基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的茶葉病蟲害檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曠丞吉 譚文斌 黃海霞

摘要：為解決茶農(nóng)在識(shí)別茶葉病蟲害時(shí)存在的主觀性強(qiáng)、誤判率高等問題，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的茶葉病蟲害識(shí)別模型經(jīng)過訓(xùn)練、調(diào)優(yōu)后獲得了最終的檢測模型，該檢測模型通過Java Web技術(shù)構(gòu)建成B/S模式的病蟲害在線檢測系統(tǒng)。用戶通過在瀏覽器中提交待識(shí)別的茶葉圖像至服務(wù)器，服務(wù)器將接收到的病蟲害圖片送入檢測模型進(jìn)行病蟲害識(shí)別，將識(shí)別結(jié)果返回至用戶端。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的茶葉病蟲害檢測系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了茶葉圖像中18種病蟲害的檢測，能較好地幫助茶農(nóng)快速識(shí)別茶葉病蟲害，對茶葉病蟲害防治具有重要意義。

關(guān)鍵詞：卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；目標(biāo)檢測；茶葉病蟲害；檢測系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：TP391.41

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

近年來，隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的興起，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型不斷涌現(xiàn)，國內(nèi)外諸多學(xué)者都將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于圖像處理研究，尤其是在圖像分類和目標(biāo)檢測研究方面，網(wǎng)絡(luò)模型AlexNet^［1］、GoogleNet^［2］、ResNet^［3］、ASNet^［4］、VGG-16^［5］等在圖像分類和目標(biāo)檢測準(zhǔn)確率上都得到了進(jìn)一步提升。文獻(xiàn)^［6-7］將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)作物病蟲害的檢測上，使病蟲害檢測的準(zhǔn)確率有了進(jìn)一步提升。經(jīng)梳理已有病蟲害研究文獻(xiàn)^［6-10］，針對茶葉病蟲害識(shí)別的研究尚不多，沒有可供訓(xùn)練、測試的公共數(shù)據(jù)集，可查到的文獻(xiàn)較少。對此，本文設(shè)計(jì)了一種基于Faster R-CNN的茶葉病蟲害識(shí)別系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)茶葉病蟲害的在線識(shí)別。

1 茶葉病蟲害檢測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)模式，用戶將需要檢測的茶葉圖像提交給服務(wù)器。服務(wù)器負(fù)責(zé)對接收到的圖片進(jìn)行病蟲害檢測，將檢測結(jié)果返回至用戶端。該運(yùn)行模式具有訪問便捷、易維護(hù)、響應(yīng)速度快等特征，便于服務(wù)器端檢測模型的迭代和升級。系統(tǒng)整體運(yùn)行機(jī)制如圖1所示。

本檢測系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境為Ubuntu20.4操作系統(tǒng)，系統(tǒng)掛載服務(wù)器為Tomcat9.0，開發(fā)環(huán)境相關(guān)版本信息如表1所示。

1.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備

本實(shí)驗(yàn)所用茶葉病蟲害數(shù)據(jù)類型主要包括炭疽病、茶小卷葉蛾、葉枯病、白星病、刺粉虱等18種主要病蟲害類型。為了提高模型識(shí)別的準(zhǔn)確率，本團(tuán)隊(duì)對

采集的部分圖片進(jìn)行了空間變換、像素變化，以增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集，增強(qiáng)后的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集樣本數(shù)達(dá)4 020張，每張圖片至少包含一種病蟲害類型，如圖2所示。

1.3 檢測模型構(gòu)建

本檢測模型基于Faster R-CNN^［6］深度學(xué)習(xí)模型進(jìn)行搭建，其結(jié)構(gòu)由特征提取網(wǎng)絡(luò)Conv Layers（CNN）、區(qū)域生成網(wǎng)絡(luò)Region Proposal Networks（RPN）、Roi Pooling映射、Softmax分類與回歸等組成，該模型引入了區(qū)域生成網(wǎng)絡(luò)RPN優(yōu)化了模型，其模型結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 基礎(chǔ)模型訓(xùn)練

在模型訓(xùn)練前，本團(tuán)隊(duì)將數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集（75%）、測試集（15%）、驗(yàn)證集（10%），通過基于Faster R-CNN為主體的模型對數(shù)據(jù)集進(jìn)行病蟲害圖片的特征提取，獲得如圖4所示的區(qū)域候選框產(chǎn)的rnp_loss_cls（損失值）、rnp_loss_box（回歸損失值）和loss（損失函數(shù)）變化關(guān)系。

為了更好地驗(yàn)證模型性能和優(yōu)化模型，本實(shí)驗(yàn)將模型訓(xùn)練迭代次數(shù)分別設(shè)置為5 000次、10 000次、50 000次、100 000次，獲得如表2所示的mAP值變化關(guān)系。

由表2可知，當(dāng)訓(xùn)練次數(shù)較少時(shí)，基于VGG16的模型獲得的mAP值較低，隨著訓(xùn)練次數(shù)增加，模型的mAP值也隨之增加，但當(dāng)模型訓(xùn)練次數(shù)達(dá)100 000次后，模型的mAP值增幅趨于平緩（mAP<60%）。

2.2 模型分析及優(yōu)化

經(jīng)本團(tuán)隊(duì)多次實(shí)驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)訓(xùn)練次數(shù)超過100 000次后，模型的mAP值并沒有大幅提升。對此，本團(tuán)隊(duì)從以下兩個(gè)方面對模型進(jìn)行優(yōu)化。

（1）增加訓(xùn)練的實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)量。由于本系統(tǒng)模型目前的訓(xùn)練樣本只有4 020張，涵蓋了18種病蟲害類型，但存在各病蟲害樣本分布不均、部分樣本量較少等問題，從而導(dǎo)致模型泛化能力偏低，影響mAP值。

（2）優(yōu)化主干網(wǎng)絡(luò)模型，采用ResNet-101殘差網(wǎng)絡(luò)模型^［11］替代原Faster R-CNN中的VGG-16模型。通過使用ResNet-101殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模型來避免隨著卷積網(wǎng)絡(luò)加深所出現(xiàn)的梯度消失問題，利用恒等映射解決隨著模型卷積層增加精度下降等問題，同時(shí)引入恒等快捷連接使模型在進(jìn)入深度層次訓(xùn)練時(shí)可以跳過一個(gè)層或多個(gè)層，其結(jié)構(gòu)如圖5所示。

由圖5可知，ResNet-101殘差結(jié)構(gòu)通過恒等映射輸入X可得到擬合輸出值F（X）與期望輸出值H（X），再通過F（X）漸進(jìn)擬合可輸出F（X）+X，則H（X）=F（X）+X實(shí)現(xiàn)跨層連接，讓輸入的X得到更多的特征，以此來提高模型檢測時(shí)精度。

2.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)經(jīng)過系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)編碼、系統(tǒng)測試等過程，實(shí)現(xiàn)功能主要有登錄注冊、系統(tǒng)數(shù)據(jù)可視化、識(shí)別中心、病蟲百科、通知管理和用戶管理，系統(tǒng)主頁如圖6所示。

用戶在導(dǎo)航欄處點(diǎn)擊識(shí)別中心進(jìn)入本系統(tǒng)核心模塊，用戶在點(diǎn)擊“上傳照片”后選取病蟲害照片上傳，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、傳輸速度等多方面彈出加載進(jìn)度條，當(dāng)后端識(shí)別結(jié)束后返回結(jié)果，系統(tǒng)根據(jù)返回結(jié)果加載對應(yīng)的病蟲害類型、識(shí)別概率以及防治方案等信息，如圖7所示。

3 結(jié)語

本系統(tǒng)基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了茶葉病蟲害的在線檢測，有效避免了茶葉病蟲害識(shí)別中的強(qiáng)主觀性和高誤判率。在接下來的研究中，本團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步優(yōu)化檢測模型，提高檢測準(zhǔn)確率，同時(shí)開發(fā)檢測模型的移動(dòng)版，讓茶農(nóng)使用更加方便。

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（編輯 王永超）

Design of tea pests detection system based on convolution neural network

Kuang Chengji， Tan Wenbin^*， Huang Haixia

（College of Data Science， Tongren University， Tongren 554300， China）

Abstract： In order to solve the problems of strong subjectivity and high misjudgment rate of tea farmers in identifying tea pests and diseases， the tea pests and diseases identification model based on convolution neural network was trained and optimized to obtain the final detection model. The detection model was built into a B/S mode online detection system of pests and diseases through Java Web technology. The user submits the tea image to be recognized in the browser to the server， and the server sends the received image of pests and diseases to the detection model for pests and diseases identification， and returns the identification results to the user. The experimental results show that the detection system of tea pests and diseases based on convolution neural network has realized the detection of 18 kinds of pests and diseases in tea images， and can help tea farmers quickly identify tea pests and diseases， which is of great significance for the prevention and control of tea pests and diseases.

Key words： convolution neural network; object detection; tea pests and diseases; detection system