圖片進(jìn)行識(shí)別，也可通過拍照或從相冊(cè)中選擇圖片進(jìn)行識(shí)別，識(shí)別結(jié)果如圖4所示。

圖3 識(shí)別頁

圖4 識(shí)別結(jié)果頁

第2個(gè)頁面(圖5)是“我的”頁，主要提供了除識(shí)別外的其他重要功能，如識(shí)別記錄、識(shí)別貝類的跳轉(zhuǎn)鏈接、識(shí)別蝦蟹的跳轉(zhuǎn)鏈接、聯(lián)系我們、分享轉(zhuǎn)發(fā)和關(guān)于等，識(shí)別記錄頁面如圖6所示。

圖5 “我的”頁

圖6 識(shí)別記錄頁

通過這些菜單，用戶可以查看自己的識(shí)別記錄，也可以跳轉(zhuǎn)到對(duì)貝類和蝦蟹類的識(shí)別?！奥?lián)系我們”提供了微信小程序助手的功能，可以通過這個(gè)功能聯(lián)系魚類鑒定專家，從而得到更好的鑒別服務(wù)?！瓣P(guān)于”則提供了該軟件的開發(fā)信息。

6 結(jié)束語

魚類識(shí)別小程序的開發(fā)，緊密切合了需要對(duì)魚類進(jìn)行識(shí)別的典型場(chǎng)景，抓住了用戶的核心需求，并且通過生動(dòng)活潑的界面設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了其核心功能。

魚類小程序的識(shí)別結(jié)果比較準(zhǔn)確，在驗(yàn)證集上的測(cè)試，準(zhǔn)確率可達(dá)95%以上，在生活中經(jīng)過多次的實(shí)物測(cè)試，準(zhǔn)確率也達(dá)到90%以上，較好地實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的需求，在魚類知識(shí)普及中具有一定的作用，也可為手機(jī)識(shí)別程序的開發(fā)者提供有益的借鑒。