韓濤，詹煒

（長(zhǎng)江大學(xué)，湖北 荊州 434023)

0 引言

番茄作物作為我國(guó)重要的經(jīng)濟(jì)農(nóng)作物之一，隨著番茄作物在我國(guó)種植面積的不斷擴(kuò)大，番茄作物的病蟲害問(wèn)題也日益突出。番茄病蟲害的暴發(fā)，會(huì)導(dǎo)致番茄的產(chǎn)量和質(zhì)量的嚴(yán)重下降，從而給整個(gè)農(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)帶來(lái)不小的影響。因此，番茄病蟲害的檢測(cè)和識(shí)別對(duì)于防治番茄病蟲害尤為重要。目前，人為識(shí)別番茄病蟲害存在準(zhǔn)確率低、效率低、成本高等問(wèn)題，無(wú)法廣泛應(yīng)用于大面積的番茄作物區(qū)域，而且由于人為的錯(cuò)誤識(shí)別可能會(huì)使用錯(cuò)誤的防治策略，進(jìn)而影響番茄作物的產(chǎn)量和質(zhì)量，從而對(duì)當(dāng)?shù)氐霓r(nóng)業(yè)經(jīng)濟(jì)造成不可挽回的損失。

隨著計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)的快速發(fā)展和人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，在農(nóng)業(yè)病蟲害防治領(lǐng)域中，為通過(guò)使用計(jì)算機(jī)視覺圖像識(shí)別技術(shù)來(lái)加強(qiáng)對(duì)農(nóng)作物病蟲害的識(shí)別和病蟲害的及時(shí)預(yù)警和預(yù)防，提供了有力的技術(shù)和理論支持[1]。基于圖像處理的病蟲害識(shí)別方法已經(jīng)被運(yùn)用于其他農(nóng)業(yè)病蟲害識(shí)別領(lǐng)域當(dāng)中，例如水稻病蟲害識(shí)別[2-3]、玉米病蟲害識(shí)別[4-5]等。李子茂等人[6]提出了一種基于DenseNet的茶葉病害識(shí)別方法，該方法對(duì)5種常見的茶葉病害類別進(jìn)行了識(shí)別，最終DenseNet 模型識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了92.66%。劉君等人[7]提出了一種基于YOLO 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的番茄病蟲害識(shí)別方法，該方法對(duì)8種常見的番茄病蟲害進(jìn)行了檢測(cè)和識(shí)別，最終訓(xùn)練得到的YOLO 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)番茄病蟲害的平均檢測(cè)精度達(dá)到了85.09%。上述所提到的方法，都只對(duì)病蟲害進(jìn)行了識(shí)別和分類，但是并沒(méi)有對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所學(xué)習(xí)到的圖像特征進(jìn)行顯示，從而缺乏不同類別病蟲害圖像特征的可視化佐證，也就無(wú)法判斷神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型是否正確地學(xué)習(xí)到了各類病蟲害的圖像特征。基于此，本文提出了使用ResNet[8]卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型來(lái)完成對(duì)番茄病蟲害的識(shí)別和分類任務(wù)，并通過(guò)加入Grad-CAM 算法[9]，對(duì)訓(xùn)練完成的ResNet 卷積網(wǎng)絡(luò)模型所學(xué)習(xí)到的番茄病蟲害的圖像特征進(jìn)行了可視化的顯示。

1 材料和方法

1.1 數(shù)據(jù)集獲取及數(shù)據(jù)集預(yù)處理

在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，所使用的番茄病蟲害數(shù)據(jù)集總共包括7 073張JPG格式的圖像數(shù)據(jù)。所有圖像的分辨率為256×256（像素）, 經(jīng)過(guò)農(nóng)業(yè)領(lǐng)域?qū)I(yè)研究人員的仔細(xì)辨認(rèn)和分類，整個(gè)番茄病蟲害數(shù)據(jù)集總共包括菌斑病、早疫病、晚疫病、葉霉病、白粉病、斑枯病、二斑葉螨病、斑點(diǎn)病、番茄病毒病、番茄黃化曲葉病毒病及健康番茄葉這11種類別。每種番茄病蟲害類別的圖像數(shù)據(jù)約為614張，數(shù)據(jù)集示例如圖1所示。

圖1 番茄病蟲害類別

非專業(yè)人員，很難從圖1 中分辨出不同類別的番茄病蟲害。例如，二斑葉螨病、斑點(diǎn)病、番茄病毒病這3種番茄病蟲害的區(qū)分度并不是很高，非常容易誤判。

為了使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練的過(guò)程中具有更好的準(zhǔn)確性、魯棒性和泛化能力，以適應(yīng)于不同復(fù)雜情況，需要對(duì)番茄病蟲害的數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理操作。數(shù)據(jù)集預(yù)處理過(guò)程中，主要使用的是數(shù)據(jù)增強(qiáng)操作，具體方式包括：1) 隨機(jī)裁剪，按照原始圖像大小的90%進(jìn)行裁剪作為輸入；2) 隨機(jī)旋轉(zhuǎn)：將原始圖像旋轉(zhuǎn)45°、90°和135°作為輸入；3) 高斯模糊，對(duì)數(shù)據(jù)集中的一部分圖像進(jìn)行高斯模糊，得到相對(duì)模糊的圖像作為輸入。

1.2 方法

傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型如VGG[10]，只能通過(guò)堆疊網(wǎng)絡(luò)層數(shù)來(lái)提高網(wǎng)絡(luò)模型的識(shí)別精度，然而隨著網(wǎng)絡(luò)模型層數(shù)的不斷增加，網(wǎng)絡(luò)模型會(huì)發(fā)生退化的現(xiàn)象，即淺層網(wǎng)絡(luò)模型的精度會(huì)比深層網(wǎng)絡(luò)的精度要高，而更深層的卷積網(wǎng)絡(luò)模型不僅在準(zhǔn)確率上低于淺層模型，而且模型訓(xùn)練時(shí)間更長(zhǎng)、模型參數(shù)量更多。因此，為了解決傳統(tǒng)卷積網(wǎng)絡(luò)所帶來(lái)的上述問(wèn)題，Kaiming He 團(tuán)隊(duì)于2016 年首次提出了ResNet 殘差網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以很好地解決網(wǎng)絡(luò)退化、難以訓(xùn)練等問(wèn)題，而且可以使得整個(gè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)更加輕量化。ResNet 網(wǎng)絡(luò)模型分為3種常見的結(jié)構(gòu)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的大小進(jìn)行命名，分別為ResNet34、ResNet50 和ResNet101。本文使用的是ResNet50 網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，因?yàn)镽esNet50在保證一定的模型深度的同時(shí)，模型大小和參數(shù)量也不會(huì)太大，具有可移植性。

整個(gè)ResNet50卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 ResNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在整個(gè)ResNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)中有2 個(gè)重要的ResNet 殘差結(jié)構(gòu)，分別為Res_1 和Res_2。Res_1 和Res_2 殘差結(jié)構(gòu)都由2個(gè)分支構(gòu)成。如圖2所示，Res_1 殘差結(jié)構(gòu)的一個(gè)分支由3 個(gè)conv卷積網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，另一個(gè)分支則直接是輸入的特征圖大小，最后兩個(gè)分支的輸出位置進(jìn)行一個(gè)相加的連接操作。而Res_2 殘差模塊的兩個(gè)分支都由conv 卷積網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，只是數(shù)量有所不同，一個(gè)分支由3個(gè)卷積層構(gòu)成，另一分支則只有一個(gè)卷積層構(gòu)成，最后2 個(gè)分支將各自提取的特征同樣進(jìn)行相加的連接操作。Res_1和Res_2 兩個(gè)殘差結(jié)構(gòu)的作用是對(duì)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中的低尺度特征圖和高尺度特征圖進(jìn)行不同方式的融合，使得整個(gè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在增加層數(shù)的過(guò)程中不會(huì)丟失對(duì)低層次特征的感知能力，從而在一定程度上學(xué)習(xí)到全局性特征。

所有的ResNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型都分為4 個(gè)stage(x 表示數(shù)量），只是不同層數(shù)的ResNet 網(wǎng)絡(luò)模型的每個(gè)stage 所包含的Res_1 和Res_2殘差模型的數(shù)量有所不同。其中，每個(gè)stage都由Res_1和Res_2這兩種殘差結(jié)構(gòu)所構(gòu)成。

1.3 實(shí)驗(yàn)環(huán)境和參數(shù)設(shè)置

硬件實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置信息包括：CPU Intel Core i9-12900k；內(nèi)存32 GB；顯卡RTX 4090，顯存24 GB。軟件實(shí)驗(yàn)環(huán)境配置信息如下：Ubuntu 22.04；Python 3.8；Pycharm 2022.3；Pytorch 1.13.0，CUDA 11.7。在訓(xùn)練過(guò)程中，訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測(cè)試集按照7:2:1的比例進(jìn)行劃分，并將圖片輸入網(wǎng)絡(luò)模型的尺寸大小設(shè)置為224×224（像素），優(yōu)化器設(shè)置為SGD，動(dòng)量因子設(shè)置為0.9，批次大小設(shè)置為32，迭代次數(shù)epoch設(shè)置為500。

番茄病蟲害的識(shí)別在計(jì)算機(jī)圖像處理領(lǐng)域?qū)儆谝粋€(gè)分類任務(wù)，為了得到較好的分類和檢測(cè)效果，采用SiLU作為ResNet 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的激活函數(shù)。SiLU函數(shù)是一個(gè)沒(méi)有上界，有下界的一個(gè)平滑曲線函數(shù)，在一定程度上可以避免網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練過(guò)程中出現(xiàn)的過(guò)擬合問(wèn)題，同時(shí)曲線的平滑更有利于訓(xùn)練過(guò)程的收斂。SiLU激活函數(shù)如公式(1)所示：

Sigmoid函數(shù)由下列公式定義：

Sigmoid具有平滑易于求導(dǎo)的優(yōu)點(diǎn)，適用于計(jì)算機(jī)圖像處理領(lǐng)域中的分類任務(wù)。

1.4 評(píng)價(jià)指標(biāo)

為了量化ResNet 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于番茄病蟲害識(shí)別和分類的實(shí)際效果，需要選擇能夠評(píng)價(jià)訓(xùn)練完成的ResNet 模型的模型評(píng)價(jià)指標(biāo)。模型評(píng)價(jià)指標(biāo)選擇平均精度均值(mAP)、模型大小(Model size)、參數(shù)量(Parameters)和浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)(FLOPs)。平均精度均值mAP 能夠描述網(wǎng)絡(luò)模型的平均檢測(cè)精度；模型大小，能夠體現(xiàn)模型所占磁盤空間大小，是評(píng)價(jià)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)模型是否能夠移植其他平臺(tái)的重要指標(biāo)；參數(shù)量是衡量網(wǎng)絡(luò)模型復(fù)雜度的一個(gè)重要指標(biāo)；浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練過(guò)程中需要的具體計(jì)算量，也是衡量網(wǎng)絡(luò)模型復(fù)雜度的一個(gè)重要參數(shù)。平均精度值均值是體現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)模型檢測(cè)效果的重要指標(biāo)，見公式(3),其中c為數(shù)據(jù)集類別數(shù)量。

AP 是對(duì)P-R(Precision-Recall) 曲線的精度值求均值,見公式(4),其中Psmooth( )r代表進(jìn)行了平滑操作過(guò)后的P-R曲線。

2 結(jié)果與分析

使用ResNet50 網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)番茄病蟲害數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和驗(yàn)證，圖3展示了ResNet50網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練500 個(gè)epoch 過(guò)程中的平均精度值mAP 曲線和loss 曲線變化的過(guò)程。從曲線圖中可以看出，ResNet50網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練的過(guò)程中，平均精度均值mAP和loss上升和下降都很快，最后都趨于平緩。

圖3 ResNet模型的mAP 和loss曲線

在表1 展示了ResNet 網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練過(guò)程中的一些評(píng)價(jià)指標(biāo)。從表1可以看出，ResNet 網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于11種不同類別的番茄病蟲害的識(shí)別準(zhǔn)確率達(dá)到了94.54%，而且模型大小和計(jì)算規(guī)模只有11.114M 和4.109G FLOPs。

表1 ResNet模型評(píng)價(jià)指標(biāo)

只通過(guò)ResNet網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練曲線，并不能夠具象化地體現(xiàn)該網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于11種不同番茄病蟲害圖像特征的提取效果，因?yàn)橛?xùn)練的準(zhǔn)確率曲線并不能對(duì)ResNet 網(wǎng)絡(luò)模型所學(xué)習(xí)到的特征圖做出可解釋性的判斷。

Grad-CAM算法由RR Selvaraju等人提出，該算法可以通過(guò)熱力圖的形式，將訓(xùn)練得到的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所學(xué)習(xí)到的特征圖像進(jìn)行具象化的顯示，從而得到可解釋的卷積網(wǎng)絡(luò)模型圖像特征圖。如圖4所示，通過(guò)Grad-CAM 算法，展示了ResNet 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在訓(xùn)練的過(guò)程中，學(xué)習(xí)到的11種不同類型番茄病蟲害圖像特征的熱力圖和原圖像的結(jié)果對(duì)比圖。

從圖4 中可以看出，RseNet 卷積神經(jīng)網(wǎng)路模型在訓(xùn)練的過(guò)程中，該模型學(xué)習(xí)到的不同類型的番茄病蟲害的圖像特征有著較大的區(qū)別。從Gard-CAM 算法所得到的特征圖可以看出，對(duì)于二斑葉螨病、斑點(diǎn)病、番茄病毒病這3 種相似度非常高的病蟲害，ResNet50網(wǎng)絡(luò)模型確實(shí)學(xué)習(xí)到了這3 種番茄病蟲害的不同之處，并對(duì)這3種病蟲害進(jìn)行了區(qū)分。

3 總結(jié)與討論

目前對(duì)于番茄病蟲害識(shí)別的方法主要是以人工識(shí)別為主，針對(duì)人工識(shí)別番茄病蟲害所帶來(lái)的準(zhǔn)確度低、成本高、檢測(cè)慢等問(wèn)題，本文使用計(jì)算機(jī)視覺和深度學(xué)習(xí)技術(shù)，提出了使用ResNet卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型完成對(duì)常見的11種番茄病蟲害的識(shí)別和分類。在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中，主要研究和分析了ResNet網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)番茄病蟲害的識(shí)別和分類的精度問(wèn)題，并且對(duì)ResNet網(wǎng)絡(luò)模型的平均精度均值mAP、模型大小、參數(shù)量和浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示了ResNet 網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)于番茄病蟲害有著很高的識(shí)別準(zhǔn)確率，平均精度均值達(dá)到了94.54%。

本研究提出了一種使用ResNet 網(wǎng)絡(luò)模型識(shí)別番茄病蟲害的新方法，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)對(duì)該方法的可行性進(jìn)行了論證。在今后的研究中，嘗試改進(jìn)ResNet網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)使其能夠涵蓋更多種類的病蟲害識(shí)別任務(wù)，并將輕量化的ResNet模型移植部署到可移動(dòng)設(shè)備當(dāng)中，以實(shí)現(xiàn)對(duì)番茄作物種植園病蟲害的實(shí)時(shí)檢測(cè)和預(yù)警。