计算机科学与探索 ›› 2022, Vol. 16 ›› Issue (4): 917-926.DOI: 10.3778/j.issn.1673-9418.2010013
陆仲达1,+(), 张春达2, 张佳奇2, 王子菲2, 许军华2
收稿日期:
2020-10-09
修回日期:
2021-01-11
出版日期:
2022-04-01
发布日期:
2021-01-25
通讯作者:
+ E-mail: luzhongda@163.com作者简介:
陆仲达(1970—),男,黑龙江哈尔滨人,博士,教授,主要研究方向为模式识别与图像处理、机器人控制、非线性系统。基金资助:
LU Zhongda1,+(), ZHANG Chunda2, ZHANG Jiaqi2, WANG Zifei2, XU Junhua2
Received:
2020-10-09
Revised:
2021-01-11
Online:
2022-04-01
Published:
2021-01-25
About author:
LU Zhongda, born in 1970, Ph.D., professor. His research interests include pattern recognition and image processing, robot control and nonlinear system.Supported by:
摘要:
由于复杂背景环境和病斑相似性的影响,苹果叶部病害特征间存在细微的类间差异以及较大的类内差距,给苹果叶部病害识别造成极大困难。针对以上问题,提出了一种新型双分支网络的苹果叶部病害识别方法(DBNet)。DBNet的双分支网络结构由多尺度联合分支(MS)以及多维度注意力分支(DA)构成。首先多尺度联合分支通过不同类型卷积核和跨层连接融合不同尺度层级间的病害特征,用于缓解复杂背景环境带来的不利影响。同时多维度注意力分支通过融合宽、高、通道三个不同维度的注意力,使网络关注病斑间的微小差异,并随着网络层数的加深自动改变三个维度注意力所占比重,该分支用于缓解部分病斑相似性带来的不利影响。最终DBNet将双分支网络提取到的多尺度特征和多维度特征进行融合。并在苹果叶部病害数据集上,与AlexNet、VGG-16、ResNet-50、B-CNN等模型进行实验对比,结果显示所提方法能够有效地提升识别精度。
中图分类号:
陆仲达, 张春达, 张佳奇, 王子菲, 许军华. 双分支网络的苹果叶部病害识别[J]. 计算机科学与探索, 2022, 16(4): 917-926.
LU Zhongda, ZHANG Chunda, ZHANG Jiaqi, WANG Zifei, XU Junhua. Identification of Apple Leaf Disease Based on Dual Branch Network[J]. Journal of Frontiers of Computer Science and Technology, 2022, 16(4): 917-926.
苹果叶部病害 | 数据集 | 训练集 | 验证集 |
---|---|---|---|
花叶病 | 4 875 | 3 412 | 1 463 |
褐斑病 | 5 655 | 3 958 | 1 697 |
锈病 | 5 694 | 3 985 | 1 709 |
灰斑病 | 4 810 | 3 367 | 1 443 |
斑点落叶病 | 5 343 | 3 740 | 1 603 |
总计 | 26 377 | 18 462 | 7 915 |
表1 数据分布表
Table 1 Data distribution
苹果叶部病害 | 数据集 | 训练集 | 验证集 |
---|---|---|---|
花叶病 | 4 875 | 3 412 | 1 463 |
褐斑病 | 5 655 | 3 958 | 1 697 |
锈病 | 5 694 | 3 985 | 1 709 |
灰斑病 | 4 810 | 3 367 | 1 443 |
斑点落叶病 | 5 343 | 3 740 | 1 603 |
总计 | 26 377 | 18 462 | 7 915 |
实验环境配置项 | 参数值 |
---|---|
CPU | Intel®Xeon®Gold 6271C CPU @2.60 GHz |
显卡 | NVIDIA Tesla V100 GPU 32 GB |
内存 | 32 GB |
磁盘 | 100 GB |
深度学习框架 | PaddlePaddle 1.8.4 |
操作系统 | Ubuntu 16.04.1 LTS (64 bit) |
其他工具 | Python 3.7.1 CUDA10.1 |
表2 实验环境配置表
Table 2 Experiment environment
实验环境配置项 | 参数值 |
---|---|
CPU | Intel®Xeon®Gold 6271C CPU @2.60 GHz |
显卡 | NVIDIA Tesla V100 GPU 32 GB |
内存 | 32 GB |
磁盘 | 100 GB |
深度学习框架 | PaddlePaddle 1.8.4 |
操作系统 | Ubuntu 16.04.1 LTS (64 bit) |
其他工具 | Python 3.7.1 CUDA10.1 |
参数名称 | 参数值 |
---|---|
图像尺寸 | 224×224 |
批尺寸(batchsize) | 60 |
学习率(learning rate) | 0.001 |
训练周期(epoch) | 30 |
表3 实验参数表
Table 3 Experiment parameters
参数名称 | 参数值 |
---|---|
图像尺寸 | 224×224 |
批尺寸(batchsize) | 60 |
学习率(learning rate) | 0.001 |
训练周期(epoch) | 30 |
网络模型 | 准确率(Accuracy)/% |
---|---|
AlexNet | 86.898 |
VGG-16 | 92.255 |
ResNet-50 | 93.013 |
B-CNN | 94.542 |
DBNet | 97.662 |
表4 网络模型准确率
Table 4 Accuracy of network models
网络模型 | 准确率(Accuracy)/% |
---|---|
AlexNet | 86.898 |
VGG-16 | 92.255 |
ResNet-50 | 93.013 |
B-CNN | 94.542 |
DBNet | 97.662 |
网络模型 | 模型参数/106 | 浮点运算次数/109 | CPU预测时间/ms |
---|---|---|---|
AlexNet | 5.774 8 | 1.17 | 28 |
ResNet-50 | 23.518 3 | 8.19 | 179 |
VGG-16 | 138.357 6 | 30.84 | 501 |
B-CNN | 291.586 8 | 61.69 | 1 138 |
DBNet | 14.037 2 | 17.89 | 225 |
表5 网络复杂度
Table 5 Network complexity
网络模型 | 模型参数/106 | 浮点运算次数/109 | CPU预测时间/ms |
---|---|---|---|
AlexNet | 5.774 8 | 1.17 | 28 |
ResNet-50 | 23.518 3 | 8.19 | 179 |
VGG-16 | 138.357 6 | 30.84 | 501 |
B-CNN | 291.586 8 | 61.69 | 1 138 |
DBNet | 14.037 2 | 17.89 | 225 |
网络模型 | 准确率(Accuracy)/% |
---|---|
VGG | 92.255 |
VGG+空洞卷积 | 92.849 |
VGG+空洞卷积 | 93.126 |
VGG+空洞卷积 | 92.836 |
VGG+不对称卷积 | 93.493 |
VGG+空洞卷积 | 94.011 |
VGG+不对称卷积+空洞卷积 | 94.731 |
VGG+不对称卷积+空洞卷积 | 94.883 |
VGG+不对称卷积+空洞卷积 | 95.274 |
表6 MS消融实验
Table 6 MS ablation experiments
网络模型 | 准确率(Accuracy)/% |
---|---|
VGG | 92.255 |
VGG+空洞卷积 | 92.849 |
VGG+空洞卷积 | 93.126 |
VGG+空洞卷积 | 92.836 |
VGG+不对称卷积 | 93.493 |
VGG+空洞卷积 | 94.011 |
VGG+不对称卷积+空洞卷积 | 94.731 |
VGG+不对称卷积+空洞卷积 | 94.883 |
VGG+不对称卷积+空洞卷积 | 95.274 |
苹果叶部病害 | VGG+VGG | VGG+MS | VGG+DA | MS+DA |
---|---|---|---|---|
花叶病 | 99.658 | 100.000 | 100.000 | 100.000 |
褐斑病 | 96.994 | 98.055 | 98.232 | 98.939 |
锈病 | 93.680 | 94.499 | 94.675 | 95.846 |
灰斑病 | 95.357 | 95.564 | 97.228 | 97.643 |
斑点落叶病 | 93.637 | 94.448 | 95.757 | 97.005 |
五种苹果叶部病害 | 94.049 | 96.058 | 96.791 | 97.662 |
表7 消融实验
Table 7 Ablation experiments %
苹果叶部病害 | VGG+VGG | VGG+MS | VGG+DA | MS+DA |
---|---|---|---|---|
花叶病 | 99.658 | 100.000 | 100.000 | 100.000 |
褐斑病 | 96.994 | 98.055 | 98.232 | 98.939 |
锈病 | 93.680 | 94.499 | 94.675 | 95.846 |
灰斑病 | 95.357 | 95.564 | 97.228 | 97.643 |
斑点落叶病 | 93.637 | 94.448 | 95.757 | 97.005 |
五种苹果叶部病害 | 94.049 | 96.058 | 96.791 | 97.662 |
网络模型 | 准确率(Accuracy)/% |
---|---|
文献[ | 94.819 |
文献[ | 95.250 |
文献[ | 96.222 |
文献[ | 96.412 |
DBNet | 97.662 |
表8 模型对比实验
Table 8 Contrast experiment of models
网络模型 | 准确率(Accuracy)/% |
---|---|
文献[ | 94.819 |
文献[ | 95.250 |
文献[ | 96.222 |
文献[ | 96.412 |
DBNet | 97.662 |
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