魚類識別小程序設計與實現

呂俊霖，陳作志，劉 巖，楊長平

(中國水產科學研究院南海水產研究所，廣東 廣州510300)

0 引言

隨著智能手機的普及和深度學習技術的發展，以智能手機為載體的圖像識別軟件日漸走入人們的生活。基于卷積神經網絡技術和深度學習的方法，圖像識別軟件可自動提取圖像特征，并推斷出對應的種類(標簽)，因此，在需要進行圖像識別的場景中，手機圖像識別軟件得到了迅速地推廣和應用，這類手機軟件使用便捷，對特定領域的物體識別具備一定準確度，受到人們的普遍歡迎[1-2]。

我國擁有廣闊的海洋面積，有3 000多種魚類，共4個綱47目、313科、3 090種，人們經常捕獲和食用的魚類有幾十種到上百種[3-5]。某些魚類較為少見；不同科屬的魚類具有較相似的外觀特征；各地對某些魚類的稱呼不統一，容易引起誤解。鑒于上述情況，有必要開發出一款魚類識別軟件，幫助大眾識別魚類、辨別魚類、了解魚類，這既是海洋科普的需要，也有益于漁政和科研人員了解當地的漁業水產情況。

1 產品使用場景

當前，已經有不少應用于特定場景的識別程序，如人臉識別、花卉識別、水果識別、昆蟲識別和車牌號識別等[6-10]。這些識別程序為工作人員提供了有力的輔助工具，對普通人群來說，可通過這些識別程序，快速便捷地獲得科普知識。

魚類識別程序適用于以下場景。

(1)對不了解的魚類，如在農貿市場上售賣的魚類，或在漁業資源調查中捕獲、垂釣到的魚類進行識別，可了解其名稱、生活習性、分布位置和形態特征。

(2)對已知道俗名的魚類，想了解其更多的信息(學名、分類地位和生活習性等)。

(3)對俗名相同但外形不同的魚類進行探究和比較，了解其不同之處。

(4)對識別出來的魚類，希望通過分享功能，得到進一步確認，或者通過手機的分享功能，向公眾或好友傳播新發現，分享新知識。

2 識別軟件表現形式

當前，手機識別應用軟件有多種表現形式，傳統上使用手機應用程序，也就是俗稱的手機APP[11]。手機APP的特點是開發時間較長、功能較豐富，但成本也較高。隨著微信的興起，微信為了統一入口，推出了小程序功能，由于微信的使用人數眾多，因此，基于微信小程序的識別軟件也逐漸流行起來[12-13]。兩者之間的比較如表1所示。

表1 手機APP和微信小程序的對比

針對魚類識別的使用場景，選擇微信小程序的形式，比較符合魚類識別這種一次性、偶發性和隨用隨走的應用場景。

3 識別軟件設計

魚類識別小程序的設計可以分為前端和后端兩個部分。前端使用微信小程序，呈現各種功能頁面并接受用戶輸入(圖1)，后端在服務器上運行，對前端傳遞過來的交互信息進行響應，執行具體的功能，如調用識別腳本、讀取數據庫信息等，并返回相應的結果(圖2)。

圖1 前端功能框架

圖2 后端功能框架

3.1 前端功能模塊

(1)識別功能。識別功能是核心功能，用戶通過調用手機攝像頭，或者通過讀取相冊里的圖片，上傳給服務器進行識別。識別的結果包括學名、中文名、俗名、形態特征、地理分布、生活習性等信息。

(2)魚類搜索。用戶可以通過搜索魚類的學名或俗名，得到相應魚類的具體信息。

(3)一句話提示。在程序的起始頁隨機展示魚類的清晰大圖，并配有一句話提示，激發用戶的好奇心和求知欲，增強用戶黏性。

(4)識別記錄。記錄用戶的每一次識別，并可將識別記錄分享出去。

(5)小程序助手。如果有不了解的魚類，用戶可借助微信小程序的助手功能，邀請魚類鑒定專家輔助鑒定。

(6)分享轉發。分享轉發識別出來的結果，請好友幫忙核對結果，或分享新知識。

3.2 后端功能模塊

(1)魚類識別腳本調用。對上傳過來的圖片進行識別腳本調用，利用卷積神經網絡技術，將圖片的卷積結果與識別模型相比對，得到屬于某個物種的概率值，該物種在魚類數據庫中有一個唯一的標識(identification，ID)，每個ID對應一種魚類。

(2)數據庫讀取。設計魚類信息數據庫，根據腳本識別出來的物種ID，在魚類數據庫中讀取屬于該ID的其他字段，從而得到對應魚類的詳細信息。開發人員需提前在數據庫中填好魚類各字段的具體信息。

(3)識別日志。記錄圖片的識別結果，如上傳圖片時間、識別結果、識別耗時等。

(4)統計分析。對識別結果進行統計分析，可給出目標時間段內識別接口的調用情況和識別概率，為有針對性地調整識別參數提供數據支撐。

4 魚類數據庫設計

魚類數據庫用于對可識別的魚類信息進行統一管理。根據軟件的使用場景，確定了魚類數據庫的收錄標準：①較為常見；②在我國出版的魚類圖譜、圖志中被收錄過；③魚類的信息和圖片較易采集。經反復篩選，共收入魚類1 400種，這也是識別小程序所能識別的上限。

在魚類識別數據庫中，設計了可展示字段，并根據字段收集整理了魚類的關鍵信息，如學名、中文名、俗名、分類地位、形態特征和生活習性等，制作成魚類數據庫。

魚類識別數據庫的結構如表2所示。

表2 魚類信息數據表

5 識別小程序的實現

識別小程序由2個頁面組成，首頁是“識別”頁(圖3)，通過隨機展示一張魚類的清晰大圖和一句話知識，引發用戶的好奇心，用戶可直接點擊該圖片進行識別，也可通過拍照或從相冊中選擇圖片進行識別，識別結果如圖4所示。

圖3 識別頁

圖4 識別結果頁

第2個頁面(圖5)是“我的”頁，主要提供了除識別外的其他重要功能，如識別記錄、識別貝類的跳轉鏈接、識別蝦蟹的跳轉鏈接、聯系我們、分享轉發和關于等，識別記錄頁面如圖6所示。

圖5 “我的”頁

圖6 識別記錄頁

通過這些菜單，用戶可以查看自己的識別記錄，也可以跳轉到對貝類和蝦蟹類的識別。“聯系我們”提供了微信小程序助手的功能，可以通過這個功能聯系魚類鑒定專家，從而得到更好的鑒別服務。“關于”則提供了該軟件的開發信息。

6 結束語

魚類識別小程序的開發，緊密切合了需要對魚類進行識別的典型場景，抓住了用戶的核心需求，并且通過生動活潑的界面設計，實現了其核心功能。

魚類小程序的識別結果比較準確，在驗證集上的測試，準確率可達95%以上，在生活中經過多次的實物測試，準確率也達到90%以上，較好地實現了產品的需求，在魚類知識普及中具有一定的作用，也可為手機識別程序的開發者提供有益的借鑒。