雷浩 苑迎春 何振學

摘要：為提高自然場景下棗品種識別方法的準確率，提出一種融合多尺度卷積和注意力機制的棗品種識別模型（Jujube-ResNet-18）。以自然場景下的10類棗品種為對象，根據(jù)棗品種圖像的特點，該模型在ResNet-18基礎(chǔ)上進行改進。引入多尺度卷積模塊，增強模型對棗果多尺度特征的提取能力；在每個殘差塊中加入注意力機制CBAM，提高棗果特征信息權(quán)重，減弱復雜背景等無用特征的影響。試驗結(jié)果表明，Jujube-ResNet-18在棗品種數(shù)據(jù)集上的準確率為89.5%，參數(shù)量和權(quán)重大小分別為1.135×10⁷和43.41 MB。與其他算法相比，Jujube-ResNet-18有更好的特征提取能力、抗干擾能力和較小的模型復雜度，可為自然場景下的棗品種識別研究提供參考。

關(guān)鍵詞：棗品種識別；深度學習；殘差網(wǎng)絡(luò)；多尺度卷積；注意力機制

中圖分類號：TP391.4

文獻標識碼：A

文章編號：2095-5553 （2024） 06-0135-08

收稿日期：2022年10月15日

修回日期：2022年12月15日

*基金項目：國家自然科學基金（62102130）；河北省自然科學基金（F2020204003）

第一作者：雷浩，男，1999年生，河北邢臺人，碩士研究生；研究方向為深度學習與圖像處理。E-mail： 2251081642@qq.com

通訊作者：苑迎春，女，1970年生，河北清苑人，博士，教授；研究方向為智能信息處理與大數(shù)據(jù)。E-mail： nd_hd_yyc@163.com

Jujube varieties recognition based on multi-scale convolution and attention mechanism

Lei Hao， Yuan Yingchun， He Zhenxue

（College of Information Science and Technology， Hebei Agricultural University， Baoding， 071001， China）

Abstract： In order to improve the accuracy of jujube varieties recognition method in natural scenes， a jujube varieties recognition model （Jujube-ResNet-18） was proposed by integrating multi-scale convolution and attention mechanism. In this study， ten types of jujube varieties under natural scenes were taken as objects. According to the characteristics of jujube variety images， the model in this paper was improved on the basis of ResNet-18. Firstly， the multi-scale convolution module was introduced to enhance the ability of the model to extract multi-scale features of jujube fruit. Secondly， the attentional mechanism CBAM was added into each residual block to increase the weight of jujube fruit feature information and weaken the influence of complex background and other useless features. The experimental results showed that the accuracy of Jujube-ResNet-18 on the date variety dataset was 89.5%， while the number of parameters and weight were only 1.135×10⁷and 43.41 MB， respectively. Compared with other algorithms， Jujube-ResNet-18 has better feature extraction ability， anti-interference ability and smaller model complexity， which can provide a reference for the study of jujube varieties recognition in natural scenes.

Keywords： jujube varieties recognition; deep learning; residual network; multi-scale convolution; attention mechanism

0 引言

棗樹為鼠李科棗屬植物，原產(chǎn)于中國，栽培歷史悠久、種質(zhì)資源豐富、營養(yǎng)價值高，在我國果樹領(lǐng)域中占據(jù)重要地位^[1]。棗品種準確識別對棗果的病害防治、自動采摘、分選加工等環(huán)節(jié)具有重要意義。例如，依照不同棗品種與不同病害間的相關(guān)性，識別棗品種可針對性防治病害；在棗果成熟期，棗品種識別是棗園自動化分類采摘的前提；對棗果進行品質(zhì)分級及加工前，同樣需要對其品種進行識別分類。因此，研究一種高效、準確的棗品種智能識別方法，可為棗產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展提供有力支撐^[2]。

在果品種類識別領(lǐng)域，基于機器學習的圖像處理技術(shù)已有廣泛應(yīng)用^[3]。蘇軍等^[4]以4類干制紅棗為研究對象，提取每類紅棗的顏色特征和紋理特征，采用SVM進行分類。Sabanci^[5]利用圖像處理技術(shù)提取蘋果的形狀和顏色特征，利用MLP算法建立判別模型。上述研究均取得較優(yōu)效果，但品種特征設(shè)計、選取和調(diào)節(jié)的過程較為復雜，易受主觀因素影響，不適用于多類品種和復雜環(huán)境下的識別研究。

隨著深度學習的不斷發(fā)展，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像識別領(lǐng)域的應(yīng)用越來越多^[6]，具有代表性的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)有AlexNet^[7]、VGG^[8]、ResNet^[9]、Inception^[10]等。與傳統(tǒng)機器學習相比，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可自動學習圖像特征，特征提取更加充分、客觀，能有效提升識別精度。余游江等^[11]利用3種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建Stacking集成模型用于識別五種紅棗，準確率達到92.38%。El-Kahlout等^[12]通過構(gòu)建卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對3類品種的桃子進行識別，測試集準確率可達100%。倪建功等^[13]提出一種花生莢果識別模型，該模型在AlexNet網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，通過設(shè)置不同尺寸的卷積核以提高特征提取能力。趙騰飛等^[14]通過對構(gòu)建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行推理優(yōu)化，實現(xiàn)核桃仁的分類識別，識別準確率為99.44%。Hu等^[15]最先提出了通道注意力SENet，通過調(diào)整特征通道權(quán)重以獲取輸入特征中的有效信息。蘇寶峰等^[16]提出融合注意力機制的殘差網(wǎng)絡(luò)用于自然背景下的葡萄品種識別，準確率達到88.75%。張繼成等^[17]在殘差網(wǎng)絡(luò)中嵌入SENet，有效緩解自然狀態(tài)下成熟草莓識別中復雜環(huán)境的干擾。耿磊等^[18]提出一種融合注意力結(jié)構(gòu)的蘋果品種分類模型，在7類蘋果品種上準確率高達96.78%。

針對自然場景下的棗品種識別問題，本文選取10類棗品種開展研究，考慮到不同品種間的顏色、形狀、紋理等特征復雜多樣，且部分品種間存在特征相似、區(qū)分難度大和易受復雜環(huán)境干擾等問題。本文融合多尺度卷積和注意力機制對深度學習方法進行改進，以提取更多棗果細微特征，同時增強其抗環(huán)境干擾能力，實現(xiàn)對自然環(huán)境下的棗品種準確、高效的識別。

1 試驗數(shù)據(jù)

本文棗圖像采集于河北省滄縣國家棗樹良種繁育基地，采集時間為2021年9—10月，采集設(shè)備為小米手機和尼康D7500單反數(shù)碼相機，分辨率分別為2 250像素×4 000像素和2 784像素×1 856像素。選取茶壺棗、大荔龍棗等10類棗品種進行研究，具體品種如圖1所示，拍攝場景涵蓋晴天、陰天、雨天等自然場景。每張圖像上僅包含單個棗果或多個分離棗果且都包含一定的復雜背景，例如棗果葉片、樹枝、樹干等等，圖像采集數(shù)量總計1 153張，各品種圖像數(shù)量如表1所示。

本研究首先將棗數(shù)據(jù)集按照3∶2比例劃分為訓練集和測試集。為使模型得到充分學習，提升其泛化性能，防止出現(xiàn)過擬合等現(xiàn)象^[19]，本文對訓練集中的圖像進行擴增。采取的數(shù)據(jù)擴增方式為改變圖像色度、對比度、亮度、高斯模糊、垂直和水平翻轉(zhuǎn)圖像、隨機旋轉(zhuǎn)一定角度等。擴增前后數(shù)據(jù)集分布情況如表1所示。圖像在輸入到模型之前，通過等比縮放將圖像最小邊縮放至256像素，保證輸入圖像不發(fā)生扭曲變形。再通過圖像中心裁剪得到模型標準輸入尺寸224像素×224像素，最后對圖像進行歸一化處理。

2 棗品種識別模型

本文提出的棗品種識別模型是以ResNet-18網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)實現(xiàn)改進，引入多尺度卷積模塊代替ResNet-18網(wǎng)絡(luò)中第一層的7×7卷積核，豐富模型提取到的特征信息。同時，每個殘差塊中添加注意力機制CBAM，增強模型對圖像中棗果特征信息的學習，降低復雜背景對分類性能的影響；其他位置的結(jié)構(gòu)和參數(shù)均保持不變。Jujube-ResNet-18模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，模型參數(shù)如表2所示。

2.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)選取

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度與模型性能具有較強相關(guān)性。理論上，通過加深網(wǎng)絡(luò)深度，可提升網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力。然而研究表明，隨著網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的不斷加深，模型存在梯度消失、難以收斂等問題，從而導致模型性能退化。為此，He等^[9]在2015年提出了殘差網(wǎng)絡(luò)ResNet，該網(wǎng)絡(luò)中的殘差結(jié)構(gòu)一定程度上緩解了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度增加所帶來的梯度消失、退化等問題，并在同年的ImageNet分類競賽中獲得冠軍。ResNet中的殘差結(jié)構(gòu)如圖3所示。

設(shè)x為殘差結(jié)構(gòu)的輸入，F(xiàn)（x）為輸入x經(jīng)過權(quán)重層后的特征映射，H（x）為殘差結(jié)構(gòu)的特征映射，殘差塊右側(cè)的通路為恒等映射。其中H（x）=F（x）+x，而F（x）=H（x）－x又被稱為殘差映射。試驗表明，相比于直接學習殘差塊的特征映射H（x），殘差映射F（x）更易優(yōu)化。殘差結(jié)構(gòu)在輸入特征x的基礎(chǔ)上繼續(xù)學習殘差映射，使模型有更好的性能。

常見的ResNet殘差網(wǎng)絡(luò)有ResNet-18、ResNet-34、ResNet-50、ResNet-101等，充分考慮到本文數(shù)據(jù)集規(guī)模和模型參數(shù)量、性能等因素，本文選擇ResNet-18作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

2.2 多尺度卷積模塊

ResNet-18網(wǎng)絡(luò)第一層卷積核大小為7×7，用來提取圖像大范圍下的粗粒度信息，特征尺度較為單一。在不同環(huán)境和時期下采集的棗品種圖像中，棗果特征復雜各異，且部分品種間在某些生長時期的特征較為相似，僅使用大尺寸卷積核難以提取到各類棗果的多尺度特征信息。因而采用不同尺寸的卷積核對圖像進行卷積，可以幫助模型更充分地提取到多種局部特征，得到不同粒度特征上的響應(yīng)^[20]。本文構(gòu)建的多尺度卷積模塊如圖4所示。

輸入圖像首先經(jīng)過4個并行通路進行卷積操作，分別為1×1卷積、3×3卷積、兩個3×3卷積串聯(lián)和三個3×3卷積串聯(lián)，最后將卷積后的4部分特征圖在通道維度上進行拼接融合，得到多尺度特征圖。融合過程計算如式（1）所示。

Y=concat（X₀，X₁，X₂，X₃）（1）

式中：Y——多尺度特征圖；

X_i——各通路輸出特征圖，i∈[0，3]。

其中，堆疊三個3×3卷積層與一個7×7卷積層具有相同的感受野^[21]，兩個3×3卷積層與一個5×5卷積層具有相同的感受野。該結(jié)構(gòu)在保證感受野相同的前提下，堆疊多個卷積層和非線性激活函數(shù)，加深了網(wǎng)絡(luò)的深度，不僅可以提高網(wǎng)絡(luò)的非線性判別能力，還能減少模型中的參數(shù)。4個通路的卷積核在特征提取過程中分別獲得不同尺度的感受野，最后通過融合不同尺度的特征，豐富模型提取到的棗果特征信息。

2.3 注意力機制

在自然場景下采集的棗品種圖像中，存在葉片、樹枝等復雜環(huán)境信息。模型在對輸入圖像進行特征提取時，除學習棗果特征外，還會學習到環(huán)境噪聲信息。因此在模型中引入注意力機制來提高其表征能力，增強對分類任務(wù)有益的特征權(quán)重并抑制復雜背景干擾。Woo等^[22]提出一種融合空間注意力和通道注意力的注意力機制CBAM（Convolutional Block Attention Module），相比于僅考慮通道注意的SENet，特征選擇更加全面。CBAM結(jié)構(gòu)如圖5所示。

在該模塊中，輸入特征圖F首先與通道注意模塊生成的通道注意權(quán)重M_C相乘，以校準特征圖F通道維度上的權(quán)重，得到通道注意力調(diào)整后的特征圖F_C。再將F_C與空間注意模塊中生成的空間注意權(quán)重M_S相乘，完成空間維度上的特征標定，輸出特征圖F_S。其過程公式為

F_C=M_S（F）UF（2）

F_S=M_S（F_C）UF_C（3）

在通道注意模塊中，主要篩選特征圖通道維度上的重要特征，抑制冗余信息。通道數(shù)為C，尺寸為H×W的特征圖首先在空間維度上分別進行全局最大池化和全局平均池化，得到兩個C×1×1的特征向量，然后分別通過多層感知機。最后將多層感知機的兩個輸出結(jié)果相加，再經(jīng)過Sigmoid激活函數(shù)后得到通道注意權(quán)重。計算如式（4）所示。

M_C（F）=σ{MLP[AvgPool（F）]+MLP[MaxPool（F）]｝=σ｛W₁[W₀（F^c_avg）]+W₁[W₀（F^c_max）]｝（4）

式中：AvgPool——平均池化；

MaxPool——最大池化；

W₀、W₁——隱藏層的權(quán)重；

σ——Sigmoid激活函數(shù)。

在空間注意模塊中，重點關(guān)注同一特征圖中對分類任務(wù)起關(guān)鍵作用的像素區(qū)域。通道數(shù)為C，尺寸為H×W的輸入特征圖在通道維度上分別進行全局最大池化和全局平均池化，得到兩個1×H×W的特征向量，然后將兩個結(jié)果在通道維度上進行拼接，通過卷積核大小為7×7的卷積操作將通道數(shù)降維至1，最后經(jīng)過Sigmoid激活函數(shù)后得到空間注意權(quán)重。計算如式（5）所示。

M_S（F）=σ（f^7×7（[AvgPool（F）;MaxPool（F）]））=σ（f^7×7（[F^s_avg;F^s_max]））（5）

式中：f^7×7——卷積核大小為7×7的卷積運算。

隨著網(wǎng)絡(luò)中特征信息的不斷傳遞，噪聲信息所占權(quán)重會不斷增加，最終導致模型識別性能降低。為最大限度減少噪聲信息干擾，在ResNet-18的每個殘差塊中引入注意力機制CBAM，使網(wǎng)絡(luò)在特征提取過程中，不斷調(diào)整特征圖權(quán)重，增強對關(guān)鍵特征信息的提取能力。改進后殘差結(jié)構(gòu)如圖6所示。

2.4 評價指標

本文將準確率Accuracy、精確率Precision、召回率Recall、F1-score作為模型的評價指標。為了平衡模型性能和復雜度，同樣將模型參數(shù)量、模型權(quán)重大小作為評價指標，用以綜合評價模型性能。

式中：TP——模型將正樣本預(yù)測為正樣本的個數(shù)；

FN——模型將正樣本預(yù)測為負樣本的個數(shù)；

FP——模型將負樣本預(yù)測為正樣本的個數(shù)；

TN——模型將負樣本預(yù)測為負樣本的個數(shù)。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 試驗設(shè)置

本研究中的各項試驗環(huán)境參數(shù)如表3所示。

模型訓練過程中，批處理大小為32，迭代次數(shù)為100，優(yōu)化器為SGD，學習率為0.01。

3.2 試驗對比分析

為驗證本文模型在棗品種識別研究上的有效性，在保證相同的試驗條件下，選取在圖像識別領(lǐng)域具有代表性的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行對比分析，其中包括AlexNet、ResNet-18、ResNet-34、ResNet-50、InceptionV3。不同模型的準確率、參數(shù)量和權(quán)重大小對比如表4所示。

由表4可知，Jujube-ResNet-18在識別準確率上均高于其他卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在測試集上的準確率達89.5%。且參數(shù)量和權(quán)重大小都相對較小，分別為1.135×10⁷和43.4 MB。相比于AlexNet，準確率提升約6%，由于該模型相較于Jujube-ResNet-18深度較淺，特征提取能力不足，從而準確率較低。相比于準確率較高的InceptionV3，提升了0.7%，而參數(shù)量和模型權(quán)重大小均減少約48%。相比于ResNet-18，本文在充分利用其性能優(yōu)勢的基礎(chǔ)上，又引入多尺度卷積和注意力機制對其進行改進，準確率提升3.3%。由于在殘差結(jié)構(gòu)中加入了注意力機制CBAM，模型參數(shù)量和權(quán)重大小都略有增加，但相比于ResNet-18，模型參數(shù)量僅增加1.5%，權(quán)重大小僅增加1.6%。Jujube-ResNet-18在ResNet-18的基礎(chǔ)上，以增加較小的模型復雜度為代價，帶來模型分類效果的顯著提升，較好地平衡了模型的識別性能和復雜度，表明本文模型更適用于棗品種識別。

3.3 消融試驗

為驗證Jujube-ResNet-18中各改進模塊的有效性，對僅采用多尺度卷積模塊改進ResNet-18的模型（試驗2）同分別采用注意力機制SENet（試驗3）和CBAM（試驗4）改進ResNet-18的模型進行對比試驗，試驗對比如表5所示。

從表5分析可知，多尺度卷積模塊和注意力機制均能有效提升網(wǎng)絡(luò)的準確率。試驗2相比于試驗1，準確率提高1.3%，參數(shù)量略有減小。因為使用多尺度卷積結(jié)構(gòu)代替7×7卷積核后，增強了模型的特征提取能力，模型可提取到不同感受野下的細粒度特征，使其有更好的分類效果，多個小卷積核代替大卷積核也減小了模型參數(shù)。試驗3、4模型準確率相比于試驗1分別提高1.1%和2.2%，表明在殘差結(jié)構(gòu)中添加注意力機制，可增大模型中棗果特征信息的權(quán)重，抑制對復雜背景特征信息的提取。同時，試驗4中的CBAM從通道和空間兩個維度上關(guān)注棗果特征，相比于試驗3中只關(guān)注通道注意的SENet，可取得更好的效果。Jujube-ResNet-18則有效融合多尺度卷積塊和CBAM，準確率進一步提升。

3.4 混淆矩陣

混淆矩陣可直觀表明模型在各個品種上的分類效果。ResNet-18和Jujube-ResNet-18在測試集上的混淆矩陣如圖7、圖8所示。分析可知，在棗果特征區(qū)分較為明顯的茶壺棗和月牙棗上，本文提出的Jujube-ResNet-18相比于ResNet-18，識別正確的數(shù)量分別增加3個和4個。在棗果特征較為相似的品種上，例如在大荔龍棗、酥園鈴和小紫棗之間，大荔龍棗識別正確的數(shù)量增加1個，消除了識別為酥園鈴的錯判；其中在小紫棗上提升效果最明顯，識別正確的數(shù)量增加8個，消除了識別為大荔龍棗和酥園鈴的錯判。但在酥園鈴上，錯判為大荔龍棗和小紫棗的情況依舊存在。

根據(jù)混淆矩陣計算出兩種模型在每類棗品種上的精準率、召回率和F1-score，評價指標對比如表6所示。

本文提出的Jujube-ResNet-18在測試集上的平均精準率為90.4%、召回率為89.4%、F1-score為89.5%；ResNet-18在測試集上的平均精確率為86.2%、召回率為86.2%、F1-score為86%。在上述三種指標中，表明本文提出的模型具有較好的識別效果。

3.5 模型驗證

為驗證Jujube-ResNet-18模型的泛化性能，本文重新采集10類棗品種圖像各20張，使用訓練好的Jujube-ResNet-18模型進行識別，結(jié)果如表7所示。

由表7可知，本文提出的Jujube-ResNet-18在200張驗證圖像上的準確率可達89.0%，與測試集上的準確率相當，表明本文模型有較好的泛化性能。

3.6 特征可視化

Grad-CAM^[23]是一種特征可視化方法，通過生成的熱力圖可幫助理解卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)各層學習到的特征。在熱力圖中，顏色越深的區(qū)域代表模型的關(guān)注度越高，紅色區(qū)域即為重點關(guān)注區(qū)域。本文隨機選取以下四類棗品種圖像，利用Grad-CAM方法對ResNet-18和Jujube-ResNet-18模型的最后一個卷積層進行可視化，生成的熱力圖如圖9所示。

從圖9可以看出，Jujube-ResNet-18模型相比于ResNet-18，不僅關(guān)注到棗果的細粒度特征而且減少了對復雜背景信息的學習。例如在茶壺棗上，其顯著性特征為棗果上半部的凸起部分；在月牙棗上，其中下部略有彎曲。本文模型不僅重點關(guān)注到這些區(qū)域，而且減少了葉片、樹枝等信息的干擾。

4 結(jié)論

針對自然場景下的棗品種識別問題，提出一種基于改進ResNet-18的棗品種識別模型，并通過試驗驗證。

1） 在繼承ResNet-18優(yōu)點的基礎(chǔ)上，引入多尺度卷積模塊代替單一尺度卷積核，使模型獲取到棗果不同尺度的特征信息，更有助于表征不同棗品種。注意力機制的加入，增強模型的抗噪聲干擾能力和魯棒性，模型分類性能顯著提升。

2） 本文模型在十類棗品種數(shù)據(jù)集上的準確率達89.5%，參數(shù)量為1.135×10⁷，模型權(quán)重大小為43.41 MB，較好地平衡模型復雜度和分類精度，且綜合性能優(yōu)于AlexNet、ResNet-18、InceptionV3等主流的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。充分表明本文模型適用于自然場景下的棗品種識別。

3） 在之后研究工作中，將繼續(xù)優(yōu)化本文模型，考慮加入度量學習方法使棗品種圖像特征類內(nèi)聚合，類間分散，進一步提升模型的分類性能。同時將增加棗品種數(shù)據(jù)集的種類，擴大本文模型的實際應(yīng)用范圍。

參 考 文 獻

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