基于神經(jīng)網(wǎng)絡的中藥飲片識別系統(tǒng)的設計

漆 顥，王 艷，肖 蒙，殷學毅，熊 洋

（1.湖北中醫(yī)藥大學，湖北 武漢 430065；2.湖北時珍實驗室，湖北 武漢 430065）

0 引 言

目前，中藥飲片的識別分類方法主要還停留在人工階段，需要大量的專業(yè)人才，費時費力。隨著科學技術的進步，利用計算機視覺技術進行中藥飲片的識別是未來社會的發(fā)展趨勢[1]。隨著人工智能技術的不斷發(fā)展，它給各行各業(yè)的發(fā)展帶來了日新月異的變化[2]。通過神經(jīng)網(wǎng)絡提取中藥飲片的特征參數(shù)，建立識別分類模型進行分析，使得中藥飲片識別也變得不再那么困難。陶歐等人[3]完成了基于灰度共生矩陣的中藥飲片橫切面圖像紋理特征參數(shù)的提取。肖小河等人[4]使用人工智能技術對同一種中藥飲片進行圖像定量分析，發(fā)現(xiàn)了不同環(huán)境不同時間導致的不同微形態(tài)。孫鑫等人[5]運用人工神經(jīng)網(wǎng)絡建立了模型，并對50 種中藥飲片圖像成功地進行了識別。

本項目研究涉及到的領域是圖像處理和圖像識別，借助計算機或移動設備，利用人工智能領域中的深度學習等技術對中藥飲片進行識別[6-8]。對中藥飲片的識別分類研究，其實就是對圖像的分類識別研究。基于神經(jīng)網(wǎng)絡技術對中藥飲片進行特征處理，建立中藥飲片的智能識別系統(tǒng)，對圖像進行預處理、邊緣檢測、圖像分割，實現(xiàn)了對圖像特征的強化提取，并建立中藥飲片特征數(shù)據(jù)庫[9-11]；利用該系統(tǒng)對未知圖片特征值的分析，完成對中藥飲片異常與否的檢測，以及對中藥飲片類型的智能識別，將識別結果展示在使用者面前，并給出該中藥飲片相關名稱及藥用價值的介紹。本文的目的是提出一個中藥飲片識別方法和體系，構建基于神經(jīng)網(wǎng)絡的中藥飲片智能識別平臺。

1 整體需求

本系統(tǒng)旨在設計出一個方便非專業(yè)人士擴展中醫(yī)藥方面知識的軟件系統(tǒng)，用戶可以利用手機攝像頭來識別當前的中藥飲片，手機客戶端將立即返回識別結果，并彈出該中藥飲片的介紹頁面。使用者能夠快速方便地得到結果。

本系統(tǒng)需滿足的具體需求為：運用本系統(tǒng)可以實現(xiàn)對中藥飲片的識別；軟件操作簡單便捷，面向大多數(shù)人；圖片的采集方式要多樣化，既可以利用手機攝像頭拍照識別，也可以通過訪問手機相冊識別；識別速度快，效率要高。

2 系統(tǒng)設計

本系統(tǒng)采用的是機器學習中的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡技術，它是圖像處理和計算機視覺領域應用較為廣泛的一種網(wǎng)絡，其結構如圖1 所示，主要包含5 層：輸入層、卷積層、池化層、全連接層和輸出層。圖1 是對中藥飲片山楂的識別，卷積的作用就是計算山楂局部的相似性，而池化就是將山楂飲片這種局部相似性選擇出來。

圖1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡結構

圖2 是整個中藥飲片識別系統(tǒng)流程，首先建立中藥飲片的數(shù)據(jù)集，可以通過拍攝、旋轉和翻轉等方法進行圖片的數(shù)量擴充，再將數(shù)據(jù)統(tǒng)一格式和大小，并打上標簽，這樣完整的數(shù)據(jù)集就建好了；然后用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡進行模型的建立；最后將建好的模型加載到客戶端進行識別操作，即可完成不同中藥飲片的分類。

圖2 中藥飲片圖像識別流程

3 關鍵技術路線

系統(tǒng)技術路線如圖3 所示。結合不同方法提取不同中藥飲片的圖像特征，結合相關特征進行分類，增加不同的神經(jīng)網(wǎng)絡技術，提高識別率，可以有效地識別出不同產(chǎn)地、不同時間的中藥飲片的區(qū)別。將原始的中藥飲片圖像數(shù)據(jù)在后臺服務器進行處理，并進一步將這些特征歸類成全局特征和局部特征，對中藥飲片圖像進行預處理、特征提取、字典生成、編碼、池化以及分類，形成中藥飲片圖像的特征數(shù)據(jù)，并對中草藥葉片樣本圖像庫進行學習訓練。設計并實現(xiàn)中藥飲片圖像識別系統(tǒng)，用戶在PC 端或者移動智能手機微信小程序端提交中藥飲片圖像，后臺服務器對用戶提交的中藥飲片圖像進行特征分析與提取，服務器將用戶提交的中藥飲片圖像特征數(shù)據(jù)和原有的處理過的中藥飲片樣本庫特征數(shù)據(jù)進行相似度比較，找到符合識別結果的中藥飲片信息并返回用戶界面進行顯示。

圖3 技術路線

4 結 語

本研究項目涉及的領域是圖像處理和圖像識別，借助計算機或移動設備，利用人工智能領域中的深度學習等技術對中藥飲片進行識別，其實就是對圖像的分類識別研究?；谏窠?jīng)網(wǎng)絡技術對中藥飲片進行特征處理，建立中藥飲片的智能識別系統(tǒng)，對圖像進行預處理、邊緣檢測、圖像分割，進而實現(xiàn)了對圖像特征的強化提取，并建立中藥飲片特征數(shù)據(jù)庫；利用該系統(tǒng)對未知圖片特征值的分析，完成對中藥飲片異常與否的檢測，以及對中藥飲片類型的智能識別，并將識別結果展示在使用者面前，同時給出該中藥飲片相關名稱及藥用價值的介紹。

本文旨在提出一個中藥飲片識別方法和體系，構建基于神經(jīng)網(wǎng)絡的中藥飲片智能識別平臺。該系統(tǒng)不僅克服了人的知識的局限性，而且提高了中醫(yī)藥工作者的工作效率和準確性，使結果更加客觀化，同時也為中醫(yī)藥信息化的發(fā)展提供了有效的支持。識別常見中藥飲片的種類有利于中醫(yī)中藥知識的宣傳與推廣。另外，在我們?nèi)粘Ｉ钪?，通過對未知中藥飲片圖像的識別，讀取到對應中藥材的信息可以幫助非專業(yè)人士更為方便和全面地了解周圍的中藥飲片的種類和特性，有利于推廣中醫(yī)藥知識和中醫(yī)藥文化，極大地豐富人們的生活。