孟亮 郭小燕 杜佳舉 沈航馳 胡彬

摘要：? 針對(duì)傳統(tǒng)CNN （Convolutional neural network）模型存在訓(xùn)練參數(shù)量大而無(wú)法應(yīng)用于硬件條件受限的場(chǎng)合這一問(wèn)題，本研究提出一種輕量級(jí)CNN農(nóng)作物病害識(shí)別模型，能夠在保證模型識(shí)別準(zhǔn)確率情況下簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，擴(kuò)大模型的適用場(chǎng)景。設(shè)計(jì)1個(gè)深度卷積模塊作為基本卷積單元，2個(gè)深度卷積模塊和1個(gè)批歸一化層組成1個(gè)殘差塊作為殘差單元，以殘差單元作為基本元素設(shè)計(jì)一個(gè)輕量級(jí)CNN農(nóng)作物病害識(shí)別模型。對(duì)辣椒、番茄和馬鈴薯的病害圖像進(jìn)行分類識(shí)別，最終模型在訓(xùn)練集上的總識(shí)別準(zhǔn)確率為99.33%，測(cè)試集上的總識(shí)別準(zhǔn)確率為98.32%。相對(duì)VGG16等傳統(tǒng)模型，在進(jìn)行農(nóng)作物病害識(shí)別時(shí)本模型有更高的識(shí)別準(zhǔn)確率、更快的識(shí)別速度和更小的內(nèi)存占用。

關(guān)鍵詞：? CNN; 輕量級(jí); 農(nóng)作物; 病害; 識(shí)別準(zhǔn)確率

中圖分類號(hào)：? TP391.41??? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A??? 文章編號(hào)：? 1000-4440（2021）05-1143-08

A lightweight CNN model for image recognition of crop disease

MENG Liang， GUO Xiao-yan， DU Jia-ju， SHEN Hang-chi， HU Bin

（School of Information Science and Technology， Gansu Agricultural University， Lanzhou 730070， China）

Abstract：? The traditional convolutional neural network （CNN） model cannot be applied to occasions with limited hardware conditions due to the large amount of training parameters. This research proposed a lightweight CNN model for crop disease recognition， which could simplify the model structure and expand the applicable scenarios under the condition of ensuring the accuracy of model recognition. A deep convolution module was designed as the basic convolution unit， and two deep convolution modules and a batch normalization layer were used as the residual units. A lightweight CNN model for crop disease recognition was designed with the residual unit as the basic element. The total recognition accuracy of the model on the training set was 99.33%， and the total recognition accuracy on the test set was 98.32%. Compared with the traditional models such as VGG16， the lightweight CNN model has higher recognition accuracy， faster recognition speed and less memory occupation.

Key words：? convolutional neural network （CNN）; lightweight; crops; diseases; recognition accuracy

中國(guó)是農(nóng)業(yè)大國(guó)，農(nóng)作物在很大程度上實(shí)現(xiàn)了自給自足，但是在農(nóng)業(yè)自動(dòng)化方面和許多發(fā)達(dá)國(guó)家還有很大差距。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)及人工智能的不斷發(fā)展，學(xué)者們開(kāi)始探索專家系統(tǒng)或者圖像分割算法在農(nóng)作物病蟲(chóng)害識(shí)別上的應(yīng)用。Singh等? [1] 使用SVM（Support vector machine）分類器使得對(duì)早期豌豆銹病的識(shí)別達(dá)到微觀層面。張建華等? [2] 基于最優(yōu)二叉樹(shù)和SVM的方法對(duì)蜜柚病害圖像進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確率達(dá)到90%。Park等? [3] 在病蟲(chóng)害識(shí)別領(lǐng)域提出模式識(shí)別和多光譜分析技術(shù)，有效提升了識(shí)別準(zhǔn)確率。Umut等? [4] 使用機(jī)器學(xué)習(xí)對(duì)棉花常見(jiàn)病害進(jìn)行識(shí)別，準(zhǔn)確率達(dá)到90%以上。Maniyath等? [5] 提出一種基于特征提取的改進(jìn)SVM算法，融合機(jī)器視覺(jué)和模糊識(shí)別，大大提升了識(shí)別效果。陳佳娟? [6] 使用特定算法計(jì)算出棉花病葉受損程度。王長(zhǎng)斌? [7] 提出一種新的病害識(shí)別算法，但是計(jì)算速度較慢。Zhang等? [8] 提出從患病玉米中提取葉片特征，再將提取的特征輸入K近鄰分類器進(jìn)行分類，對(duì)5種玉米病害識(shí)別率在90%以上。Singh等? [9] 提出使用遺傳算法對(duì)植物早期病害進(jìn)行檢測(cè)。

以上方法在進(jìn)行病蟲(chóng)害的識(shí)別時(shí)需要提取大量的圖像特征且計(jì)算復(fù)雜，故識(shí)別準(zhǔn)確率受到圖像特征矩陣提取結(jié)果與計(jì)算機(jī)計(jì)算能力的限制。隨著人工智能的發(fā)展，農(nóng)業(yè)與深度學(xué)習(xí)的結(jié)合使得農(nóng)作物病蟲(chóng)害圖像識(shí)別的發(fā)展有了質(zhì)的飛躍。Gassoumi? [10] 采用基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和模糊邏輯的軟計(jì)算模型技術(shù)對(duì)棉花病害進(jìn)行了有效識(shí)別。溫芝元等? [11] 開(kāi)發(fā)了一種補(bǔ)償模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，用于臍橙的病蟲(chóng)害識(shí)別。張建華等? [12] 通過(guò)粗糙集和誤差反向傳播神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了棉花病害識(shí)別模型。黃雙萍等? [13] 提出基于GoogleNet模型的水稻穗瘟病檢測(cè)方法，模型識(shí)別性能有了較大提高。Mohanty等? [14] 提出多層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該模型在訓(xùn)練后能夠快速提取植物病害特征，可以對(duì)多達(dá)14種病害進(jìn)行分類。楊秀坤等? [15] 提出基于退火算法的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，該算法能夠?qū)μO(píng)果進(jìn)行檢測(cè)，判斷其表皮是否有缺陷。王克如? [16] 將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與專家系統(tǒng)結(jié)合起來(lái)，可對(duì)玉米常見(jiàn)病害進(jìn)行識(shí)別。龔丁禧等? [17] 建立了可遷移的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，該模型在簡(jiǎn)單訓(xùn)練后可應(yīng)用于其他植物病害識(shí)別中。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的特征提取能力和學(xué)習(xí)能力，使得自然條件下的病害圖像特征也能夠被準(zhǔn)確地提取并使得模型具有良好的遷移性，這對(duì)于中國(guó)農(nóng)作物病害的快速精準(zhǔn)識(shí)別，提高糧食產(chǎn)量有著重要的意義，但是以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為代表的傳統(tǒng)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型由于參數(shù)訓(xùn)練量大，所以收斂速度較慢，同時(shí)對(duì)運(yùn)算的軟硬件設(shè)備有極高的要求。因此將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于農(nóng)作物病蟲(chóng)害的識(shí)別時(shí)，如果將應(yīng)用場(chǎng)景擴(kuò)展到嵌入式或者移動(dòng)設(shè)備上面，有限的計(jì)算資源將面臨模型參數(shù)量巨大、訓(xùn)練時(shí)間長(zhǎng)，存儲(chǔ)空間不足等問(wèn)題。本研究針對(duì)傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)受硬件限制，收斂速度慢，占用內(nèi)存大，識(shí)別準(zhǔn)確率較低的問(wèn)題，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于殘差思想的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Light-CNN（Lightweight convolutional neural network），旨在保證識(shí)別準(zhǔn)確率的前提下精簡(jiǎn)模型結(jié)構(gòu)，從而提升農(nóng)作物病害類別的識(shí)別實(shí)時(shí)性，從而擴(kuò)大其適用范圍與應(yīng)用場(chǎng)景? [18] 。

1 試驗(yàn)材料

本試驗(yàn)采用PlantVillage植物病害圖像庫(kù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)源。該數(shù)據(jù)集在實(shí)驗(yàn)室條件下采集，包含蘋(píng)果黑星病、蘋(píng)果黑腐病、馬鈴薯早疫病等13種植物的26種病害的圖像，共計(jì) 54 306 張圖片。在本研究中，選取辣椒、馬鈴薯和番茄3種農(nóng)作物，15種病害葉片圖像，共 22 787 張圖片作為數(shù)據(jù)集。表1給出了該數(shù)據(jù)集的15種病害樣本信息。圖1為數(shù)據(jù)集病害葉片圖像展示。為了提高模型的處理效率，將原始圖像尺寸調(diào)整為 64× 64，在數(shù)據(jù)集中隨機(jī)抽取80%圖像用于建立訓(xùn)練集，剩余20%圖像用于測(cè)試集。

2 模型輕量化設(shè)計(jì)策略

2.1 全局平均池化

池化層又稱為下采樣層，針對(duì)原始圖像經(jīng)過(guò)卷積層后參數(shù)量增大導(dǎo)致模型無(wú)法快速擬合的問(wèn)題，利用池化操作對(duì)卷積操作后的圖像特征進(jìn)行降維處理。傳統(tǒng)的最大值池化、平均池化在一定程度上可以減少訓(xùn)練參數(shù)從而提高訓(xùn)練的速度，節(jié)約硬件成本，但是當(dāng)模型的訓(xùn)練受到硬件條件限制時(shí)，仍會(huì)出現(xiàn)訓(xùn)練、識(shí)別速度受限的問(wèn)題。為了更近一步簡(jiǎn)化模型結(jié)構(gòu)，本研究采用全局平均池化，與平均池化將特征圖矩陣以窗口形式取均值不同，全局平均池化以整個(gè)特征圖為單位進(jìn)行均值化，每一張?zhí)卣鲌D最終可以獲得1個(gè)均值，從而大幅度減少了網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)數(shù)量。

2.2 數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化

數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化操作可以提升輸入數(shù)據(jù)的質(zhì)量，從而大幅度提高模型收斂的速度與準(zhǔn)確率，本模型采用Z-score（公式1）標(biāo)準(zhǔn)化方法使得輸入數(shù)據(jù)相對(duì)于原點(diǎn)對(duì)稱，輸入圖像像素從原來(lái)的（0，255）映射為（0，1），數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化后符合正態(tài)分布，輸入向量的正交性增強(qiáng)，有效加快了模型運(yùn)行的速度和避免模型陷入梯度消失的問(wèn)題。

μ B= 1 m ∑ m i=1 x i ; σ 2 B= 1 m ∑ m i=1 （x i-μ B） 2 ;? ?i= x i-u B σ 2 B+l ??（1）

式中， x i 為輸入的第 i 個(gè)數(shù)據(jù)， m 為輸入數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)， μ B 為均值， σ 2 B 為方差， l 是一個(gè)微小值，用來(lái)防止出現(xiàn)除以0的情況。

2.3 隨機(jī)淘汰

在反向傳播過(guò)程中，權(quán)值的更新可能會(huì)過(guò)于依賴部分隱藏神經(jīng)元，導(dǎo)致圖像中某些特征的提取出現(xiàn)盲區(qū)，因此在反向更新權(quán)值的過(guò)程中，每次迭代時(shí)隨機(jī)丟棄50%的神經(jīng)元，被剔除的神經(jīng)元不再參與本次迭代中信號(hào)的傳遞，使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在學(xué)習(xí)時(shí)和權(quán)值在更新時(shí)對(duì)于所有的神經(jīng)元都保持敏感，從而使得模型的魯棒性更強(qiáng)，有效抑制過(guò)擬合現(xiàn)象。

3? 農(nóng)業(yè)病害圖像識(shí)別模型

3.1 深度卷積塊

卷積操作用于提取原始圖像信息，為了提升模型提取圖像信息的能力，本研究設(shè)計(jì)1個(gè)由卷積層、批歸一化層和非線性激活函數(shù)組成的深度卷積塊作為特征提取的基本單元，其中卷積層采用64個(gè)大小為 3× 3的卷積核， 大小為 64× 64的原始圖像經(jīng)過(guò)第1次標(biāo)準(zhǔn)卷積初步提取特征后大小為 62× 62。本模型設(shè)置填充機(jī)制，即始終用0填充處理過(guò)的圖像使其保持大小為 64× 64。批歸一化層將經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)卷積后的圖像數(shù)據(jù)從（0，255）映射到（0，1），避免出現(xiàn)梯度消失的情況。非線性激活采用ReLu函數(shù)，圖2為深度卷積塊結(jié)構(gòu)圖。圖3為深度卷積塊對(duì)植物葉片病害特征的初步提取樣圖。

a1為辣椒細(xì)菌性斑點(diǎn)病葉片;b1、c1分別為馬鈴薯早疫病葉片和馬鈴薯晚疫病葉片;d1～l1分別為番茄輪斑病葉片、番茄花葉病葉片、番茄黃曲葉病葉片、番茄細(xì)菌性斑點(diǎn)病葉片、番茄早疫病葉片、番茄健康葉片、番茄晚疫病葉片、番茄葉霉病葉片、番茄斑枯病葉片和番茄二斑葉螨病葉片。a2～l2分別為a1～ l1經(jīng)過(guò)深度卷積塊后的病害特征初步提取樣圖。

3.2 殘差塊

隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取的信息越來(lái)越多，模型的參數(shù)也劇烈增長(zhǎng)，采用梯度下降法更新權(quán)值時(shí)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)到達(dá)一定深度后，會(huì)出現(xiàn)梯度為0或者梯度爆炸的現(xiàn)象，梯度為0將導(dǎo)致權(quán)值無(wú)法繼續(xù)得到有效更新，識(shí)別準(zhǔn)確率反而下降;梯度爆炸將使得模型出現(xiàn)劇烈動(dòng)蕩而無(wú)法收斂。He等? [19] 提出ResNet，采用一種恒等映射，即在網(wǎng)絡(luò)中直接將單元的輸入與單元的輸出相加再輸入到下一層，從而解決了傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練中隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加網(wǎng)絡(luò)性能反而退化的問(wèn)題。本模型利用殘差思想，設(shè)計(jì)了1個(gè)殘差塊，使得在增加網(wǎng)絡(luò)深度時(shí)能夠繼續(xù)保持模型的精度。殘差塊由2層深度卷積塊和1個(gè)批歸一化層構(gòu)成。深度卷積塊均使用64個(gè)大小為3×3的卷積核，為解決由于卷積操作導(dǎo)致的原圖像部分特征消失的問(wèn)題，本研究所設(shè)計(jì)的殘差塊在通過(guò)2層深度卷積塊后與原輸入圖像相加，從而保證在網(wǎng)絡(luò)層數(shù)增加時(shí)保持模型原有的精度。為增強(qiáng)模型魯棒性，在每個(gè)殘差塊后面均使用批歸一化層，從而提高收斂的速度。殘差塊結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

3.3 植物病害識(shí)別模型

針對(duì)傳統(tǒng)CNN模型收斂速度慢，占用內(nèi)存大，識(shí)別率較低的問(wèn)題，本研究設(shè)計(jì)了1個(gè)輕量級(jí)植物病害識(shí)別模型（Light-CNN），該模型分為特征提取子模型和分類子模型。特征提取子模型由1個(gè)單層卷積層，5個(gè)殘差塊，1個(gè)全局平均池化層組成，在分類子模型中又分為植物類別分類與病害類別分類2個(gè)子模型。分類子模型由3個(gè)全連接層、1個(gè)Droput層和1個(gè)SoftMax層組成。在本模型中，首先將待識(shí)別圖片大小統(tǒng)一為 64× 64，通過(guò)一層卷積核大小為 3× 3，數(shù)量為64的標(biāo)準(zhǔn)卷積層提取圖像初級(jí)特征，再經(jīng)過(guò)5個(gè)殘差塊提取圖像高級(jí)特征以及減少特征損失，當(dāng)進(jìn)行卷積與池化操作使得圖像尺寸變小時(shí)，均采用填充0的方式，以保證模型中所有的特征圖大小始終為 64× 64，經(jīng)過(guò)5個(gè)殘差塊后再經(jīng)過(guò)全局平均池化、全連接層、Dropout層和全連接層，最后通過(guò)SoftMax進(jìn)行分類輸出，具體模型結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖5。

4 模型訓(xùn)練與試驗(yàn)結(jié)果分析

本模型的數(shù)據(jù)集為PlantVillage部分?jǐn)?shù)據(jù)集，在本研究預(yù)訓(xùn)練模型中采用Adam Optimizer作為網(wǎng)絡(luò)參數(shù)優(yōu)化器，損失函數(shù)采用稀疏交叉熵（Sparse_categorical_crossentropy）損失函數(shù)，使用衰減學(xué)習(xí)率方法進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，梯度下降過(guò)程中，訓(xùn)練集設(shè)置批處理樣本數(shù)為8，測(cè)試集設(shè)置批處理樣本數(shù)為1。

4.1 模型的訓(xùn)練

4.1.1 稀疏交叉熵?fù)p失函數(shù)? 在進(jìn)行模型損失值計(jì)算時(shí)，由于本數(shù)據(jù)集中均使用數(shù)據(jù)原始標(biāo)簽，分別用 0～ 14來(lái)表示待分類的15種類別。本研究選用稀疏交叉熵?fù)p失函數(shù)，以計(jì)算真實(shí)標(biāo)簽數(shù)值與預(yù)測(cè)標(biāo)簽數(shù)值的交叉熵誤差為依據(jù)進(jìn)行權(quán)值的修正[公式（2）]。

E=- 1 N? ?n? ?k t ?nk? ln ?y ?nk?? （2）

其中， N 表示 N 個(gè)數(shù)據(jù); y ?nk? 表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第 n 個(gè)元素第 k 個(gè)元素的輸出; t ?nk? 表示神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)第 n 個(gè)元素第 k 個(gè)元素的標(biāo)簽。

4.1.2 衰減法學(xué)習(xí)率? 在模型運(yùn)行中，恒定的學(xué)習(xí)率容易導(dǎo)致模型訓(xùn)練時(shí)陷入局部極值，因此本模型采用衰減法設(shè)置學(xué)習(xí)率，隨著迭代次數(shù)的不斷增加，學(xué)習(xí)率不斷下降，最終趨于穩(wěn)定。衰減法學(xué)習(xí)率公式如下：

r=r 0×p?? ?I θ? ???（3）

其中 r 0 為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率; p 為衰減系數(shù); I 為迭代次數(shù); θ 為衰減速度;? ?I θ? ?是對(duì)取得的值向下取整。本模型中基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率設(shè)定為0.001，學(xué)習(xí)率下限為 0.000 000 01 ，衰減系數(shù)設(shè)置為0.9，衰減速度為 12 000 。即每經(jīng)過(guò) 12 000 次迭代，如果損失函數(shù)的損失值沒(méi)有明顯的降低，則將學(xué)習(xí)率降低為原來(lái)的90%，直到達(dá)到最終的學(xué)習(xí)率下限。

4.1.3 歷史值保留機(jī)制? 本研究中為保證結(jié)果的嚴(yán)謹(jǐn)性，需要多次重復(fù)試驗(yàn)。在進(jìn)行權(quán)值的更新過(guò)程中，為了避免在訓(xùn)練后期初始權(quán)值重復(fù)訓(xùn)練以及有可能出現(xiàn)隨著迭代次數(shù)的增加，識(shí)別率反而下降的情況，在訓(xùn)練過(guò)程中保存權(quán)值歷史值，以期在只關(guān)注全連接權(quán)值參數(shù)時(shí)，可以直接導(dǎo)入權(quán)值歷史最優(yōu)值，以峰值識(shí)別率所對(duì)應(yīng)的參數(shù)作為下一次試驗(yàn)迭代次數(shù)設(shè)定的依據(jù)，從而加快模型識(shí)別的速度。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果分析

本模型均在TensorFlow框架下進(jìn)行試驗(yàn)。硬件環(huán)境：Inter（R） Xeon（R） W-2123 CPU @3.6 GHz，16 GB RAM，NVIDIA GeForce GTX 1 080 GPU，8 GB Video Memory。軟件環(huán)境：CUDA toolkit 10.0，cuDNN 10.0，Windows 10 64bit，Python 3.7，TensorFlow 2.0.0。

本研究中使用分類準(zhǔn)確率作為最終結(jié)果的評(píng)價(jià)指標(biāo)之一，分類準(zhǔn)確率越高，則意味著本模型的識(shí)別和分類性能越好。

單個(gè)類別識(shí)別準(zhǔn)確率計(jì)算公式：

Acc= n ?c ?n ?t? （4）

其中 n ?c是單個(gè)類別的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)數(shù)， n ?t是單個(gè)類別樣本總數(shù)。

模型識(shí)別的平均準(zhǔn)確率公式：

AA= Acc n ??（5）

其中 n 為樣本的總類別數(shù)。

本模型考慮到低檔終端中運(yùn)行時(shí)的存儲(chǔ)和計(jì)算能力的限制，將模型所占內(nèi)存大小、單張圖片所使用的識(shí)別時(shí)間、識(shí)別準(zhǔn)確率作為模型評(píng)價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)。在模型識(shí)別率高且所占內(nèi)存較小的情況下，單位時(shí)間識(shí)別圖片越多，則該模型能夠在實(shí)際農(nóng)作物病害檢測(cè)中具有更廣泛的應(yīng)用。

4.2.1 試驗(yàn)結(jié)果? 本模型的輸出為15個(gè)類別，分別代表辣椒、馬鈴薯、番茄3種農(nóng)作物的15種病害，識(shí)別結(jié)果見(jiàn)表2。其中植物的平均識(shí)別準(zhǔn)確率為99.35%，病害的平均識(shí)別準(zhǔn)確率為99.28%。

由圖6可以看出，當(dāng)?shù)螖?shù)較低時(shí)，模型的學(xué)習(xí)次數(shù)不夠，準(zhǔn)確率不理想。但是隨著迭代次數(shù)的不斷提升，訓(xùn)練集中植物樣本和病害樣本的識(shí)別準(zhǔn)確率在不斷提升。第1次迭代之后植物分類識(shí)別準(zhǔn)確率為82.59%，病害識(shí)別準(zhǔn)確率為76.12%，之后識(shí)別率便快速提升，迭代到第45次時(shí)準(zhǔn)確率趨于平穩(wěn)。當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到第50次時(shí)，植物識(shí)別準(zhǔn)確率稍有下降，而病害識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到最高，訓(xùn)練集植物識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到99.35%，訓(xùn)練集病害識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到99.28%，總識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到99.33%。

從圖7可以看出，測(cè)試集在第1次到第3次迭代過(guò)程中植物和病害的識(shí)別準(zhǔn)確率由63.98%和29.87%升至84.54%和70.98%。但當(dāng)?shù)螖?shù)從第3次到第4次時(shí)，測(cè)試集中出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象，導(dǎo)致識(shí)別準(zhǔn)確率急速下降。當(dāng)?shù)螖?shù)從第4次到第5次時(shí)，模型準(zhǔn)確率又開(kāi)始大幅提升，而當(dāng)?shù)螖?shù)從第5次到第9次時(shí)準(zhǔn)確率又大幅度下降。迭代次數(shù)從第9次至第12次時(shí)準(zhǔn)確率大幅度提升，之后除迭代次數(shù)從第15次到第16次和第24次到第25次時(shí)發(fā)生過(guò)擬合導(dǎo)致準(zhǔn)確率發(fā)生急速下降外，其余迭代期間準(zhǔn)確率均穩(wěn)步增長(zhǎng)。在迭代次數(shù)達(dá)到28次時(shí)，準(zhǔn)確率趨于穩(wěn)定，最終當(dāng)?shù)螖?shù)達(dá)到第50次時(shí)，準(zhǔn)確率達(dá)到最大。測(cè)試集植物分類準(zhǔn)確率為99.44%，測(cè)試集病害分類準(zhǔn)確率為98.28%，測(cè)試集總準(zhǔn)確率為98.32%。

從迭代次數(shù)角度看，在訓(xùn)練的初期隨著迭代次數(shù)的增多，模型的識(shí)別準(zhǔn)確率也越來(lái)越高，但當(dāng)?shù)螖?shù)超過(guò)一定程度時(shí)，模型的識(shí)別準(zhǔn)確率不僅不再提高，可能還會(huì)出現(xiàn)一定幅度的降低。因此，選擇合適的迭代次數(shù)可以獲得更優(yōu)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，可以最大化地發(fā)揮模型的性能。在本模型中，50次的迭代次數(shù)可以獲得最優(yōu)識(shí)別效果。

4.2.2 不同模型對(duì)比試驗(yàn)? 為進(jìn)一步研究本模型的性能，分別選擇AlexNet? [20] 、VGG16? [21] 、GoogleNet ?[22] 、ResNet50? [23] ?4種深層網(wǎng)絡(luò)模型與本模型進(jìn)行對(duì)比，這4種模型均采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。AlexNet、GoogleNet為5層卷積層，3層全連接層;VGG16為13層卷積層和3個(gè)全連接層;ResNet50為4個(gè)殘差塊，每個(gè)殘差塊均使用 3× 3卷積核，共50個(gè)標(biāo)準(zhǔn)卷積層，1個(gè)全連接層。表3描述了不同網(wǎng)絡(luò)模型占用內(nèi)存的大小和針對(duì)本數(shù)據(jù)集的平均識(shí)別準(zhǔn)確率。由表3可知，AlexNet、VGG16? [24] 的識(shí)別準(zhǔn)確率為86.12%和88.75%。相比這2個(gè)模型，GoogleNet的識(shí)別準(zhǔn)確率較高，達(dá)到92.00%，本模型在識(shí)別準(zhǔn)確率方面達(dá)到99.33%。雖然ResNet50在訓(xùn)練集識(shí)別準(zhǔn)確率方面稍微高于本模型，達(dá)到99.76%，但是其測(cè)試集識(shí)別準(zhǔn)確率為92.31%，發(fā)生了明顯的過(guò)擬合。因此在農(nóng)作物病害識(shí)別率方面，本模型和VGG16、AlexNet、GoogleNet相比有較大的優(yōu)勢(shì)，相比ResNet50也有一定優(yōu)勢(shì)。在模型占用內(nèi)存大小方面，VGG16占用內(nèi)存最大，為552.0 MB，GoogleNet占用內(nèi)存大小為87.5 MB，AlexNet占用內(nèi)存大小為227.6 MB，ResNet50 占用內(nèi)存大小為90.3 MB。而本模型經(jīng)過(guò)訓(xùn)練后所占內(nèi)存大小僅為4.6 MB。因此在模型占用內(nèi)存大小方面，本模型相對(duì)VGG16、AlexNet、GoogleNet和ResNet50有較大優(yōu)勢(shì)。

表3還給出了本模型與其他深度模型的單張圖片訓(xùn)練所需時(shí)間的對(duì)比。每一張圖片的訓(xùn)練所需時(shí)間都是經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)取平均值所得。從結(jié)果來(lái)看，本模型的單張圖片訓(xùn)練所需時(shí)間為0.220 s，遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于VGG16等其他模型的用時(shí)。試驗(yàn)結(jié)果表明，本試驗(yàn)?zāi)Ｐ驮谡加脙?nèi)存大小、識(shí)別時(shí)間、識(shí)別準(zhǔn)確率方面均有一定的優(yōu)勢(shì)。

5 結(jié) 論

本研究針對(duì)當(dāng)前大部分植物病害識(shí)別模型的識(shí)別準(zhǔn)確率低，模型占用內(nèi)存大的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種輕量級(jí)植物病害識(shí)別模型（Light-CNN），使用PlantVillage部分圖片，建立了辣椒、馬鈴薯和番茄的多種病害數(shù)據(jù)集，模型訓(xùn)練結(jié)果表明，在一定范圍內(nèi)，模型的迭代次數(shù)越多，模型的識(shí)別準(zhǔn)確率越高，但是超過(guò)一定范圍，模型的識(shí)別準(zhǔn)確率可能不再增長(zhǎng)，甚至可能降低。在識(shí)別植物病害時(shí)，本模型在內(nèi)存占用大小，識(shí)別時(shí)間方面遠(yuǎn)優(yōu)于VGG16、AlexNet、GoogleNet和ResNet50;在識(shí)別準(zhǔn)確率方面遠(yuǎn)優(yōu)于VGG16、AlexNet、GoogleNet。因此輕量級(jí)植物病害識(shí)別模型為手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行植物病害的檢測(cè)提供技術(shù)支撐。本研究模型數(shù)據(jù)集均是在無(wú)干擾、無(wú)遮擋、圖像清晰、背景固定的實(shí)驗(yàn)室條件下的圖片，因此后期進(jìn)一步的研究方向是在自然復(fù)雜背景下的植物病害圖像識(shí)別。

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（責(zé)任編輯：陳海霞）