一種精簡的蘑菇圖像分類模型

黃詩瑀，葉 鋒，2，3，黃麗清，2，3，黃添強，2，3，陳家禎，2，3，鄭子華，2，3

(1.福建師范大學計算機與網(wǎng)絡空間安全學院，福建 福州 350117;2.數(shù)字福建大數(shù)據(jù)安全技術研究所，福建 福州 350117;3.福建省公共服務大數(shù)據(jù)挖掘與應用工程技術研究中心，福建 福州 350117)

隨著近年來人工智能技術迅速發(fā)展，各大深度學習技術社區(qū)網(wǎng)站出現(xiàn)了許多預訓練模型可供調(diào)用，使用者無需關心模型內(nèi)部的實現(xiàn)細節(jié)．高度黑盒化的深度學習模式也帶來了一個問題，在實際的圖像分類應用中，沒有正確評估數(shù)據(jù)集和模型之間的大小關系，偏好使用大而復雜的模型進行圖像分類任務，雖然在訓練集上達到了很高的分類精度，但是在驗證集和測試集上分類精度較差，同時模型訓練計算開銷大，訓練時間長，占用存儲空間多，模型可塑性和維護性差．一些業(yè)余的深度學習使用者，并沒有足夠的算力在短時間內(nèi)得到想要的模型，也導致了深度學習技術的應用門檻較高．本文對模型進行結構剪枝研究，并依據(jù)剪枝策略設計一個高效輕量的蘑菇識別模型MushroomNet-MicroV2(簡稱MicroV2)．

本文的貢獻如下：(1)收集并整理了包含9類蘑菇圖片的數(shù)據(jù)集，經(jīng)過圖像增強(裁剪、旋轉)處理之后為4 500張；(2)對圖像分類網(wǎng)絡各部分精度貢獻做了比較研究，為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模塊構建提供依據(jù)；(3)研究了數(shù)據(jù)集大小對圖像分類精度帶來的影響；(4)提出一種用于識別小型數(shù)據(jù)集的微型神經(jīng)網(wǎng)絡MushroomNet-MicroV2，該模型精簡高效，可以在蘋果M1 CPU等ARM平臺上快速訓練與部署，發(fā)布的PyTorch版本代碼網(wǎng)址為https:∥github.com/Huang-Shi-Yu/MushroomNet/．

1 相關工作

現(xiàn)有的主要的圖像分類模型包括AlexNet[1]、VGG[2]、GoogLeNet[3]、EfficientNet[4]以及Vision Transformer[5]．這些圖像分類網(wǎng)絡在大型數(shù)據(jù)集(例如Imagenet)上表現(xiàn)良好，而對于小型數(shù)據(jù)集，此類網(wǎng)絡存在過擬合現(xiàn)象．且大型網(wǎng)絡訓練緩慢，使得模型不易訓練和部署．為了能適應小型數(shù)據(jù)集的分類任務，學者陸續(xù)提出了ResNet[6]、SqueezeNet[7]、MobileNet[8-10]、ShuffleNet[11-12]、Xception[13]等輕量化模型，以實現(xiàn)分類精度和效率之間的平衡．除此之外，常見的模型壓縮的方法還有網(wǎng)絡剪枝[14-17]和知識蒸餾[18-21]．

現(xiàn)有的國內(nèi)蘑菇圖像分類工作：肖杰文等[22]收集了7種共1 675張蘑菇圖像，并數(shù)據(jù)增強至8 375張作為分類對象，使用ShuffleNetV2進行分類，達到了55.18%的Top-1分類準確率；沈若蘭等[23]分類9種共6 714張蘑菇圖片，在ResNet50和Xception上分別達到了93.46%和95.10%的分類準確率；樊帥昌等[24]使用VGG、GoogLeNet和ResNet系列模型對14 669張圖片(包含18種毒蘑菇圖片和5種非毒蘑菇圖片)進行分類，其中ResNet152性能最佳，在驗證集上達到了92.17%的分類準確率，同時作者還比較了不同遷移學習策略(全局預訓練和全連接層預訓練)對模型性能帶來的影響；陳秋月等[25]搭建了13層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡，對8類共4 688張蘑菇圖片進行分類，達到了95%的分類準確率，但是其數(shù)據(jù)集內(nèi)類別不平衡(數(shù)量最少的類別有340張，數(shù)量最多的類別有900張)導致一些類別正確率較低．

現(xiàn)有的國外蘑菇圖像分類工作：Zahan等[26]收集了8 190張蘑菇圖像，先用對比度增強方法對數(shù)據(jù)預處理，隨后用InceptionV3、VGG16和ResNet50對45種蘑菇進行3分類，分為可食用、不可食用和有毒，訓練過程引入遷移學習，在3個分類模型上分別達到上達到88.4%、84.44%和58.65%的精度；Kiss等[27]收集了29 100共106類蘑菇圖像，使用遷移學習訓練EfficientNet—B5，并引入Noisy Student和類別增長策略，進行消融實驗，比較了不同網(wǎng)絡結構(EfficientNet—B0和EfficientNet—B5)和各種訓練技巧對最終模型精度造成的影響，最終分類模型達到92.6%的精度；Ketwongsa等[28]收集了5種共623張蘑菇圖像，并數(shù)據(jù)增強至2 000張圖像，隨后用GoogLeNet、AlexNet和ResNet50上執(zhí)行二分類任務(有毒和可食用)，分別達到99.5%、99.0%、99.5%的驗證精度，提出的模型達到了98.5%的驗證精度，同時還比較了各模型的運行時間，所設計的模型可以在NVIDIA GTX3060上以4.37 min完成10輪訓練，雖然該工作精度很高，但是數(shù)據(jù)集內(nèi)只有5類圖像且數(shù)據(jù)增強方式?jīng)]有公開，沒有介紹模型設計依據(jù)．

2 研究方法

本文基于蘑菇數(shù)據(jù)集，著重探究卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的性能和效率平衡點，分析卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型的卷積層、池化層和全連接層3個部分以及激活函數(shù)對分類精度和效率的影響，并設計精簡的模型結構，在短時間內(nèi)完成訓練，獲得存儲占用小的模型，并達到誤差可接受(相比大模型不低于5%)的分類結果．

2.1 卷積層和池化層

輸入一定大小的圖片，卷積核k以一定的間隔s滑動，用于執(zhí)行對圖像的上采樣、下采樣操作，并將數(shù)據(jù)用于下一層的計算．在卷積過程中，局部感受場以滑動的方式覆蓋圖像中所有元素，下一層的神經(jīng)元可以呈現(xiàn)出本層的單個局部感受場(即特征)，可以使用Padding操作填充邊緣，以達到控制結果圖像尺寸的目的．在PyTorch中，輸出圖像邊長o的和輸入圖像邊長i的大小關系如公式(1)所示．

(1)

卷積之后進行池化操作，池化操作使得模型具有輸入不變性，即輸入圖像經(jīng)過平移、旋轉、縮放等方式處理之后依然可分類正確的特性．同時池化層使模型參數(shù)量迅速減少．池化層的特征壓縮，使得淺層卷積提取的特征多為細節(jié)特征，例如斑點、紋理;中層卷積提取的特征多為局部特征(菌柄、傘褶)；深層卷積提取到的則為全局特征(蘑菇輪廓)．本文使用最大池化(MaxPool)，在局部感受場區(qū)間內(nèi)采集最大值，突出圖像特征．經(jīng)過卷積和池化操作之后，輸出的特征圖張量大小取決于全局池化層(AvgPool)的結構．

2.2 全連接層

卷積和池化層完成特征提取和降維后，展平成一維向量X輸入全連接層．每一層的神經(jīng)元都和下一層的所有神經(jīng)元相連，神經(jīng)元的學習參數(shù)包括權重w和偏置b．單個神經(jīng)元的輸入和輸出關系如公式(2)所示，最后一層輸出的向量維度表示分類數(shù)，取最大分量表示最終類別．

y=σ(wx+b).

(2)

本文設計的全連接網(wǎng)絡中使用2種正則化方法減緩過擬合．(1)dropout：dropout在網(wǎng)絡訓練時隨機地選出神經(jīng)元致其失效，失效神經(jīng)元不再進行信號的傳遞．本文搭建的神經(jīng)網(wǎng)絡在全連接層的第1層與第2層之間，第2層與第3層之間設置了dropout機制．(2)L2權重正則化：該方法通過在學習過程中對大的權重進行懲罰以抑制過擬合．本次實驗為損失函數(shù)加上權重的L2范數(shù)，假設權重張量W=(w1，w2，w3，…，wn)，L2范數(shù)的表達式如公式(3)所示，記λ為控制正則化強度的因子，L2范數(shù)的權值衰減表達式如公式(4)所示．對于所有權重，權重衰減方法都會為損失函數(shù)加上權重懲罰項Lweight，求權重梯度的計算中，都會為誤差反向傳播法加上正則化的導數(shù)λL2，PyTorch中使用weight—decay超參數(shù)作為λ進行權重參數(shù)懲罰．

(3)

Lweight=0.5λ·L2.

(4)

2.3 激活函數(shù)

在模型的層與層之間使用激活函數(shù)，增加模型的非線性表征能力．sigmoid和ReLU的表達式如公式(5)和公式(6)所示．

(5)

(6)

圖 1展示了sigmoid函數(shù)和ReLU函數(shù)的原函數(shù)和導函數(shù)圖像．傳統(tǒng)的sigmoid函數(shù)兩邊導數(shù)值較小，當激活函數(shù)的梯度小于1時，在反向傳播時可能會因網(wǎng)絡層數(shù)過多會引起梯度彌散導致其越來越小，傳送到足夠深的層數(shù)時，該層的權重值由于梯度過小，幾乎不會發(fā)生改變，增加訓練輪數(shù)時模型性能不會得到明顯的改進．而ReLU函數(shù)能在一定程度上克服傳統(tǒng)sigmoid激活函數(shù)的梯度彌散問題．ReLU激活函數(shù)在輸入大于0時，直接輸出該值，在輸入小于等于0時，一律按照0處理，同時其具有加快訓練速度的作用．對比sigmoid類函數(shù)主要變化是：單側抑制、相對寬闊的興奮邊界和稀疏激活性．

圖1 Sigmoid/ReLU激活函數(shù)及其導數(shù)圖像Fig.1 Sigmoid/ReLU activation functions and derivative graphs

ReLU函數(shù)輸入值為負時，輸出始終為0，其一階導數(shù)也始終為0，導致神經(jīng)元不能更新參數(shù)．為了解決ReLU函數(shù)這個缺點，在ReLU函數(shù)的負半?yún)^(qū)間引入Leaky值，稱為Leaky—ReLU函數(shù)，其函數(shù)表達式如公式(7)所示．相比ReLU函數(shù)，Leaky—ReLU的導數(shù)值總是不為0，減少了靜默神經(jīng)元的出現(xiàn)，所有的神經(jīng)元都會參與學習過程．相比Leaky—ReLU，ELU激活函數(shù)的單元激活均值可以更接近0，類似于Batch Normalization的效果，但是只需要更低的計算復雜度．雖然Leaky—ReLU函數(shù)也有負值部分，但是不保證在輸入為負的情況下能夠抵抗噪聲干擾．反觀ELU在輸入小值時具有軟飽和的特性，該特性能夠提升對噪聲的魯棒性．ELU的激活函數(shù)如公式(8)所示．

(7)

(8)

2.4 MushroomNet模型結構設計

MushroomNet模型的參數(shù)信息如表 1所示，模型結構如圖2所示．每一個卷積塊都包括卷積層和池化層，卷積層結束之后使用池化層進行特征壓縮．模型從小到大可以分為Micro(微型)、Slim(小型)、Middle(中型)、Large(大型)．Micro模型只有一個卷積塊，模型規(guī)模每提升一級，多一個卷積塊且通道數(shù)翻倍．在輸入數(shù)據(jù)上，Micro模型和Slim模型輸入64×64像素的圖片，中型和大型模型輸入100×100像素的圖片數(shù)據(jù)．

圖2 MushroomNet 結構框架Fig.2 MushroomNet frameworks

表1 MushroomNet模型結構參數(shù)信息Tab.1 MushroomNet model structures parameters

在所有MushroomNet模型中，第1個卷積塊遵循VGG設計思想，連續(xù)使用2個3×3像素的卷積層，第一個卷積層將通道數(shù)由3提升至32，第2個卷積層保持通道數(shù)不變．隨后的每一個卷積塊，均把通道數(shù)翻倍．在全連接層中根據(jù)通道數(shù)進行設計，經(jīng)過1個全連接層通道數(shù)減半．從圖片輸入到輸出一共要經(jīng)過3次下采樣，由于小模型層數(shù)較少，在卷積層中使用無邊緣填充的降尺度卷積．

2.5 MushroomNet模型結構優(yōu)化

為了比較模型各部分對于分類的重要程度，選擇2.4節(jié)所述的Micro模型再次進行修改，以模型各部分的功能作為修改依據(jù)．首先卷積層用于特征提取，特征的復雜程度決定了卷積層的規(guī)模，若圖像特征較多也應設置更多卷積核和卷積層，以便于從多尺度更加精細地提取特征．其次池化層用于特征壓縮，將指定區(qū)域(感受野)內(nèi)的特征簡化并減小圖像尺寸，使得模型開始關注更高級的語義特征．最后全連接層用于特征分類，通過神經(jīng)元的前向計算以輸出類別向量，取最大分量作為最終預測類別．

本文嘗試以下4種Micro模型的修改方案，在Larger FC中使用更多全連接層神經(jīng)元增強分類能力；在More channels中加入更多通道數(shù)增強模型表征能力；在Clip1和Clip2中減少卷積，并使用更大的Stride以驗證卷積對特征提取的貢獻和引起的模型代價．修改后的Micro模型結構參數(shù)見表 2．本文模型和現(xiàn)有一些模型分類精度和效率對比參考實驗3.3節(jié)和實驗3.4節(jié)．同時還比較了幾個激活函數(shù)對模型性能的影響，分別在網(wǎng)絡每層之間引入ReLU函數(shù)、Leaky—ReLU函數(shù)和ELU函數(shù)，具體實驗結果見3.5節(jié)．

表2 修改后的Micro模型結構Tab.2 Altered Micro model structures

2.6 模型可解釋性技術

積分梯度法[29]是Sundararajan等于2017年提出的，類似的技術還有Grad-CAM顯著性特征圖可視化[30]．顯著性特征圖的輸出結果呈現(xiàn)團塊狀，而積分梯度輸出結果呈現(xiàn)點狀，有利于觀察紋理信息對于分類的作用，因此本文選擇積分梯度，該方法可以在保證敏感性、完整性和實現(xiàn)不變性的基礎上，增強模型可解釋性．

(9)

(2)完整性原則．完整性是指輸入各分量的歸因，求和之后等于最終模型預測改變量．同時模型最終預測，是一個量變引起質(zhì)變的過程，是輸入圖像各像素共同作用的結果．在本文對分類器的歸因任務中，檢查了蘑菇圖像相對于基線改變的歸因，可以直觀地根據(jù)歸因圖的區(qū)域亮度判定蘑菇各部分對于最終分類的影響．如公式(10)所示，所有像素點的積分累計后，即為輸出的改變量．

(10)

(3)實現(xiàn)無關性原則．積分梯度方法的歸因結果只跟輸入和輸出有關，和具體網(wǎng)絡實現(xiàn)無關．若具備相同的輸入和輸出，歸因結果是一致的，本文中選擇積分梯度方法，因為它能排除底層網(wǎng)絡實現(xiàn)對歸因結果的干擾，直接根據(jù)輸入和輸出獲得正確的歸因圖．

3 實驗

3.1 實驗設置

本實驗基于PyTorch實現(xiàn)，使用NVIDIA GTX2080TI訓練模型，訓練過程中使用Adam優(yōu)化器，正則化參數(shù)設置為0.000 1，學習率設置為0.001，dropout設置為0.5，batch—size為64，epoch設置為30輪．模型性能評價指標使用模型精度ACC和交叉熵損失cross—entropy—loss．

3.2 數(shù)據(jù)集

在互聯(lián)網(wǎng)上爬取圖片制作蘑菇數(shù)據(jù)集，先篩選和裁剪處理獲得蘑菇圖片2 250張(9類×250張)，隨后使用旋轉、對比度調(diào)整等方法以擴充數(shù)據(jù)集至4 500(9類×500張)，最后進行圖像尺寸變換以適應特征提取網(wǎng)絡的輸入大小，數(shù)據(jù)集相關信息如表 3所示，數(shù)據(jù)集中圖片樣例如圖 3所示．劃分訓練集和驗證集時按類別8∶2進行隨機劃分，即訓練集為3 600張圖片(9類×400張)，驗證集為900張圖片(9類×100張)．

表3 數(shù)據(jù)集信息Tab.3 Datasets information

圖3 數(shù)據(jù)集(Mushroom-LQ)展示Fig.3 Dataset (Mushroom-LQ) display

3.3 模型規(guī)模對比實驗

實驗結果如表4所示，數(shù)據(jù)取第30輪．在MushroomNet系列模型中，模型結構越復雜識別精度越高，從Micro模型到Slim模型提升最明顯(50%至77%)，而Middle模型精度到達86%之后，增大模型規(guī)模帶來的性能提升逐漸變小(Large模型:88%)，且增大模型規(guī)模帶來的代價是極高的．相比Large模型，VGG11的訓練時間多了528 s，且參數(shù)量多了480.7 M，然而驗證精度卻持平．因此有必要研究模型各組件對精度提升帶來的影響，實現(xiàn)有規(guī)則地構建特征提取模型．

表4 模型性能和效率Tab.4 Model performance and efficiency

3.4 模型結構消融實驗

以Micro模型作為baseline，探討模型各部分對分類精度和效率的影響．數(shù)據(jù)集使用64×64像素低分辨率的Mushroom—LQ，其余設置參照3.1節(jié)，實驗結果如表 5所示，接下來從分類精度和訓練和存儲效率方面對結果進行分析．

(1)分類精度.增加全連接層的神經(jīng)元(Larger FC)使得模型驗證精度提升明顯(0.50→0.88)，因為Baseline中全連接層神經(jīng)元較少，無法在全連接層有效地進行模型表征，導致分類能力較差．增加通道數(shù)(More channels)對于精度影響極小(0.50→0.53)，因為低分辨的蘑菇數(shù)據(jù)集較簡單，無需更多卷積核進行表征．減少1層卷積(Clip1)導致精度下降(0.50→0.48)，而完全去除卷積(Clip2)影響較大(0.50→0.39)，說明在Baseline中1層卷積提取到的特征已經(jīng)接近飽和．

(2)訓練和存儲效率.全連接層中引入更多神經(jīng)元(Larger FC)，會使模型性能顯著提升(0.50→0.88)，引入了更多的參數(shù)(189.3 K→1.3 M)，但模型訓練時間略微增長(41 s→42 s，因為GTX2080TI有Cuda加速，差距較小，在ARM平臺差距會拉大)．在特征較為簡單的蘑菇圖像中，更多通道(More channels)并不會帶來更好的模型性能表現(xiàn)，但是會引入額外的參數(shù)量(189.3 K→396.4 K)，實驗只采用了64的通道數(shù)，參數(shù)量相比基準Micro模型上升207.1 K，而3.3節(jié)實驗中的Large模型還增加了2層128和256的通道數(shù)，模型參數(shù)量直達10.7 M，同時更多通道也會帶來訓練時間的提升，通道數(shù)越多，提升越明顯．更多的卷積層沒有帶來更強的性能，參照Micro+Larger FC和3.3節(jié)實驗中的Large模型，反而訓練時間(41 s→99 s)和參數(shù)量(1.3 M→10.7 M)提高了許多，相反更少的卷積層擁有更低的參數(shù)量(152.7 K和18.3 K)和更快的訓練時間(41 s和39 s)．

綜合表 4和表 5，Micro+Larger FC是這些模型中兼具精度(0.88)、訓練速度(41 s)和低存儲(1.3 M)的模型，本文將用它繼續(xù)后面的實驗并稱其為MicroV2模型．

表5 模型消融實驗結果Tab.5 Model ablation study results

3.5 激活函數(shù)比較實驗

使用3.4節(jié)MicroV2模型，在3.1節(jié)Mushroom—LQ數(shù)據(jù)集上做測試．實驗結果如表 6所示，使用ReLU激活函數(shù)的改進版本，模型訓練誤差和驗證誤差變低，而精度和訓練時間并無明顯變化．

表6 MicroV2模型的激活函數(shù)比較Tab.6 Activation functions comparison in MicroV2 model

3.6 數(shù)據(jù)集比較實驗

使用3.4節(jié)MicroV2模型，在3.1節(jié)4種數(shù)據(jù)集上做測試．全連接層前加入了AvgPool，因此無需考慮特征網(wǎng)絡和全連接層向量對齊問題，即此時的MicroV2模型適合3.1節(jié)所述的各種尺寸的數(shù)據(jù)集．實驗結果如表 7所示，HQ數(shù)據(jù)集上訓練時間長而精度略低，因為MicroV2模型卷積層較簡單，無法提取高分辨圖像中的復雜特征(尤其是紋理信息)，MQ和LQ精度差距不大(0.01)，但是時間相差32 s．half—LQ比LQ精度降低了0.10，說明數(shù)據(jù)增強的重要性．

表7 MicroV2模型在各數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)Tab.7 MicroV2 model performance in various datasets

3.7 積分梯度歸因

使用梯度歸因技術輸出MicroV2模型在分類各種蘑菇時的可視化歸因圖，歸因結果見圖 4，一幅原圖對應一幅歸因圖像．歸因圖中某區(qū)域的綠色越亮，表示該區(qū)域在分類中起到的作用越明顯．從歸因結果可以看出，在本文數(shù)據(jù)集上訓練的卷積模型能夠正常學習到蘑菇的特征，同時在分類時，優(yōu)先考慮傘蓋特征，只有在傘蓋特征相比傘柄不明顯(杏鮑菇、金針菇的傘蓋很小，黃牛肝菌傘柄顏色鮮艷)時，才會考慮使用傘柄作為主要特征分類．

圖4 模型分類結果和歸因圖Fig.4 Model classification results and attribution images

3.8 MicroV2在各計算平臺的測試

將3.4節(jié)實驗中的MicroV2模型和Mushroom—LQ數(shù)據(jù)集遷移到PC平臺和嵌入式平臺，測試其性能以及訓練時間．由表 8可知，本文設計的MicroV2模型不僅能在配備有NVIDIA GTX2080TI的服務器上快速訓練，也能在MacBook等設備上得到可接受的訓練時間(143 s)和精度(88%)，甚至在嵌入式設備(RK3399)上也能以3 029 s的時間完成訓練．綜上所述，MicroV2模型實現(xiàn)了低成本和靈活的模型訓練．

表8 MicroV2在各平臺的精度和效率測試Tab.8 Accuracy and efficiency testing of MicroV2 on various platforms

4 總結

本文基于蘑菇數(shù)據(jù)集提出一種兼顧效率和性能的MushroomNet-MicroV2模型，相比傳統(tǒng)大型模型，該模型能夠在可接受的精度誤差下實現(xiàn)快速訓練(Apple M1：142 s)，并極大程度減少參數(shù)量(1.3 M)．在Mushroom—LQ數(shù)據(jù)集上達到了88%左右的準確度．同時通過消融實驗，比較了網(wǎng)絡模塊和數(shù)據(jù)集對模型精度帶來的影響，說明在小數(shù)據(jù)的場景下，提高性能的最佳方式是增加全連接層的連接節(jié)點數(shù)以及使用數(shù)據(jù)增強方式擴充數(shù)據(jù)集．從效率和成本考慮，在實際應用場景中，應根據(jù)數(shù)據(jù)特征和復雜度選擇合適大小的模型．

未來的工作將從分類精度的角度出發(fā)，可在原有的基礎之上擴大數(shù)據(jù)集，在數(shù)據(jù)集中加入一些蘑菇局部特征的圖片，引導模型學習．還可以依據(jù)模型在每一種類蘑菇的數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)，來調(diào)整數(shù)據(jù)集的選取，對于數(shù)據(jù)集的預處理可以更加多樣化，讓分類精度進一步提高．從模型效率的角度出發(fā)，引入一些其他模型加速策略(例如遷移學習)，或是從內(nèi)部模塊上簡化模型計算(例如深度可分離卷積)．