摘 要：番茄葉發(fā)生較為普遍，現(xiàn)有的檢測手段存在檢測效率和準確性不高的問題。因此，利用深度學習技術對番茄葉進行診斷意義重大。近年來，以卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（CNN）為代表的作物病害診斷方法憑借較強的特征抽取能力，已成為作物病害診斷的一種重要手段。為了解決傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型規(guī)模大、訓練時間長的問題，擬基于MobileNetV3網(wǎng)絡模型，通過模型壓縮、模型結構和損耗函數(shù)的改進，以及訓練參數(shù)的優(yōu)化，實現(xiàn)基于MobileNetV3的網(wǎng)絡模型。試驗證明，在測試用例上，提出的方法能有效地提高識別率，減少運算量。同時，該方法能夠提高系統(tǒng)的識別率。

關鍵詞：番茄葉片病害識別；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡；遷移學習；MobileNetV3

中圖分類號：S436.412 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）07–00-03

近年來，由于計算機技術的快速發(fā)展，基于深度學習的計算機視覺研究得到了長足的發(fā)展。作為一種常見的深度網(wǎng)絡，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡在圖像、視頻等方面有著廣泛的應用。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡是一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的對象檢測方法，它是一種模仿人眼視覺的方法，可以實現(xiàn)對物體的特征提取與分類[1]。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡是一種高效的特征抽取方法，可以從圖像中有效地獲取關鍵信息，并對其進行自動分類。

1 研究方法

以MobileNetV3為研究對象，在此基礎上，對其模型進行了壓縮與完善。MobileNetV3網(wǎng)絡由卷積層、池化層和完全連通層三部分構成[2]。第二層卷積由2個1×2卷積和1個3×3卷積構成，用于提取圖像的特征。其中，完全連通層為6×6卷積網(wǎng)絡，可以對標記進行預測。最后的完全連通層是3×3卷積和2×3×3卷積，實現(xiàn)標記信息的輸出。當前，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡存在對圖像進行標準化處理的問題，即首先對圖像進行歸一化處理，然后對其進行反卷積運算，獲得相應的特征信息，最后由完整連通層輸出。但其具有數(shù)據(jù)規(guī)模龐大、運算量大的不足。

為了降低計算復雜度，利用SGD算法優(yōu)化了移動網(wǎng)絡V3模型的參數(shù)。SGD是一種基于Sigmoid函數(shù)的快速迭代算法，可以調節(jié)梯度遞減學習速率。Sigmoid由于是一個指數(shù)型的，可以很好地解決梯度下降法中容易陷入局部極小的問題。

1.1 模型壓縮

MobileNetV3模型使用的是卷積運算，而卷積運算的權重固定不變，若將其直接用于小樣本的訓練，極易造成網(wǎng)絡過擬合，從而影響預測精度。因此，網(wǎng)絡模型的壓縮顯得尤為重要。在對網(wǎng)絡進行壓縮時，首先確定網(wǎng)絡的權重，然后調整各單元的權值，最后利用SGD算法優(yōu)化各單元的權值。在樣本較少的情況下，可以將訓練集劃分為若干子集。試驗結果表明，該方法的預測精度較原預測方法提高了4%，所以選擇了最優(yōu)模型為基本模型。

1.2 改進的輕量級卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型

傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的參數(shù)選擇主要依賴于訓練誤差[3]。針對此問題，本研究提出一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的新型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡方法，通過以下幾個方面的研究：（1）將卷積核轉化為1×4卷積核，省去了解卷積的步驟；（2）對卷積核進行縮放運算；（3）采用LeakyRe LU替代ReLU，使得該算法更輕量化。

試驗結果顯示：（1）該方法在應用于番茄葉數(shù)據(jù)集時，其運算速度比原有的MobileNetV3模型快3倍以上，并且在檢測速度上有較大的提升。（2）該方法的識別準確率明顯高于原有方法；在參數(shù)個數(shù)上，該算法相當于原算法的1/3，從而大幅度降低了參數(shù)個數(shù)。（3）該方法能有效提高檢測的速度。（4）該方法在應用于番茄葉分類識別方面有較大的優(yōu)越性。（5）采用輕量化的網(wǎng)絡結構LMN，降低模型的參數(shù)個數(shù)，提高模型的執(zhí)行效率。（6）該方法利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡中的3×3卷積核代替?zhèn)鹘y(tǒng)的2×2卷積核，既能保證計算精度，又能適應輕量化的網(wǎng)絡結構[4]。

2 數(shù)據(jù)集的準備

為了驗證該方法在番茄葉診斷中的有效性，擬采用已公布的番茄葉部疾病數(shù)據(jù)庫（VTDCD），對該模型進行訓練與檢驗。試驗過程中，收集了18幅番茄葉片病害和1幅非番茄葉片病害的影像，其中番茄葉片病害12幅，非番茄葉片病害數(shù)據(jù)集共13幅，包括霜霉病、葉斑、白粉病、炭疽病、枯萎病、黑星病、赤星病、黃化癥等。按發(fā)病程度，將各病害劃分為1級灰霉、4級病害，各8幅圖片。病害類型的鑒別困難程度也不同，灰葡萄孢在圖像上的像素數(shù)很少，但在圖像上的像素數(shù)很大，而且分布不均勻。

通過對不同類型疾病的分類，建立了同一類別的疾病分類模型。為提高模型的訓練效率，從樣本集中隨機選取部分圖像并組成測試集。其中，灰葡萄孢灰霉菌侵染10份，病害10份，其中僅1份為灰霉病，8份中僅1份為疫病。試驗選擇了訓練集作為試驗樣本。每種病害類別抽取100個樣本作為模型的訓練樣本。該方法首先對樣本進行預處理，然后再對樣本進行訓練，最后用樣本集對模型的有效性進行檢驗。

為了檢驗該方法的有效性，在同一樣本上對多個模型進行了檢驗。在此基礎上，擬對所采集的圖像進行訓練，提高模型的多樣性。在試驗中，對訓練好的訓練樣本進行訓練。針對圖像預處理后的圖像尺寸與原始圖像尺寸相近的特點，將其分為2個階段：訓練階段和試驗階段。試驗結果顯示，在對原始數(shù)據(jù)進行預處理后，對原始數(shù)據(jù)進行檢測的方法，其正確率要比直接檢測高（圖1）。

3 模型訓練與參數(shù)優(yōu)化

Adam算法是一種基于梯度下降的優(yōu)化算法，其基本原理是通過優(yōu)化梯度，找到全局最優(yōu)解，然后將其應用于各個參數(shù)，重復不斷地調整超參數(shù)以使模型達到最優(yōu)。研究中采用Adam優(yōu)化算法對模型的超參數(shù)進行優(yōu)化，使用的訓練集是一個包含593張番茄葉片數(shù)據(jù)的圖像數(shù)據(jù)集，而測試集是在原數(shù)據(jù)集中隨機選取的。為了能夠對網(wǎng)絡進行訓練，在訓練過程中將圖像進行了大小為256×256的像素級別裁剪。其中，將圖像裁剪為256×256和1024×1024的2種規(guī)格，是為了保證在訓練過程中，這2種規(guī)格能夠在神經(jīng)網(wǎng)絡中同時起到作用。

訓練過程中，選取了不同的超參數(shù)進行試驗。其中，權重初始化為0.000 1，最大學習率為0.000 1，初始連接層個數(shù)為5，步長為0.02。試驗中設定訓練時間為30 min。為了防止過擬合現(xiàn)象出現(xiàn)，還利用交叉熵損失函數(shù)。為了更好地獲取模型性能，對照參數(shù)進行了優(yōu)化。

4 試驗結果分析與方法

試驗素材包括訓練集和測試集，采用交叉驗證方法進行。為了提高模型的泛化能力，將模型在測試集上的表現(xiàn)作為訓練集，訓練集的數(shù)據(jù)來自網(wǎng)絡公開數(shù)據(jù)集 Tokenized Volume，共包含7個類別的葉片病害圖像數(shù)據(jù)集。為驗證改進后的模型在不同網(wǎng)絡模型大小下識別葉片病害的性能，對MobileNetV3網(wǎng)絡進行模型壓縮處理，將其分為大小為3×3的測試集、5×5的訓練集和16×16的測試集3部分。經(jīng)過壓縮處理后的網(wǎng)絡模型，在測試集上識別準確率達到93.2%，而MobileNetV3網(wǎng)絡模型在測試集上識別準確率為81.3%。經(jīng)過壓縮后網(wǎng)絡模型在測試集上的分類精度顯著提高。

為了進一步驗證該網(wǎng)絡模型在實際應用中的性能，將MobileNetV3網(wǎng)絡模型與改進前的MobileNetV3網(wǎng)絡模型進行對比。為了便于對比分析，分別使用訓練集數(shù)據(jù)和測試集數(shù)據(jù)訓練了2個網(wǎng)絡模型，以驗證改進后的MobileNetV3網(wǎng)絡模型的有效性。訓練過程中使用交叉驗證方法對參數(shù)進行優(yōu)化，并獲得2個模型在不同參數(shù)下識別準確率的曲線圖（圖2）。

4.1 模型壓縮前后的識別準確率對比方法

在試驗過程中，分別對MobileNetV3網(wǎng)絡模型進行了壓縮，并在訓練過程中使用交叉驗證法對模型參數(shù)進行優(yōu)化，使其在不同的網(wǎng)絡模型大小下都具有較高的識別準確率。為了分析不同網(wǎng)絡模型大小對識別準確率的影響，對MobileNetV3網(wǎng)絡進行了壓縮處理，并使用訓練集數(shù)據(jù)和測試集數(shù)據(jù)對其進行訓練，以驗證該網(wǎng)絡模型在不同的網(wǎng)絡模型大小下的識別準確率。因此，提出的改進后MobileNetV3網(wǎng)絡模型具有良好的識別效果。

4.2 不同網(wǎng)絡模型大小的識別準確率對比方法

為了對比不同網(wǎng)絡模型大小對番茄葉片病害識別準確率的影響，利用訓練集和測試集分別對MobileNet V3網(wǎng)絡模型與改進后的MobileNetV3網(wǎng)絡模型進行訓練，并對比不同網(wǎng)絡模型大小的識別準確率結果顯示，隨著網(wǎng)絡模型大小的增加，其在測試集上識別準確率逐漸降低，當網(wǎng)絡模型大小為16×16時，其在訓練集上識別準確率為92.3%，而在測試集上識別準確率僅為81.3%。這主要是因為網(wǎng)絡模型越大，其特征提取能力越強，但其計算量也隨之增加。當網(wǎng)絡模型大小達到一定程度時，對訓練集和測試集的特征提取能力已經(jīng)沒有過大的提升空間。為了進一步驗證改進后的MobileNetV3網(wǎng)絡模型對番茄葉片病害識別準確率的影響，將網(wǎng)絡模型分為大小為3×3、5×5和16×16三部分進行訓練和測試[5]。

4.3 交叉驗證法

交叉驗證法是一種用于尋找最優(yōu)參數(shù)的優(yōu)化方法，其目標是選擇一個或多個在訓練集上表現(xiàn)良好的參數(shù)，然后用此參數(shù)測試不同的測試集數(shù)據(jù)，比較其識別準確率。隨著網(wǎng)絡模型深度的增加，其識別準確率逐漸降低，但模型在深度為2、3、4和5層時的識別準確率均達到90%以上。試驗中沒有使用更深的網(wǎng)絡模型進行研究，主要是因為較深的網(wǎng)絡模型訓練時間較長且其識別準確率會隨著網(wǎng)絡深度的增加而降低。此外，在實際應用中，為提高識別準確率，一般會使用更深的網(wǎng)絡模型進行訓練。由于采用改進后的輕量級卷積神經(jīng)網(wǎng)絡MobileNetV3，相較于普通卷積神經(jīng)網(wǎng)絡MobileNetV3的網(wǎng)絡訓練時間，較深網(wǎng)絡模型訓練時間大幅縮短，因此在實際應用中更具有優(yōu)勢。

5 模型的可視化分析

改進后的MobileNetV3模型采用的是輕量級模型，但由于其尺寸較小，在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時仍會出現(xiàn)梯度爆炸問題。因此，為了避免出現(xiàn)該問題，需要在模型訓練過程中適當調整損失函數(shù)，使其盡可能地收斂。同時，為了保證在模型訓練過程中能夠及時檢測到訓練的參數(shù)，需要及時調整網(wǎng)絡。由于圖像特征的提取是一個相對復雜的過程，因此通過使用CNN自適應權重更新算法調整卷積層的權重，實現(xiàn)模型的優(yōu)化。該方法充分利用了CNN所具有的多尺度和深層特征提取能力，加快了圖像特征提取速度。同時，在損失函數(shù)中加入了梯度下降法進行優(yōu)化。經(jīng)過對試驗數(shù)據(jù)進行訓練后，將測試數(shù)據(jù)與訓練集一起進行測試。通過可視化分析可知，改進后的網(wǎng)絡模型在測試集上取得了較好的分類效果（準確率為92.8%）。

5.1 測試集分類效果

通過對試驗數(shù)據(jù)集進行預處理，使其更適合模型的訓練。在預處理時，對于原始圖像進行裁剪，再對圖像進行旋轉、放大、鏡像等操作，使其更符合模型的訓練要求。對于預處理后的圖像使用Focus進行裁剪，裁剪后的圖像使用RGB模式進行顯示。改進后的MobileNetV3模型在測試集上的準確率為92.8%，高于采用VGG16、ResNet50等傳統(tǒng)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡模型對測試集進行分類，同時在一定程度上減少了計算量，提高了模型的訓練效率。該模型在識別番茄病害時，準確率為92.8%。檢測到病害的葉片數(shù)為72個，其中有32個病害葉片被正確識別。

5.2 模型收斂速度

為了對模型的收斂速度進行評價，使用了2種方法，分別是單次訓練法和多次訓練法。單次訓練法是指在訓練過程中只使用一次網(wǎng)絡模型的參數(shù)，多次訓練法是指在每次訓練過程中都使用多次參數(shù)進行訓練。由于單次訓練法和多次訓練法都需要調整模型參數(shù)，因此兩者的收斂速度存在明顯差異。因此，通過試驗對比了這2種方法對網(wǎng)絡模型收斂速度的影響。其中，將設計的MobileNetV3模型與經(jīng)典的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡（如VGG）和ResNet50等進行對比，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過改進后的MobileNetV3模型在收斂速度上優(yōu)于其他2種模型。試驗結果表明，通過引入自適應權重更新算法和優(yōu)化損失函數(shù)，MobileNetV3模型的收斂速度明顯加快，這一點符合預期。

6 結束語

試驗結果表明，在不降低識別精度的前提下，改進了MobileNetV3模型的結構和損失函數(shù)，將網(wǎng)絡大小縮小3倍，計算成本降低40%。改進后的模型不僅可以達到較高的分類精度，還具有較低的計算成本。該模型可應用于農業(yè)領域中對番茄葉片病害進行快速、準確地識別，具有較好的應用前景。

參考文獻

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