一種改進(jìn)殘差網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)田識別算法

邵霆嘯，孟海濤，趙博文

（1.鹽城工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院；2.鹽城工學(xué)院 信息工程學(xué)院，江蘇 鹽城 224002）

0 引言

為實(shí)現(xiàn)對農(nóng)田的有效識別［1］，需要采用圖像分割方法。根據(jù)是否引入深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，可分為傳統(tǒng)圖像分割方法以及基于深度學(xué)習(xí)的圖像分割方法。傳統(tǒng)圖像分割方法主要包括基于閾值的圖像分割方法［2］、基于邊緣的圖像分割方法［3］、基于區(qū)域的圖像分割方法［4］、基于聚類的圖像分割方法［5］、基于圖論的分割方法［6］等；基于深度學(xué)習(xí)的圖像分割方法包括語義分割、全連接網(wǎng)絡(luò)等［7］。在傳統(tǒng)圖像分割領(lǐng)域，唐晶磊等［8］利用基于模糊聚類的圖像分割方法對農(nóng)田對象（主要針對植物類型和土壤類型）進(jìn)行識別，識別率可分別達(dá)到92.5%和95.6%，但是無法確定識別的對象是否處于農(nóng)田之中；陳伊哲等［9］采用基于邊緣和基于區(qū)域的兩種圖像分割方法對農(nóng)田圖像進(jìn)行實(shí)驗處理，結(jié)果表明，采用微分算子的圖像分割算法可以有效地對農(nóng)田邊界進(jìn)行識別，但存在放大噪聲的干擾。在基于深度學(xué)習(xí)的圖像分割領(lǐng)域，楊亞男等［10］將全連接網(wǎng)絡(luò)FCN-8s 模型與DenseCRF 模型相結(jié)合應(yīng)用于梯田識別，實(shí)驗結(jié)果表明，該方法對于山脊區(qū)梯田、密集區(qū)梯田以及不規(guī)則形狀梯田的識別率為86.85%，識別精度有待提高。

針對上述存在的識別區(qū)域不明顯及識別精度不高等問題，本文提出一種改進(jìn)的ResNet 農(nóng)田識別方法，提升了模型識別精度，實(shí)現(xiàn)了對農(nóng)田的高效識別。

1 本文網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1.1 基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)選取

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)已被廣泛應(yīng)用于圖像分類、目標(biāo)檢測等領(lǐng)域。He 等［11］在2015 年提出殘差網(wǎng)絡(luò)的概念，殘差網(wǎng)絡(luò)是由一系列殘差塊構(gòu)成的。殘差塊結(jié)構(gòu)［12］如圖1所示。

殘差塊的核心思想是“shortcut connection”［13］，即為捷徑連接的方式。ResNet 殘差塊經(jīng)過跨層連接操作［14］之后，假設(shè)H（x）是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出，則變成了對F（x）=H（x）-x殘差函數(shù)的學(xué)習(xí)與優(yōu)化，從而有效避免了梯度爆炸或梯度消失現(xiàn)象，且在反向傳播過程中會一直保持一個較大的值，以方便優(yōu)化，可達(dá)到更好的分類識別效果。

Fig.1 Residual block structure圖1 殘差塊結(jié)構(gòu)

在ResNet 系列中，ResNet18 擁有較少的參數(shù)。考慮到模型的性能，本文選取ResNet18［15］作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)模型。ResNet18模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 ResNet18 model structure圖2 ResNet18模型結(jié)構(gòu)

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1.2.1 注意力機(jī)制

本文為模型引入通道注意力機(jī)制［16］，該注意力機(jī)制可調(diào)整每個通道的權(quán)重，幫助模型捕獲到對識別任務(wù)更有幫助的語義信息，增強(qiáng)有用信息，降低噪聲等干擾元素的權(quán)重，減弱其對模型識別的負(fù)面影響，增強(qiáng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力，最終達(dá)到提高模型識別性能的目的。通道注意力機(jī)制單元結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Fig.3 Channel attention mechanism unit structure圖3 通道注意力機(jī)制單元結(jié)構(gòu)

如圖3 所示，輸入一個特征層X，其通道數(shù)為C1，經(jīng)過注意力機(jī)制后得到一個通道數(shù)為C2的特征層U，其中只有特征圖之間的權(quán)重比發(fā)生了變化，激勵了有用的特征通道。與傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同，需要通過以下3 個操作［17］重新標(biāo)定前面得到的特征，步驟如下：

（1）第一步為擠壓（Fsq）操作，通過全局平均池化算法（Global Avg Pooling）將W × H × C2的輸入轉(zhuǎn)化為1 × 1 × C2的輸出。

（2）第二步為激勵（Feq）操作，即在上一步得到的全局信息中插入一個全連接層接上ReLu 激活函數(shù)，以及一個全連接層接上Sigmoid 函數(shù)。這兩個全連接層的作用就是對各個通道的特征圖信息進(jìn)行融合，最后進(jìn)入到Sigmoid函數(shù)，將輸出映射到0～1 之間，給每個通道分別生成不同的權(quán)值。

（3）第三步為縮放（Fscale）操作，將第二步中得到的權(quán)值與原特征層U 相乘，最后得到新的帶有注意力機(jī)制的特征層X1。

1.2.2 Silu激活函數(shù)

本文提出一種新的激活函數(shù)Silu（Sigmoid Weighted Liner Unit）代替基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)模型中的Relu 激活函數(shù)。Silu 及其一階導(dǎo)數(shù)的計算公式如下：

如圖4 所示（彩圖掃OSID 碼可見，下同），當(dāng)輸入值大于0 時，Silu 與Relu 激活函數(shù)大致相等。如圖5 所示，與Relu 激活函數(shù)不同的地方在于，Silu 激活函數(shù)并不是單調(diào)增加的，而是具有平滑、非單調(diào)的特性，具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性，可以提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能。與Relu 相比，對Silu 激活函數(shù)求導(dǎo)后，導(dǎo)數(shù)為0 的全局最小值在權(quán)重上可起到“軟調(diào)節(jié)”的作用，可以抑制大權(quán)值的更新［18］，從而有效避免梯度爆炸或梯度消失現(xiàn)象。

Fig.4 Relu and Silu activation function圖4 Relu與Silu激活函數(shù)

Fig.5 Relu and Silu first -order guide圖5 Relu與Silu一階導(dǎo)數(shù)

1.3 改進(jìn)的殘差網(wǎng)絡(luò)

圖6 顯示了原始?xì)埐顗K細(xì)節(jié)和改進(jìn)殘差塊細(xì)節(jié)，其中Conv1d 表示卷積層，BN 表示加速網(wǎng)絡(luò)收斂速度的批處理歸一化，“+”是求和運(yùn)算。

Fig.6 Primitive residual block and improved residual block details圖6 原始?xì)埐顗K與改進(jìn)殘差塊細(xì)節(jié)

圖6（a）顯示了原始?xì)埐顗K細(xì)節(jié)，圖6（b）顯示了本文改進(jìn)之后的殘差塊細(xì)節(jié)。改進(jìn)主要包含兩方面：一是加入注意力機(jī)制；二是將殘差網(wǎng)絡(luò)中的Relu 激活函數(shù)替換為Silu激活函數(shù)。

1.4 模型整體架構(gòu)

本文所改進(jìn)的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型以ResNet18 為基礎(chǔ)，引入通道注意力機(jī)制，并且將原網(wǎng)絡(luò)模型中的Relu 激活函數(shù)替換為Silu激活函數(shù)。改進(jìn)模型整體架構(gòu)如圖7所示。

1.5 標(biāo)簽平滑

本文采用標(biāo)簽平滑的交叉熵函數(shù)［19］，其曲線平滑，易于求導(dǎo)且梯度穩(wěn)定，使網(wǎng)絡(luò)具有更好的泛化性，避免了對正確標(biāo)簽的過度相信，能有效提高圖像分類識別的準(zhǔn)確性。具體公式如下：

其中，h表示具體任務(wù)中的分類數(shù)，y表示h類別組成的h維矩陣，ε表示平滑因子，y′表示標(biāo)簽平滑后的h類別組成的h維矩陣。

1.6 學(xué)習(xí)率余弦退火衰減

要優(yōu)化深度學(xué)習(xí)模型的收斂效果，可以使用梯度下降算法，根據(jù)epoch 的不斷變化來調(diào)整學(xué)習(xí)率，從而達(dá)到優(yōu)化損失函數(shù)的目的。Hutter 等提出帶熱重啟的隨機(jī)梯度下降算 法（Stochastic GradientDescent with warm Restarts，SGDR）［20］，以一種周期性調(diào)整學(xué)習(xí)率的方法，周期性地增大學(xué)習(xí)率，以達(dá)到學(xué)習(xí)率跳躍式增加，實(shí)現(xiàn)由局部最優(yōu)解到達(dá)全局最優(yōu)解的目的。本文使用PyTorch 框架下的余弦退火衰減算法［21］，使學(xué)習(xí)率根據(jù)余弦函數(shù)的特點(diǎn)進(jìn)行周期性變化。本文設(shè)置的初始最小學(xué)習(xí)率為0.005，當(dāng)總epoch為50時，學(xué)習(xí)率變化曲線如圖8所示。

Fig.7 Overall architecture of the proposed model圖7 改進(jìn)模型整體架構(gòu)

Fig.8 Learning rate changing curve圖8 學(xué)習(xí)率變化曲線

2 實(shí)驗平臺及數(shù)據(jù)集

2.1 實(shí)驗平臺

本實(shí)驗以PyTorch 深度學(xué)習(xí)框架為平臺，計算機(jī)操作系統(tǒng)為Windows 10，CPU 為AMD Ryzen 51500X@3.50GHz×4CPUs，GPU 為NVIDIA 2080Ti，CUDA 版本為10.1，Python版本為3.7，PyTorch 版本為1.7.0。

2.2 數(shù)據(jù)集

圖像數(shù)據(jù)集源于武漢大學(xué)和華中科技大學(xué)公開的數(shù)據(jù)集AID［22］，分為農(nóng)田、建筑、裸地、草地、荒漠5 個類別（每類2 400 幅）共12 000 幅圖像。每類選取1 920 幅圖像作為訓(xùn)練集，剩余480幅作為測試集。

2.3 評價指標(biāo)

取每個類別的識別準(zhǔn)確率（Accuracy）作為評價指標(biāo)，通過計算每個類別的識別正確數(shù)量占該類別總數(shù)量的比率，得到每類圖片的識別準(zhǔn)確率，可表示為：

3 實(shí)驗與結(jié)果分析

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練中，參數(shù)設(shè)置會直接影響算法的最終檢測效果。本文通過將ResNet18、AlexNet、VGG16 進(jìn)行對比，以證明ResNet18 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性。因此，采用ResNet18 作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行圖像的分類識別。然后對基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)，分別使用不同的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練策略，共完成5 組實(shí)驗。第一組添加了注意力機(jī)制（ResNet18+Se），第二組采用Silu 激活函數(shù)（ResNet18+Silu），第三組采用標(biāo)簽平滑的訓(xùn)練方式（ResNet18+Lsr），第四組采用余弦退火學(xué)習(xí)率衰減算法（ResNet18+Cos），第五組將前四組的方法進(jìn)行綜合使用（ResNet18+Se+Silu+Lsr+Cos），batchsize 為16，共50 個epoch。訓(xùn)練的損失值曲線如圖9 所示，不同算法的準(zhǔn)確率曲線如圖10 所示，實(shí)驗結(jié)果如表1所示。

Fig.9 Loss curve圖9 損失值曲線

Fig.10 Accuracy curve圖10 準(zhǔn)確率曲線

Table 1 Experiment result表1 實(shí)驗結(jié)果

從表1 中可以發(fā)現(xiàn)，AlexNet 算法的準(zhǔn)確率為94.33%，VGG16 算法的準(zhǔn)確率為93.88%，ResNet18 算法的準(zhǔn)確率為95.12%，證明了ResNet18 算法優(yōu)于AlexNet 和VGG16。因此，本文選取ResNet18 作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)主干進(jìn)行改進(jìn)。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面，加入注意力機(jī)制后，ResNet18+Se 算法的準(zhǔn)確率為96.01%，上升了0.89%；結(jié)合Silu 激活函數(shù)，ResNet18+Silu 算法的準(zhǔn)確率為96.61%，上升了1.49%，表明更換了激活函數(shù)后，圖像分類識別的準(zhǔn)確率有明顯提升。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練策略方面，結(jié)合標(biāo)簽平滑，ResNet18+Lsr算法的準(zhǔn)確率為96.43%；結(jié)合余弦退火衰減學(xué)習(xí)率，ResNet18+Cos 算法的準(zhǔn)確率為98.27%。本文將以上算法進(jìn)行綜合，得到ResNet18+Se+Silu+Lsr+Cos 算法的準(zhǔn)確率為98.92%，上升了3.8%，證明了改進(jìn)算法的優(yōu)越性。

4 結(jié)語

本文基于ResNet18 網(wǎng)絡(luò)，提出一種改進(jìn)殘差網(wǎng)絡(luò)的圖像分類及農(nóng)田識別算法。在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)方面加入通道注意力機(jī)制，并且采用Silu 激活函數(shù)，提升了準(zhǔn)確率；在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練策略方面，加入標(biāo)簽平滑和余弦退火算法，使模型的收斂效果得到增強(qiáng)。實(shí)驗結(jié)果表明，在圖像分類及農(nóng)田識別任務(wù)中，該模型的準(zhǔn)確率達(dá)到98.92%，相比原殘差網(wǎng)絡(luò)（ResNet18）的準(zhǔn)確率提升了3.8%，能夠很好地完成任務(wù)，有效地為農(nóng)機(jī)自動化作業(yè)提供環(huán)境數(shù)據(jù)。