基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的花卉識(shí)別研究

曾凡婧 雷鳴

摘要：近年來，花卉種類識(shí)別主要是根據(jù)植物的葉、莖、花等不同部位的形狀和紋理進(jìn)行的，但由于世界各地?fù)碛袛?shù)百萬(wàn)種花卉且花卉還具有類間相似性和類內(nèi)異構(gòu)性，使得這類方法缺乏健壯性。在該文的研究工作中，采用了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度學(xué)習(xí)方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)花卉種類的高精度識(shí)別，先是對(duì)原始圖像進(jìn)行預(yù)處理；然后是以LeNet-5卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型為基礎(chǔ)建立網(wǎng)絡(luò)模型，再通過梯度下降和BP算法進(jìn)行模型訓(xùn)練后得到花卉識(shí)別分類器；最后分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果并與其它花卉識(shí)別的算法進(jìn)行對(duì)比。通過在Oxford 102 Flowers數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，識(shí)別正確率達(dá)到了91.18%。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；花卉識(shí)別；BP算法

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）11-0185-04

1 引言

基于花卉的植物物種識(shí)別由于其廣泛存在花卉圖像背景復(fù)雜且種類繁多的特性，在圖像處理和計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域中仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于花卉識(shí)別做了大量的研究。柯逍等[1]提出基于RGB的圖像分割方法，并采用多特征融合方法進(jìn)行花卉圖像的識(shí)別。Nilsback等[2]通過分析花朵的顏色、形狀、紋理等特征在分類過程中的貢獻(xiàn)度，構(gòu)建相應(yīng)的單詞表模型，最后利用K近鄰算法實(shí)現(xiàn)花卉識(shí)別。Tiay T等[3]開發(fā)了一套花卉識(shí)別系統(tǒng)利用花卉圖像的邊緣特征和顏色特征對(duì)花卉進(jìn)行分類。Zhang等[4]使用Harr特征和SIFT特征將花卉圖像的空間信息與局部特征相結(jié)合，從圖像中提取的特征使用非負(fù)稀疏編碼方法進(jìn)行編碼，然后用K近鄰方法進(jìn)行分類。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的發(fā)展，研究人員開始嘗試通過深度學(xué)習(xí)來解決花卉圖像的分類問題。林思思等[5]提出融合深度特征提取和人工特征提取的方法實(shí)現(xiàn)花卉圖像的分類。Yoo 等[6-8]基于大型圖像數(shù)據(jù)庫(kù)，通過訓(xùn)練深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型在花卉圖像分類中取得了較好的效果。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional neural networks， CNNs）[9]是目前用于圖像處理與模式識(shí)別的主要形式，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有局部連接、權(quán)值共享及池化操作等特性可以有效地降低網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度，減少訓(xùn)練參數(shù)且具有強(qiáng)魯棒性和容錯(cuò)性。因此，本文在傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，建立并訓(xùn)練了一個(gè)良好的網(wǎng)絡(luò)模型用于花卉種類識(shí)別。

2 基礎(chǔ)理論

2.1 深度學(xué)習(xí)模型

深度學(xué)習(xí)模型由計(jì)算機(jī)與人工智能泰斗Geoffrey Hinton及其學(xué)生于2006年提出，他們的主要觀點(diǎn)包括：（1）多個(gè)隱層條件下的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以自主的從輸入圖像中學(xué)習(xí)到更為本質(zhì)的特征。（2）對(duì)于多個(gè)隱層的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練的時(shí)候容易陷入局部極小值，可以通過逐層的初始化來解決。本文使用的LeNet-5[10]卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是第一個(gè)真正的多層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)算法，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示，最早由Yann LeCun 與 YoshuaBengio 提出，該算法被應(yīng)用在物體和圖像區(qū)域的檢測(cè)、分割和識(shí)別，并取得了巨大成功。

2.2 圖像卷積與池化

池化層是通常作為網(wǎng)絡(luò)的中間層與卷積層交替設(shè)置，池化操作通過不同的過濾器對(duì)特征圖進(jìn)行下采樣。池化不會(huì)改變特征圖的個(gè)數(shù)，只降低特征圖的分辨率，有效地降低了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。目前常用的池化方法有兩種，分別為最大池化和均值池化。最大池化法在局部接受域中選取最大的值，均值池化是在局部接受域中所有值求平均值。

2.3 Dropout技術(shù)

Dropout[12]是解決深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型訓(xùn)練過程中過擬合問題的一種技術(shù)，主要思想是在深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的過程中，隨機(jī)丟棄神經(jīng)元以及其連接。對(duì)于隨機(jī)梯度下降來說，由于是隨機(jī)丟棄，故而每一個(gè)mini-batch都在訓(xùn)練不同的網(wǎng)絡(luò)。

2.4 Softmax與Softmax Loss

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來自O(shè)xford 102 Flower數(shù)據(jù)庫(kù)[14]，其中有102類常見花卉，總共8189張圖像。花卉圖像的背景一般都比較復(fù)雜，這些復(fù)雜的背景在進(jìn)行特征提取時(shí)會(huì)造成一定的干擾，因此在運(yùn)行CNN模型之前需要進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理。首先將原始數(shù)據(jù)以8：2的比例隨機(jī)劃分為訓(xùn)練集和測(cè)試集兩個(gè)部分，且采用One-Hot編碼。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化，本文采用數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化的方法是標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化，經(jīng)其處理過的數(shù)據(jù)符合標(biāo)準(zhǔn)正態(tài)分布，均值為0，標(biāo)準(zhǔn)差為1。標(biāo)準(zhǔn)差標(biāo)準(zhǔn)化（Z-score standardization）如式（4）所示。

3.2 花卉識(shí)別卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

基于花卉種類識(shí)別的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如表1所示，Input_Layer為輸入層，輸入圖片統(tǒng)一大小為100×100×3（100×100表示圖像分辨率，3表示圖像通道）；C1、C3為卷積層，分別使用32和64個(gè)尺寸為5×5的卷積核進(jìn)行特征提取；S2、S4為池化層，都采用最大池化方式（核為2×2，步長(zhǎng)為2）對(duì)上一個(gè)卷積層提取的特征圖進(jìn)行下采樣；F5為全連接層，采用2048個(gè)節(jié)點(diǎn)與上一個(gè)池化層S4輸出進(jìn)行全連接；Dropout層是為了防止過擬合引入，以40%的概率隨機(jī)丟棄部分?jǐn)?shù)據(jù)；最后一層Output_Layer為輸出層，采用Softmax回歸進(jìn)行分類輸出，通常也稱之為Softmax層。

3.3 模型訓(xùn)練

在建立卷積網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)各個(gè)層的參數(shù)都是依據(jù)經(jīng)驗(yàn)而設(shè)定，對(duì)于不同的物體在識(shí)別過程中可能不是最優(yōu)參數(shù)，導(dǎo)致最終輸出的結(jié)果與期望值差異較大，反向傳播是訓(xùn)練多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最通用的方法之一。其算法思想是：通過求解正向輸出標(biāo)簽值與實(shí)際標(biāo)簽值的誤差作為參數(shù)反向由輸出層向輸入層傳播，然后利用梯度下降法（ Gradient Descent，GD）求解損失函數(shù)的最小化，從而對(duì)神經(jīng)元權(quán)值進(jìn)行更新調(diào)整。本文采用Softmax損失函數(shù)和小批量梯度下降算法（Mini-Batch Gradient Descent，MBGD）對(duì)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，設(shè)定批大小為100，如圖4所示當(dāng)訓(xùn)練迭代次數(shù)為2500步時(shí)損失值loss接近于0，表示預(yù)測(cè)值與標(biāo)簽值基本一致模型訓(xùn)練完成，總用時(shí)3小時(shí)1分38秒。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

本實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)環(huán)境：Intel Core i5 雙核 CPU，3.6GHz，8G內(nèi)存，macOS操作系統(tǒng)，Python編程語(yǔ)言及其加載的Numpy庫(kù)、TensorFlow框架，開發(fā)工具VS Code。

4.1 效果展示

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出值經(jīng)過Soft-max回歸處理后得到的是概率向量，分別表示當(dāng)前圖像為每一類別的概率，最終識(shí)別結(jié)果由其概率最大值確定。識(shí)別結(jié)果演示（部分）如圖5所示，其中識(shí)別類別21、概率為99.728%，識(shí)別類別38、概率為99.947%。

4.2 誤差分析

通過已訓(xùn)練的CNN模型，使用測(cè)試集數(shù)據(jù)對(duì)分類器的準(zhǔn)確率進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試集中共102個(gè)類別花卉圖像的識(shí)別結(jié)果如下圖6所示，準(zhǔn)確率為91.18%。

4.3 與其它算法對(duì)比分析

本文方法與其它的花卉識(shí)別方法在識(shí)別正確率的對(duì)比如表2所示，結(jié)果表明本文提出的方法識(shí)別率高于其它方法，具有實(shí)際應(yīng)用性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是以Yann LeCun 與 YoshuaBengio 提出的LeNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，并在訓(xùn)練過程中使用誤差反向傳播方式不斷更新卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)權(quán)值，多次迭代后找出最佳參數(shù)得到合適的網(wǎng)絡(luò)模型，然后與其它算法對(duì)比。結(jié)果表明本文提出的方法在Oxford 102 Flowers數(shù)據(jù)庫(kù)中的實(shí)驗(yàn)與其它幾種傳統(tǒng)方式以及一些深度學(xué)習(xí)的方式相比有更高的識(shí)別率，達(dá)到了91.18%。通過研究表明神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型深度越深效果會(huì)越好[15]，但是越復(fù)雜的模型越容易過擬合且訓(xùn)練時(shí)間過長(zhǎng)，于是如何減少訓(xùn)練時(shí)間以及避免過擬合狀態(tài)的發(fā)生是今后進(jìn)一步研究的方向。

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