王 見(jiàn)，田光寶，周 勤

(1.重慶大學(xué) 機(jī)械傳動(dòng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400044； 2.重慶大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，重慶 400044)

我國(guó)是世界第二產(chǎn)棉大國(guó)，棉花在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占有重要地位。棉花產(chǎn)業(yè)是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，我國(guó)的機(jī)械化采棉正處于起步階段，隨著勞動(dòng)力成本的提高，機(jī)械化采棉成為必然趨勢(shì)[1-2]。但機(jī)械化采棉在降低勞動(dòng)強(qiáng)度和種植成本的同時(shí)，也降低了棉花的品質(zhì)[3]。機(jī)械化采棉不但需要對(duì)棉株進(jìn)行化學(xué)脫葉催熟，而且含雜率高達(dá)10%～30%，所需清理工序較多，導(dǎo)致機(jī)采棉纖維與手摘棉相比，強(qiáng)度降低，長(zhǎng)度縮短[4-6]。智能采棉是降低勞動(dòng)強(qiáng)度和種植成本，提高機(jī)采棉的品質(zhì)的重要途徑。智能采棉機(jī)是根據(jù)棉花的自然成熟多批次精準(zhǔn)采摘，傳統(tǒng)機(jī)械化采棉是脫葉催熟后一次收獲，但效率低是阻礙智能采棉機(jī)推廣的重要因素之一。智能采棉機(jī)精準(zhǔn)快速采摘關(guān)鍵在于單個(gè)、重疊和部分遮擋棉花的精準(zhǔn)識(shí)別。傳統(tǒng)的基于特征分割在棉花的識(shí)別上取得了較好效果[7-9]，但無(wú)法區(qū)分單個(gè)、重疊和部分遮擋棉花，導(dǎo)致重疊在一起的多個(gè)棉花誤識(shí)別為一個(gè)只返回一個(gè)采摘點(diǎn)，部分遮擋棉花識(shí)別不出來(lái)，偏白非棉花物質(zhì)誤識(shí)別為棉花；誤識(shí)別和漏識(shí)別導(dǎo)致智能采棉機(jī)采摘效率進(jìn)一步降低。

近年流行的深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于端到端的策略，可以自動(dòng)實(shí)現(xiàn)圖像特征的學(xué)習(xí)與分類(lèi)[10]。在ImageNet圖像分類(lèi)競(jìng)賽中，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的深度學(xué)習(xí)算法已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越了傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)算法。2012年以后，以AlexNet[11]、GoogleNet[12]、ResNet[13]等模型的出現(xiàn)和發(fā)展，深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像分類(lèi)上開(kāi)始井噴式發(fā)展。AlexNet相比之前的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，使用了計(jì)算簡(jiǎn)單且不易發(fā)生梯度發(fā)散的非線(xiàn)性激活函數(shù)(rectified linear units，ReLU)；提出了局部響應(yīng)歸一化(local response normalization，LRN)，激勵(lì)反饋較大的神經(jīng)元，抑制反饋較小的神經(jīng)元，增強(qiáng)了模型的泛化能力；使用Dropout技術(shù)降低神經(jīng)元復(fù)雜的互適應(yīng)關(guān)系，神經(jīng)元不依賴(lài)其他特定的神經(jīng)元而存在，增強(qiáng)模型的泛化性。GoogleNet繼承了AlexNet的優(yōu)點(diǎn)，提出了一種Inception結(jié)構(gòu)，從上一層分出4塊，每塊使用不同大小的卷積核卷積后匯合在下一層，通過(guò)不同大小卷積核感受視野進(jìn)行不同尺度特征的融合，提高模型的特征提取能力。ResNet繼承了AlexNet的優(yōu)點(diǎn)，引入了一種殘差單元，將前面一層的輸出直接連到后面的第2層，解決了網(wǎng)絡(luò)太深，誤差傳到前面時(shí)梯度逐漸消失的問(wèn)題。

深度卷積網(wǎng)絡(luò)已廣泛運(yùn)用于植物領(lǐng)域[14]，解決植物分類(lèi)識(shí)別的難點(diǎn)[15-17]。遷移學(xué)習(xí)解決了小樣本訓(xùn)練深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的問(wèn)題[18-19]。張建華等[20]基于VGG卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，更改分類(lèi)器，優(yōu)化全連接層，實(shí)現(xiàn)棉花病害的識(shí)別。鄭一力等[21]在小樣本的植物葉片數(shù)據(jù)庫(kù)情況下，使用遷移學(xué)習(xí)的方法有效地提高了植物葉片識(shí)別準(zhǔn)確率。遷移學(xué)習(xí)可提高識(shí)別準(zhǔn)確率，同時(shí)避免大量數(shù)據(jù)標(biāo)記工作和訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)[22-30]。單個(gè)棉花、重疊棉花、部分遮擋棉花和棉田中的偏白非棉花物質(zhì)這4類(lèi)圖像在灰度分布和形狀上比較相似，如果通過(guò)傳統(tǒng)的特征提取方法提取一些普通特征，如統(tǒng)計(jì)矩、傅里葉描繪子、紋理特征等，再將特征用支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)等分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)效果并不理想，因?yàn)槿藶樵O(shè)定的特征只適用于部分特定場(chǎng)景，在復(fù)雜棉田環(huán)境中效果不穩(wěn)定。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)自主學(xué)習(xí)提取深層次的特征，并克服復(fù)雜環(huán)境的影響，在圖像識(shí)別中準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性較高，因此選擇訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行不同形態(tài)棉花的識(shí)別，探討AlexNet、GoogleNet、ResNet-50遷移模型對(duì)不同形態(tài)棉花的識(shí)別準(zhǔn)確率，研究遷移模型特征提取與分類(lèi)器相結(jié)合的方法進(jìn)一步提高識(shí)別準(zhǔn)確率。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種前反饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，它的神經(jīng)元可響應(yīng)一部分覆蓋范圍內(nèi)的周?chē)鷨卧?。在圖像處理方面，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不是對(duì)單個(gè)像素的處理，而是對(duì)每一塊像素區(qū)域進(jìn)行處理，增強(qiáng)模型的泛化性。依次在ILSVRC(Large Scale Visual Recognition Challenge)大賽中得冠的AlexNet、GoogLeNet、ResNet-50模型的基本架構(gòu)相同，其架構(gòu)如圖1所示。

圖1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)Fig.1 Convolutional neural network structure

其中卷積層具有提取圖像局部特征的功能。組成卷積核的每個(gè)元素都對(duì)應(yīng)一個(gè)權(quán)重系數(shù)和一個(gè)偏差量。上一層特征經(jīng)過(guò)卷積操作后，再通過(guò)激活函數(shù)便可得到新一層的特征。每層卷積與激活過(guò)程如公式(1)所示：

(1)

式中：f代表激活函數(shù)；D代表輸入圖像維度；F代表卷積核的大?。粀d,m,n代表卷積核第d層第m行第n列的權(quán)重；yd,i,j代表輸出特征圖第d層第i行第j列數(shù)值；Wb代表偏置項(xiàng)。

這3個(gè)模型都是使用ReLU作為激活函數(shù)，其作用是確保網(wǎng)絡(luò)的非線(xiàn)性。ReLU函數(shù)還具有計(jì)算收斂快、不容易產(chǎn)生梯度消失、計(jì)算簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。ReLU函數(shù)為分段線(xiàn)性函數(shù)，如公式(2)所示。

(2)

卷積層與池化層不一定是一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系，可以在多次卷積操作后疊加一個(gè)池化層。池化操作使模型更具泛化能力，模型關(guān)注特征本身而不是特征的具體位置。池化操作后，主要特征保留，次要特征包括干擾特征被去除，實(shí)現(xiàn)特征降維以減少計(jì)算量和參數(shù)個(gè)數(shù)，同時(shí)有利于防止過(guò)擬合。

卷積層、池化層和激活函數(shù)層等操作將原始數(shù)據(jù)映射到隱層特征空間，全連接層則將隱層特征空間映射到樣本標(biāo)記空間。全連接層的每一個(gè)結(jié)點(diǎn)都與上一層的所有結(jié)點(diǎn)相連，用于把前一層提取到的特征綜合起來(lái)，將特征輸入分類(lèi)器中進(jìn)行分類(lèi)。

損失函數(shù)用來(lái)評(píng)價(jià)模型的預(yù)測(cè)值和真實(shí)值的偏離程度。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練目標(biāo)是通過(guò)梯度下降優(yōu)化使得損失函數(shù)達(dá)到最小。損失函數(shù)為交叉熵函數(shù)，其收斂較快，函數(shù)定義為：

(3)

1.2 遷移學(xué)習(xí)

遷移學(xué)習(xí)就是把已有訓(xùn)練好的模型更改相關(guān)層后，用于新任務(wù)的訓(xùn)練。建立并訓(xùn)練一個(gè)新的模型需要大量的訓(xùn)練數(shù)據(jù)和花費(fèi)大量的時(shí)間，訓(xùn)練好的模型對(duì)類(lèi)似的數(shù)據(jù)具有抽象的特征提取能力。使用遷移學(xué)習(xí)方法，可以避免大量數(shù)據(jù)標(biāo)記工作和訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)。

ILSVRC是計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域最具有代表性的學(xué)術(shù)競(jìng)賽之一，競(jìng)賽使用的官方數(shù)據(jù)集有1 400萬(wàn)幅圖像，其中包含1 000個(gè)類(lèi)別標(biāo)簽。依次得冠的AlexNet、GoogleNet、ResNet-50模型已具有較強(qiáng)的特征提取功能，通過(guò)修改模型的分類(lèi)層，使用棉花數(shù)據(jù)集對(duì)模型的參數(shù)進(jìn)行微調(diào)優(yōu)化，解決棉花的分類(lèi)識(shí)別問(wèn)題。

1.3 ELM分類(lèi)算法

ELM是由Huang等[31]提出來(lái)的求解單隱層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法，由輸入層、隱含層、輸出層組成，層與層之間全連接，如圖2所示。輸入層通過(guò)映射矩陣w(l×n矩陣，輸入層n個(gè)神經(jīng)元，隱含層l個(gè)神經(jīng)元，wij為輸入層第i個(gè)神經(jīng)元與隱含層第j個(gè)神經(jīng)元的連接權(quán)值)與隱含層連接；隱含層通過(guò)映射矩陣β(l×m矩陣，輸出層對(duì)應(yīng)m個(gè)神經(jīng)元，βjk為隱含層第j個(gè)神經(jīng)元與輸出層第k個(gè)神經(jīng)元與的連接權(quán)值)與輸出層連接。ELM只需要設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的隱層節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)，在算法執(zhí)行過(guò)程中隨機(jī)賦值網(wǎng)絡(luò)的連接權(quán)值以及隱元的偏置，并且產(chǎn)生唯一的最優(yōu)解，具有學(xué)習(xí)速度快且泛化性能好的優(yōu)點(diǎn)。隱含層與輸出層的映射矩陣可以通過(guò)求解如下方程式可得：

圖2 ELM算法拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)Fig.2 Topological structure of ELM algorithm

(4)

式中，H表示隱含層點(diǎn)輸出，T′為期望輸出。其解為

(5)

式中H+為隱含層輸出矩陣H的Moore-Penrose廣義逆。

2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集由單個(gè)棉花圖片(single cotton)、重疊棉花圖片(overlapped cottons)、遮擋圖片(blocked cottons)和偏白非棉花圖片(misrecognition cotton)組成，共1 240張。如圖3所示。隨機(jī)將數(shù)據(jù)集的70%用于訓(xùn)練模型，30%用于驗(yàn)證。數(shù)據(jù)集中的圖片尺寸大小不一致，需要將圖片通過(guò)插值預(yù)處理為各模型輸入的標(biāo)準(zhǔn)要求，并使用旋轉(zhuǎn)、平移、仿射變換等操作來(lái)防止模型訓(xùn)練過(guò)程出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象。

圖3 棉花數(shù)據(jù)集示例Fig.3 Example of cotton dataset

實(shí)驗(yàn)中使用的電腦為戴爾G33579、8 G內(nèi)存、NVIDIA GeForce GTX 1050型顯卡、win10操作系統(tǒng)，算法的實(shí)現(xiàn)使用matlab2019。

2.2 基于棉花數(shù)據(jù)集搭建的CNN模型

為了說(shuō)明遷移模型適合小樣本棉花識(shí)別，搭建基于棉花數(shù)據(jù)集的CNN模型，其由卷積層、歸一化層、Relu激活層、MaxPooling層、Dropout層、全連接層和輸出層組成。由于單個(gè)、重疊和遮擋棉花在形狀和色差上極其相似，大的卷積核和大的步長(zhǎng)不利于提取區(qū)分特征，實(shí)驗(yàn)中設(shè)置的卷積核為3，步長(zhǎng)為1。由于數(shù)據(jù)集小，Dropout層的概率不宜過(guò)小；概率太大又會(huì)導(dǎo)致重要特征丟失，實(shí)驗(yàn)設(shè)置為0.5。MaxPooling層的池化區(qū)大小為2，步長(zhǎng)也為2。通過(guò)實(shí)驗(yàn)得出卷積層為7時(shí)取得最好效果。每次卷積操作后做歸一化處理并通過(guò)Relu激活函數(shù)做非線(xiàn)性處理后進(jìn)行最大值池化，最后一層的MaxPooling層連接一個(gè)Dropout層后與全連接層相連，最終通過(guò)Softmax函數(shù)得到識(shí)別的結(jié)果，如圖4所示。

圖4 用于棉花數(shù)據(jù)集識(shí)別的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 The structure of convolutional neural network for cotton data set classification

根據(jù)電腦的內(nèi)存和CNN模型的大小，設(shè)置最大運(yùn)行的epoch數(shù)為200，每個(gè)Mini-Batch大小為60。學(xué)習(xí)率太大，模型不容易收斂；學(xué)習(xí)率太小，模型收斂速度小，初始的學(xué)習(xí)率為0.01，每經(jīng)過(guò)70個(gè)epoch時(shí)學(xué)習(xí)速率下降一半。前期較大的學(xué)習(xí)率加快學(xué)習(xí)速度，后期較小的學(xué)習(xí)率加快參數(shù)的收斂。

2.3 基于遷移學(xué)習(xí)的棉花識(shí)別

依次將基于ImageNet數(shù)據(jù)集訓(xùn)練好AlexNet、GoogleNet、ResNet-50模型調(diào)整模型結(jié)構(gòu)，將全連接層由分類(lèi)數(shù)為ImageNet數(shù)據(jù)集的1 000類(lèi)修改為本文棉花數(shù)據(jù)集的4類(lèi)。將學(xué)習(xí)率WeightLearnRateFactor設(shè)置為10，BiasLearn-RateFactor設(shè)置為10，加快修改后的分類(lèi)層參數(shù)的學(xué)習(xí)速度。3個(gè)模型已具有提取有效特征的能力，遷移模型訓(xùn)練前期學(xué)習(xí)速率相對(duì)較大，全連接層和分類(lèi)層的參數(shù)快速收斂，其后的學(xué)習(xí)速率快速下降，微調(diào)模型的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)最佳的分類(lèi)效果。3個(gè)遷移模型訓(xùn)練時(shí)初始學(xué)習(xí)速率設(shè)置為0.001，學(xué)習(xí)速率每經(jīng)過(guò)25個(gè)epoch下降為原速率的30%，學(xué)習(xí)速率太大，模型結(jié)果產(chǎn)生波動(dòng)無(wú)法收斂，學(xué)習(xí)率太小模型收斂太慢。

GoogleNet中前10個(gè)層和ResNet-50中前4個(gè)層構(gòu)成了模型的初始“主干”部分，由于棉花數(shù)據(jù)集小，模型參數(shù)較多，為了防止模型較淺的層過(guò)擬合數(shù)據(jù)集，將GoogleNet中前10個(gè)層和ResNet-50中前4個(gè)層的學(xué)習(xí)率設(shè)置為0以“凍結(jié)”這些層的權(quán)重。由于這些層的參數(shù)在訓(xùn)練時(shí)保持不變，可以顯著縮短訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)。較低的初始學(xué)習(xí)速率保證高層的參數(shù)在訓(xùn)練過(guò)程中基本不變，加快收斂速度。

由于GoogleNet和ResNet-50模型較大，所以每個(gè)MiniBatch大小設(shè)置為40。遷移模型只需修改分類(lèi)層參數(shù)和微調(diào)其他層參數(shù)，故最大運(yùn)行的epoch數(shù)設(shè)置為70。將棉花訓(xùn)練數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練新的模型結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練過(guò)程的損失函數(shù)采用SGDM來(lái)優(yōu)化，更新模型中的參數(shù)權(quán)重，得到3個(gè)適用于棉花數(shù)據(jù)集圖像識(shí)別的遷移學(xué)習(xí)模型。

2.4 遷移模型特征提取與ELM相結(jié)合棉花識(shí)別

基于遷移學(xué)習(xí)主要是利用已訓(xùn)練好的模型較強(qiáng)的特征提取能力進(jìn)行特征提取并識(shí)別。為了進(jìn)一步提高棉花識(shí)別準(zhǔn)確率，將遷移學(xué)習(xí)模型作為特征提取模型，再選用優(yōu)越的分類(lèi)器進(jìn)行分類(lèi)。將遷移學(xué)習(xí)模型特征提取與分類(lèi)器相結(jié)合的分類(lèi)算法具體流程如圖5所示。

圖5 遷移學(xué)習(xí)模型特征提取與分類(lèi)器相結(jié)合的分類(lèi)算法Fig.5 Transfer learning model feature extraction and classifier combined classification algorithm

為了比較遷移模型和利用遷移模型進(jìn)行特征提取后與分類(lèi)器相結(jié)合2種方法的準(zhǔn)確率，使用同一數(shù)據(jù)集。遷移學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練好后，進(jìn)行識(shí)別統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確率，然后用訓(xùn)練好的模型提取訓(xùn)練遷移學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練集合和驗(yàn)證集的特征，即模型中最后一層全連接層的輸出作為特征保存為樣本。AlexNet、GoogleNet和ResNet-50遷移學(xué)習(xí)模型輸出特征維度分別為4 096、1 024、2 048。因此，數(shù)據(jù)集轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)于各模型維度不同的特征數(shù)據(jù)集。

隨機(jī)將AlexNet特征數(shù)據(jù)集、GoogleNet特征數(shù)據(jù)集、ResNet-50特征數(shù)據(jù)集中樣本的訓(xùn)練集訓(xùn)練ELM模型，驗(yàn)證集測(cè)試ELM模型。統(tǒng)計(jì)隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)從1 000到5 000變化時(shí)ELM的分類(lèi)準(zhǔn)確率。

3 結(jié)果與分析

每個(gè)模型重復(fù)3次，隨機(jī)選其中一次進(jìn)行分析，訓(xùn)練過(guò)程和結(jié)果如圖6所示。圖6-A是搭建的CNN模型的結(jié)果，模型經(jīng)過(guò)1 400次迭代后，訓(xùn)練集的準(zhǔn)確率在100%的下限微小波動(dòng)，訓(xùn)練集的損失函數(shù)值接近于0；但是驗(yàn)證集準(zhǔn)確率在89%上下波動(dòng)，驗(yàn)證集的損失函數(shù)值在0.5上下波動(dòng)；模型出現(xiàn)了過(guò)擬合現(xiàn)象，即模型的泛化能力不強(qiáng)，模型只是保存了訓(xùn)練集的特征，當(dāng)驗(yàn)證集中出現(xiàn)和訓(xùn)練集有差異的圖像就容易得到錯(cuò)誤的分類(lèi)識(shí)別結(jié)果，不具備強(qiáng)的提取特征能力。圖6-B是基于AlexNet的遷移學(xué)習(xí)結(jié)果，可以看出模型在迭代600次過(guò)后便平穩(wěn)了，驗(yàn)證集分類(lèi)識(shí)別準(zhǔn)確率維持在92%左右。圖6-C是基于GoogleNet的遷移學(xué)習(xí)結(jié)果，經(jīng)過(guò)700次后驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率保持在90%以上波動(dòng)。70次epoch迭代完后驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率為92.47%。由于GoogleNet模型的層數(shù)比AlexNet多，其結(jié)果的波動(dòng)也比AlexNet大。圖6-D是ResNet-50的遷移學(xué)習(xí)結(jié)果，由于ResNet-50模型的層數(shù)最多，驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率波動(dòng)也最大，最終驗(yàn)證集準(zhǔn)確率高達(dá)94.62%，比基于AlexNet和GoogleNet的遷移學(xué)習(xí)的準(zhǔn)確率大幅度提高。

A，CNN的訓(xùn)練過(guò)程；B，基于AlexNet的遷移學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程；C，基于GoogleNet的遷移學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程；D，基于ResNet-50的遷移學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程。A， Training process of CNN; B， Training process of transfer learning based on AlexNet; C， Training process of transfer learning based on GoogleNet; D， Training process of transfer learning based on ResNet-50.圖6 遷移學(xué)習(xí)訓(xùn)練過(guò)程Fig.6 The transfer learning process

遷移學(xué)習(xí)模型訓(xùn)練集損失函數(shù)值在0的上限值處波動(dòng)，驗(yàn)證集損失函數(shù)值在0.4以下波動(dòng)。遷移學(xué)習(xí)不是簡(jiǎn)單繼承原模型的特征提取能力，而是在更改分類(lèi)層和修改相關(guān)參數(shù)后，再通過(guò)棉花數(shù)據(jù)集訓(xùn)練激發(fā)了對(duì)棉花特征敏感的神經(jīng)元，故有較高的準(zhǔn)確率。

圖7 隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)對(duì)ELM分類(lèi)正確率的影響Fig.7 Influence of the number of hidden layer neurons on ELM classification accuracy

用上述對(duì)應(yīng)的遷移模型提取的特征訓(xùn)練和測(cè)試ELM分類(lèi)器，統(tǒng)計(jì)隱含層的神經(jīng)元個(gè)數(shù)從1 000到5 000變化時(shí)ELM的分類(lèi)準(zhǔn)確率。隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)與驗(yàn)證集預(yù)測(cè)準(zhǔn)確率之間的關(guān)系如圖7所示。3個(gè)模型的準(zhǔn)確率都是隨著隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)增加快速增加，然后趨于平穩(wěn)的小幅度鋸齒狀波動(dòng)的過(guò)程。小幅度鋸齒狀波動(dòng)是因?yàn)镋LM模型每次重新訓(xùn)練都需要隨機(jī)初始化參數(shù)，導(dǎo)致結(jié)果出現(xiàn)小幅度波動(dòng)。從圖7中可看出，1 800左右個(gè)隱含層神經(jīng)元個(gè)數(shù)是3個(gè)模型的準(zhǔn)確率分界點(diǎn)，在分界點(diǎn)以下的準(zhǔn)確率依次為AlexNet、GoogleNet、ResNet-50，在分界點(diǎn)以上更好相反。因?yàn)槟Ｐ碗S著層數(shù)增多，其提取的特征越抽象，較多的神經(jīng)元個(gè)數(shù)才能更好地分類(lèi)這些特征。

本文還進(jìn)行遷移學(xué)習(xí)模型提取特征后用SVM分類(lèi)工作。基于CNN、遷移學(xué)習(xí)和通過(guò)各遷移學(xué)習(xí)模型提取特征后用分類(lèi)器的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，如表1所示，對(duì)比內(nèi)容為重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)后，驗(yàn)證集的分類(lèi)識(shí)別準(zhǔn)確率的平均值。

由于棉花的樣本較小，搭建的CNN模型出現(xiàn)了過(guò)擬合現(xiàn)象；遷移學(xué)習(xí)可將從通用大數(shù)據(jù)集上學(xué)習(xí)的特征提取遷移到數(shù)據(jù)集相對(duì)較小的領(lǐng)域。從表1中可以看出，使用AlexNet、GoogleNet和ResNet-50遷移學(xué)習(xí)模型比CNN模型識(shí)別的準(zhǔn)確率分別提高了2.38、3.54和4.03百分點(diǎn)。使用特征提取再與ELM結(jié)合的方法，準(zhǔn)確率比對(duì)應(yīng)遷移模型分別提高了1.97、1.34、1.55百分點(diǎn)，準(zhǔn)確率提高的原因在于棉花樣本較小，且四類(lèi)樣本在灰度分布和形狀上比較相似，使用遷移模型進(jìn)行特征提取相當(dāng)于進(jìn)行濾波，排除干擾信息，再使用ELM便可進(jìn)一步提高準(zhǔn)確率。GoogleNet在繼承了AlexNet優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上使用了一種Inception結(jié)構(gòu)，通過(guò)不同大小卷積核感受視野進(jìn)行不同尺度特征的融合，其提取的特征信燥比更高，其遷移模型比AlexNet提高了1.16百分點(diǎn)，而其特征提取與ELM結(jié)合的方法準(zhǔn)確率提高在對(duì)應(yīng)3個(gè)模型中最低。ResNet在繼承AlexNet優(yōu)點(diǎn)基礎(chǔ)上引入了一種殘差單元，其網(wǎng)絡(luò)更深，可提取更深層次的有效特征，故其準(zhǔn)確率在對(duì)應(yīng)3個(gè)遷移模型中最高，其特征提取與ELM結(jié)合在對(duì)應(yīng)的3個(gè)模型中也是最高的。然而用遷移學(xué)習(xí)提取特征，再使用SVM進(jìn)行分類(lèi)卻略降低了分類(lèi)識(shí)別準(zhǔn)確率，因?yàn)镾VM是根據(jù)提取特征的空間分布進(jìn)行分類(lèi)，忽略特征中個(gè)別分量的權(quán)重。

表1 各算法的分類(lèi)結(jié)果對(duì)比

4 結(jié)論

為了實(shí)現(xiàn)4類(lèi)棉花圖像快速準(zhǔn)確分類(lèi)識(shí)別，本文引入遷移學(xué)習(xí)方法。為了驗(yàn)證遷移學(xué)習(xí)方法的優(yōu)異性，與搭建的CNN模型進(jìn)行了對(duì)照試驗(yàn)。在訓(xùn)練中，CNN模型出現(xiàn)了過(guò)擬合，模型的泛化能力不強(qiáng)。遷移學(xué)習(xí)的模型具有較強(qiáng)的特征提取能力，將原模型修改分類(lèi)層、微調(diào)參數(shù)后，即有很高的準(zhǔn)確率。其中基于ResNet-50的遷移模型準(zhǔn)確率高達(dá)到93.68%。

為了進(jìn)一步提高棉花分類(lèi)的準(zhǔn)確率，本文引入了遷移學(xué)習(xí)特征提取與ELM相結(jié)合棉花分類(lèi)識(shí)別方法，將遷移學(xué)習(xí)模型作為特征提取工具，再訓(xùn)練ELM進(jìn)行分類(lèi)。在相同的數(shù)據(jù)集下，準(zhǔn)確率都有了小幅提高。

在小樣本的情況下，遷移學(xué)習(xí)比從零開(kāi)始訓(xùn)練CNN模型更有效，訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)更短?；谶w移學(xué)習(xí)的特征提取與優(yōu)越分類(lèi)器組合比常規(guī)的遷移學(xué)習(xí)性能更優(yōu)越。