馬麗 周巧黎 趙麗亞 胡遠(yuǎn)輝

摘要：對(duì)番茄病害進(jìn)行及早的診斷與治療有助于提升番茄的產(chǎn)量，將人工智能與農(nóng)業(yè)生產(chǎn)相結(jié)合可以對(duì)番茄病害進(jìn)行快速地?zé)o損傷檢測(cè)?；诖颂岢鲆环N基于深度學(xué)習(xí)的番茄葉片病害分類識(shí)別研究方法，選取番茄葉片的5類常見病害進(jìn)行試驗(yàn)，以MobileNetV3為基礎(chǔ)模型進(jìn)行改進(jìn)，分析不同學(xué)習(xí)方式、激活函數(shù)及優(yōu)化算法對(duì)該模型準(zhǔn)確性的影響。并將該模型與MobileNetV3、VGG16、ResNet50和InceptionV3作對(duì)比，同時(shí)采用十折交叉驗(yàn)證對(duì)模型的魯棒性進(jìn)行評(píng)估。研究表明，該模型分類性能良好，對(duì)常見的番茄葉片病害圖像的平均識(shí)別準(zhǔn)確率可達(dá)97.29%，無論模型大小、運(yùn)行時(shí)間還是分類精度上都優(yōu)于其他幾個(gè)模型，為番茄葉片常見病害識(shí)別提供一定的可參考性。

關(guān)鍵詞：番茄病害；多層感知機(jī)；空洞卷積；損失函數(shù)；識(shí)別分類

中圖分類號(hào)：S436.412： TP391.4

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：20955553 （2023） 070187

08

Classification and recognition of tomato leaf diseases based on deep learning

Ma Li， Zhou Qiaoli， Zhao Liya， Hu Yuanhui

（College of Information Technology， Jilin Agricultural University， Changchun， 130118， China）

Abstract： Early diagnosis and treatment of tomato diseases can help to improve the yield of tomatoes. The combination of artificial intelligence and agricultural production can achieve real-time non-destructive detection of tomato diseases. In this study， a research method for tomato leaf disease classification and recognition based on deep learning is proposed. Five kinds of common diseases of tomato leaves are selected for experimentation. Improvements are made to the MobileNetV3 model， and the effects of different learning methods， activation functions， and optimization algorithms on the accuracy of the model are analyzed. The model is compared with MobileNetV3， VGG16， ResNet50， and InceptionV3， and the robustness of the model is evaluated by ten-fold cross-validation. The research shows that the model has good classification performance， achieving an average recognition accuracy of 97.29% for common tomato leaf disease images. The model is superior to other models in terms of model size， running time， and classification accuracy， providing a reference for the recognition of common tomato leaf diseases.

Keywords： tomato diseases; multilayer perceptron; dilated convolution; focal loss; identification and classification

0 引言

作物在生長(zhǎng)過程中受各種因素的影響容易發(fā)生病蟲害現(xiàn)象，導(dǎo)致農(nóng)產(chǎn)品產(chǎn)量和質(zhì)量有所降低。通常情況下，農(nóng)業(yè)病害的檢測(cè)與治療都是從作物的葉片部位著手，葉片顏色、病斑顏色、病斑形狀和大小等特征信息都可以反映出作物病害的類別和程度。較為常見的病害檢測(cè)方法是人工識(shí)別，即依據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)對(duì)病害種類做出識(shí)別，及時(shí)地噴灑農(nóng)藥進(jìn)行治療。但是這種識(shí)別方法存在一定的弊端，會(huì)耗費(fèi)很多的人力、物力資源，且農(nóng)民對(duì)病害的識(shí)別經(jīng)驗(yàn)有限，因此這種方法只適用于小面積種植區(qū)域內(nèi)的病害檢測(cè)。

隨著計(jì)算機(jī)現(xiàn)代化技術(shù)的發(fā)展，作物的生長(zhǎng)狀況監(jiān)測(cè)和病蟲害檢測(cè)技術(shù)也在不斷升級(jí)?？梢岳糜?jì)算機(jī)圖像處理技術(shù)對(duì)病斑圖像做分割處理，然后提取關(guān)鍵的病斑特征信息，通過選擇合適的分類器對(duì)類別進(jìn)行輸出，以更加科學(xué)準(zhǔn)確的方法判斷病害類別。張鑠等［1］對(duì)植物的四種病害做聚類分割，以對(duì)比顏色空間的方式找出最佳的分割方法，提取病害的13維特征，作為分類依據(jù)，結(jié)合SVM分類器，識(shí)別率為90.67%。楊濤等［2］采取不同的分割方法對(duì)川麥冬葉片的病斑進(jìn)行分離，用主成分分析法去掉作用較差的病斑信息，提取表征能力強(qiáng)的特征向量送入設(shè)計(jì)的分類器中，測(cè)試識(shí)別率達(dá)到90%。譚秦紅［3］應(yīng)用無人機(jī)在距離地面不同高度處分別獲取大豆病斑葉片的圖像，采用SLIC超像素分割法提取梯度和紋理等方面的特征，結(jié)合隨機(jī)森林分類方法對(duì)單一特征和融合特征進(jìn)行對(duì)比分類，可以達(dá)到90%的最佳準(zhǔn)確率。圖像處理技術(shù)的應(yīng)用是農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中病害識(shí)別技術(shù)的一個(gè)突破性進(jìn)展，但是也存在一定的局限性，在識(shí)別前需要對(duì)病害做分割處理，單獨(dú)提取特征并制作分類標(biāo)簽，特征的采集和標(biāo)簽的制作流程較為復(fù)雜。

深度學(xué)習(xí)的發(fā)展推動(dòng)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在農(nóng)業(yè)病害識(shí)別方面的應(yīng)用，并且已經(jīng)取得一系列的成果。石洪康等［4］對(duì)家蠶的五類病害開展研究，收集病害樣本，在特征融合情況下對(duì)ResNet50模型進(jìn)行結(jié)構(gòu)改進(jìn)，測(cè)試準(zhǔn)確率為94.31%，且參數(shù)量比原來下降了三分之二。梅瑩等［5］建立了三種綠色蔬菜的霜霉病數(shù)據(jù)樣本庫，以VGG16模型為基礎(chǔ)，減少卷積層和池化層的數(shù)量并調(diào)整訓(xùn)練參數(shù)，改進(jìn)模型識(shí)別準(zhǔn)確率是95.67%。吳淑琦［6］選用公開數(shù)據(jù)集的三類玉米病害作為試驗(yàn)對(duì)象，在LeNet模型基礎(chǔ)上增加了卷積層和池化層，最高識(shí)別率達(dá)95%。與圖像處理相比，應(yīng)用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)一步提高作物病害識(shí)別準(zhǔn)確率，并且卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行病害特征的自學(xué)習(xí)，不需要進(jìn)行復(fù)雜的病斑分割操作就可以將圖像送入分類器識(shí)別。

本文以番茄的五類病害葉片為主要研究對(duì)象，包括番茄細(xì)菌斑點(diǎn)病、早疫病、晚疫病、葉霉病、七星葉斑病，在輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MobileNetV3［7］的基礎(chǔ)上改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，從學(xué)習(xí)率、優(yōu)化器算法和激活函數(shù)三方面探究參數(shù)變化對(duì)改進(jìn)模型的識(shí)別準(zhǔn)確率的影響。

1 數(shù)據(jù)來源及預(yù)處理

1.1 番茄葉片病害數(shù)據(jù)集

本試驗(yàn)的研究對(duì)象為番茄葉部病害的圖像，對(duì)葉部病害進(jìn)行分類識(shí)別，試驗(yàn)數(shù)據(jù)集來自Plant Village［8］公共數(shù)據(jù)集和AI Challenge［9］平臺(tái)數(shù)據(jù)集。Plant Village數(shù)據(jù)庫中包含各類常見的植物葉片病害圖像的數(shù)據(jù)集，AI Challenger平臺(tái)下的農(nóng)作物病害數(shù)據(jù)集按照“物種—病害—程度”進(jìn)行劃分。平臺(tái)中的數(shù)據(jù)以JSON文件的形式進(jìn)行存儲(chǔ)，可通過Python腳本調(diào)用JSON對(duì)象的文件名和類別兩個(gè)屬性來篩選番茄病害圖像。番茄試驗(yàn)樣本主要包括七星葉斑病、葉霉病、早疫病、晚疫病、細(xì)菌斑5類常見的番茄病害葉片和1類健康葉片。

1.2 圖像預(yù)處理

為了保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的均衡性、樣本的多樣性和訓(xùn)練卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所需樣本的充足性，對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了數(shù)據(jù)增強(qiáng)處理［10］。自然環(huán)境下的光照強(qiáng)度、病害圖像拍攝角度以及葉片上可能存在灰塵等都會(huì)對(duì)圖像中病害的識(shí)別分類產(chǎn)生重要的影響，因此本文對(duì)病害圖像進(jìn)行了高斯噪聲添加、亮度增強(qiáng)、對(duì)比度變換、隨機(jī)裁剪和隨機(jī)旋轉(zhuǎn)的預(yù)處理操作，以此增強(qiáng)樣本的多樣性，盡可能達(dá)到模仿自然環(huán)境下對(duì)病害識(shí)別的效果，擴(kuò)充后的病害圖像總數(shù)為13652張，并對(duì)圖像尺寸進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)整，以滿足卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)輸入圖像的規(guī)格要求。樣本數(shù)量中健康葉片數(shù)量為2561幅，早疫病葉片為2739幅，晚疫病葉片為2396幅，葉霉病葉片為1960幅，細(xì)菌斑病葉片為2459幅，七星葉斑病為2031幅。對(duì)6個(gè)類別的圖像做擴(kuò)充處理，示例圖如圖1所示。

2 模型構(gòu)建

2.1 MobileNetV3模型

MobileNet模型分為三個(gè)系列，其中MobileNetV3是由MobileNetV1［11］和MobileNetV2［12］發(fā)展而來，它結(jié)合了兩個(gè)模型各自的優(yōu)勢(shì)，通過進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)降低模型參數(shù)的方式提升了網(wǎng)絡(luò)工作效率。MobileNetV3采用深度卷積和逐點(diǎn)卷積代替標(biāo)準(zhǔn)卷積，大大降低了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算量。同時(shí)采用線性瓶頸和倒置殘差結(jié)構(gòu)，對(duì)輸入特征通過先擴(kuò)展通道再進(jìn)行壓縮的方式來提取信息，在不改變特征維度的情況下更加便于向量信息的獲取。相比ReLU函數(shù)，在低維空間中采用線性瓶頸結(jié)構(gòu)更有助于特征的采集，因此MobileNetV3在通道數(shù)量較少的卷積層后連接了線性層結(jié)構(gòu)。

MobileNetV3還將基于擠壓和激發(fā)的注意力模塊（Squeeze and Excitation Networks，SE）［13］應(yīng)用到瓶頸結(jié)構(gòu)中，根據(jù)特征通道的重要程度來區(qū)分特征的作用大小，對(duì)非重要特征進(jìn)行抑制。對(duì)網(wǎng)絡(luò)尾部的1×1卷積層和池化層結(jié)構(gòu)做改進(jìn)，采用H-swish非線性函數(shù)，簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的工作量。在低配置的終端下就可以達(dá)到較高的分類準(zhǔn)確性。MobileNetV3模型結(jié)構(gòu)見表1。

2.2 MobileNetV3模型的改進(jìn)

2.2.1 感知機(jī)構(gòu)建

多層感知機(jī)（Multi-layer Perceptron，MLP）［14］主要由多個(gè)神經(jīng)元層組成，可實(shí)現(xiàn)對(duì)非線性數(shù)據(jù)的處理。MLP是前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，由輸入層、隱含層和輸出層構(gòu)成，其中隱含層的層數(shù)可以根據(jù)需要調(diào)整數(shù)量，最簡(jiǎn)單的MLP只有一個(gè)隱含層，輸入層到隱含層相當(dāng)于一個(gè)全連接層，隱含層到輸出層相當(dāng)于一個(gè)softmax分類器（邏輯回歸Logistic Regression），實(shí)現(xiàn)分類的作用。本文在原模型bottleneck模塊的5×5卷積層后連接一層1×1卷積層，構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的感知機(jī)結(jié)構(gòu)，并引入ReLU非線性函數(shù)，增加非線性元素，提升模型的非線性表達(dá)能力，而且感知機(jī)的特征重用原理可以提升模型的擬合能力，在數(shù)據(jù)樣本量較少的情況下，提高分類準(zhǔn)確性，使訓(xùn)練效果和測(cè)試效果更加貼近。感知機(jī)構(gòu)建方式見圖2。

2.2.2 空洞卷積添加

空洞卷積［15］（Dilated Convolution）是指通過在常規(guī)卷積中注入空洞的形式擴(kuò)大卷積核的尺寸，即擴(kuò)大卷積核對(duì)輸入特征圖進(jìn)行卷積操作的區(qū)域，增加提取特征的多樣性。具體擴(kuò)大的規(guī)?？梢酝ㄟ^膨脹系數(shù)r和卷積核的尺寸來計(jì)算。番茄病害特征在不同類別之間或同種類別的不同階段都會(huì)表現(xiàn)出一定的相似性。其中，番茄細(xì)菌病和七星葉斑病的葉子輪廓非常像，背景信息上容易致使模型判斷失誤；晚疫病和葉霉病葉片形狀均為細(xì)長(zhǎng)型，四周邊緣都是卷曲的樣式，個(gè)別葉片在病斑上也是非常接近。因此，對(duì)番茄葉部病害分類，要全面考慮番茄病害間的相似的背景特征和不易區(qū)分的病斑前景特征［16］，加強(qiáng)病害類別的辨別。

擴(kuò)大卷積核的感受野區(qū)域，可以提取更加多樣性、更加全面、更加抽象的深層次特征，幫助網(wǎng)絡(luò)鑒別病害的種類。本文在MobileNetV3的第十個(gè)和第十一個(gè)瓶頸結(jié)構(gòu)的5×5卷積中，引入了擴(kuò)張系數(shù)分別為2和4的空洞卷積。原始卷積核尺寸為5×5，感受野也是5×5，經(jīng)過擴(kuò)張后感受野大小分別為9×9、17×17。如圖3所示，以擴(kuò)張系數(shù)r為2舉例，說明卷積核擴(kuò)張方式。

以添加空洞的形式膨脹卷積核，不僅不會(huì)增加圖像特征提取的計(jì)算量，還可以將感受野區(qū)域擴(kuò)大，加強(qiáng)模型對(duì)輸入特征的學(xué)習(xí)。

2.2.3 Focal Loss損失函數(shù)

Focal Loss（焦點(diǎn)損失）損失函數(shù)可以調(diào)整分類識(shí)別任務(wù)中模型對(duì)難分類樣本的關(guān)注度，增加難分類樣本所占的權(quán)重，提升錯(cuò)誤分類樣本的正確識(shí)別率。本文以番茄葉片病害為試驗(yàn)對(duì)象，番茄病害葉片和健康葉片的顏色差異非常小，且不同病斑間的癥狀相似度較大，因此模型需要提升對(duì)難分類的番茄葉片病斑的關(guān)注度，根據(jù)訓(xùn)練學(xué)習(xí)減少錯(cuò)分類樣本的數(shù)量。引入Focal Loss損失函數(shù)可以減少M(fèi)obileNetV3網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中對(duì)易分類樣本的權(quán)重，減少對(duì)難分類樣本識(shí)別的干擾［17］。

Focal Loss損失函數(shù)是以Cross Entropy Loss損失函數(shù)為基礎(chǔ)進(jìn)行優(yōu)化的，深度學(xué)習(xí)中Cross Entropy Loss損失函數(shù)對(duì)于一個(gè)樣本有兩個(gè)概率分布，即真實(shí)分布和非真實(shí)分布，表達(dá)式為

Loss=-∑ni=1yilogyi′

（1）

式中：

yi——分類樣本的真實(shí)標(biāo)簽；

yi′——分類樣本的預(yù)測(cè)標(biāo)簽。

經(jīng)過對(duì)該損失函數(shù)優(yōu)化得到了Focal Loss損失函數(shù)，表達(dá)式為

FL（pt）=-（1-pt）γlog（pt）

（2）

式中：

pt——

數(shù)據(jù)樣本被預(yù)測(cè)為某個(gè)類別的概率；

γ——可調(diào)節(jié)聚焦參數(shù)；

（1-pt）γ——

簡(jiǎn)單或困難樣本的調(diào)節(jié)因子。

調(diào)節(jié)因子可以使易分類樣本的損失值成倍降低，進(jìn)而增加難分類樣本所占的損失值，對(duì)糾正錯(cuò)誤分類樣本起到非常關(guān)鍵的作用。使難分類的番茄病害圖像在訓(xùn)練過程中，獲取更高的關(guān)注度。

2.3 訓(xùn)練策略

改進(jìn)后的番茄病害識(shí)別網(wǎng)絡(luò)在原有結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上引入了空洞卷積，在不同的bottleneck層設(shè)置不同尺寸的卷積核，提取更加接近于目標(biāo)對(duì)象的抽象特征，降低了不同病害間的相似性給模型訓(xùn)練帶來的難度。構(gòu)建感知機(jī)結(jié)構(gòu)，防止因數(shù)據(jù)量過少導(dǎo)致模型的擬合能力得不到提升，并采用Focal Loss損失函數(shù)，以提高模型對(duì)難分類樣本的關(guān)注度，從而提高模型的訓(xùn)練效率。圖4是基于改進(jìn)MobileNetV3的模型訓(xùn)練過程，具體流程如下。

1） 將番茄圖像訓(xùn)練數(shù)據(jù)集加載到MobileNetV3模型中進(jìn)行訓(xùn)練，獲得模型訓(xùn)練最初結(jié)果并保存。

2） 對(duì)MobileNetV3模型的最后兩個(gè)瓶頸模塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，增強(qiáng)CNN的局部感知能力，不斷調(diào)整網(wǎng)絡(luò)超參數(shù)獲得最佳參數(shù)取值。

3） 利用測(cè)試數(shù)據(jù)集來驗(yàn)證已訓(xùn)練模型對(duì)6類樣本的識(shí)別效果。

4） 對(duì)番茄病害識(shí)別做10折交叉驗(yàn)證，以更準(zhǔn)確的驗(yàn)證方法評(píng)估模型。

3 結(jié)果與分析

3.1 試驗(yàn)結(jié)果

3.1.1 基于DM-MobileNetV3的病害識(shí)別

本文模型DM-MobileNetV3是在MobileNetV3的基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，由圖5和圖6可知，在同樣訓(xùn)練到60輪的情況下，DM-MobileNetV3模型的識(shí)別精度更高，可達(dá)到97.29%，相比改進(jìn)之前的95.16%提升了2.13%，測(cè)試的損失值由原來的24.46%下降到6.87%，下降幅度17.59%。DM-MobileNetV3模型的訓(xùn)練曲線震蕩幅度較小，曲線變化相對(duì)平穩(wěn)。

3.1.2 不同學(xué)習(xí)方式對(duì)模型性能的影響

學(xué)習(xí)率［18］對(duì)模型的識(shí)別影響較大，學(xué)習(xí)率取值太大，容易導(dǎo)致搜索過程出現(xiàn)震蕩從而跳過最優(yōu)解。學(xué)習(xí)率取值太小，則會(huì)增加模型的學(xué)習(xí)次數(shù)和收斂時(shí)間。較高的學(xué)習(xí)率或較低的學(xué)習(xí)率都會(huì)導(dǎo)致訓(xùn)練與測(cè)試的準(zhǔn)確率較低，損失值較大，不利于網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練學(xué)習(xí)。在訓(xùn)練模型時(shí)，學(xué)習(xí)率（Learning rate）為0.01、0.001和0.0001以及0.00001的測(cè)試準(zhǔn)確率和損失值變化，如圖7和圖8所示。當(dāng)學(xué)習(xí)率逐漸增大到0.001時(shí)，模型識(shí)別率逐漸提高，測(cè)試損失值不斷下降。在學(xué)習(xí)率為0.001時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于番茄葉片病害的識(shí)別效果優(yōu)于之前。當(dāng)學(xué)習(xí)率增大到0.01時(shí)，準(zhǔn)確率不增反降，損失值也明顯上升，這說明學(xué)習(xí)率的最佳取值會(huì)在一個(gè)區(qū)間范圍內(nèi)，太大和太小都不利于網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練。因此，學(xué)習(xí)率為0.001時(shí)網(wǎng)絡(luò)對(duì)于番茄葉片病害的識(shí)別效果達(dá)到最優(yōu)。

3.1.3 不同激活函數(shù)對(duì)模型性能的影響

圖9和圖10給出了模型使用Sigmoid、ReLU、GLU三種不同激活函數(shù)［19］在訓(xùn)練準(zhǔn)確率和損失值上的曲線變化?？梢钥闯?，使用激活函數(shù)Sigmoid的模型識(shí)別準(zhǔn)確率低且收斂速度慢，在訓(xùn)練過程中有明顯的震蕩現(xiàn)象，缺乏穩(wěn)定性，訓(xùn)練效果較差；使用激活函數(shù)ReLU和GLU的模型相比之下更趨于穩(wěn)定，在10輪之后逐漸達(dá)到收斂狀態(tài)，但是使用ReLU函數(shù)的模型識(shí)別準(zhǔn)確率較低，使用激活函數(shù)GLU的模型經(jīng)過60輪訓(xùn)練后準(zhǔn)確率可達(dá)到97.29%，準(zhǔn)確率基本維持平穩(wěn)，訓(xùn)練后的識(shí)別效果也較好。從損失值的對(duì)比來看，使用GLU激活函數(shù)可以使模型的損失度更低、使模型的訓(xùn)練更加平穩(wěn)，激活函數(shù)GLU能夠有效提升番茄病害識(shí)別模型的性能。

3.1.4 不同優(yōu)化算法對(duì)模型性能的影響

優(yōu)化器［20］的作用是更新和計(jì)算影響模型訓(xùn)練和模型輸出的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，使其逼近或達(dá)到最優(yōu)值，從而使訓(xùn)練誤差降低到最小。本文選取SGD、AdaGrad、Adam三種優(yōu)化器對(duì)模型性能進(jìn)行了測(cè)試，模型的識(shí)別精度和損失曲線如圖11和圖12所示，選擇SGD和AdaGrad作為模型的優(yōu)化器時(shí)，模型的識(shí)別精度都較低損失值都較高，而且SGD更新得過于頻繁致使網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)間延長(zhǎng)；使用AdaGrad時(shí)學(xué)習(xí)越深入，更新的幅度就會(huì)越小，訓(xùn)練到后期時(shí)學(xué)習(xí)率很可能會(huì)接近或退化成0，導(dǎo)致梯度無法更新。而Adam可以根據(jù)模型訓(xùn)練情況自動(dòng)將學(xué)習(xí)率調(diào)整為合適值，網(wǎng)絡(luò)對(duì)番茄葉片病害的識(shí)別精度均高于使用SGD和Adam的模型，損失值也明顯更低。經(jīng)過對(duì)比，使用Adam作為優(yōu)化器會(huì)使得本文模型對(duì)于番茄葉片病害的識(shí)別效果更好。

3.2 不同識(shí)別模型對(duì)識(shí)別效果的影響

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文識(shí)別模型的可靠性，在相同的試驗(yàn)條件下選取不同識(shí)別模型進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。根據(jù)參考文獻(xiàn)［21-23］可知，VGG16、ResNet50和InceptionV3是圖像識(shí)別領(lǐng)域常用的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，并且都具有較好的識(shí)別效果，因此選擇將其作為本試驗(yàn)的對(duì)比模型。圖13為不同模型的識(shí)別精度對(duì)比曲線，表2為各模型試驗(yàn)對(duì)比的結(jié)果。其中，卷積層數(shù)僅為13的VGG16模型的測(cè)試準(zhǔn)確率僅達(dá)到86.63%，識(shí)別效果最差；ResNet50模型和InceptionV3模型識(shí)別準(zhǔn)確率非常接近，均達(dá)到93%以上；而DM-MobileNetV3模型達(dá)到97.29%的最高準(zhǔn)確率，數(shù)據(jù)規(guī)模僅有41.55MB，無論識(shí)別精度還是存儲(chǔ)規(guī)模都占有優(yōu)勢(shì)。

ResNet50對(duì)單張圖片檢測(cè)的耗時(shí)最長(zhǎng)，平均檢測(cè)時(shí)間為1.72s。VGG16與InceptionV3單張檢測(cè)時(shí)間分別為0.64s和0.60s，而本文模型DM-MobileNetV3的單張圖片檢測(cè)平均耗時(shí)僅0.31s，更適合番茄病害圖像的快速檢測(cè)。

3.3 模型魯棒性分析

采用單一的測(cè)試集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和評(píng)估會(huì)存在一定的隨機(jī)性，不利于觀察模型的穩(wěn)定性。因此，為了對(duì)模型做出更好的驗(yàn)證，試驗(yàn)采用10折交叉驗(yàn)證［24］（10-fold cross-validation）對(duì)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，將番茄葉片病害圖像分為10份，依次選取其中的9份作為訓(xùn)練集來對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練，剩余的1份作為測(cè)試集驗(yàn)證模型的識(shí)別性能，取10次結(jié)果的平均值作為對(duì)模型的評(píng)價(jià)。10次試驗(yàn)的識(shí)別準(zhǔn)確率依次為96.98%、98.11%、97.31%、97.22%、97.37%、96.43%、97.61%、98.03%、96.17%、97.72%；平均測(cè)試準(zhǔn)確率為97.29%，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，該模型準(zhǔn)確率和穩(wěn)定性良好。

4 結(jié)論

1） 本文通過改進(jìn)輕量卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)MobileNetV3的bottleneck結(jié)構(gòu)，建立了DM-MobileNetV3番茄病害分類模型。針對(duì)番茄葉片病斑的不易分類特征，主要從卷積層和損失函數(shù)兩方面來改進(jìn)，在bottleneck中引入空洞卷積和感知機(jī)層，并調(diào)整損失函數(shù)為Focal Loss函數(shù)，使模型的識(shí)別精度提升了2.13%。

2） 試驗(yàn)在設(shè)置其他超參數(shù)相同的情況下，使用不同的學(xué)習(xí)率、激活函數(shù)和優(yōu)化器測(cè)試模型的性能。試驗(yàn)結(jié)果得出，當(dāng)采用0.001的學(xué)習(xí)率、GLU激活函數(shù)和Adam優(yōu)化算法時(shí)其模型精確度為97.29%，模型性能最佳。同時(shí)十折交叉驗(yàn)證結(jié)果表明該模型的魯棒性良好。

3） 本文在模型改進(jìn)后，提升了算法的運(yùn)行效率，平均識(shí)別時(shí)間為0.31s，低于其他算法。且模型僅有41.55MB，用低內(nèi)存達(dá)到高識(shí)別率。與VGG16、ResNet50和InceptionV3相比，DM-MobileNetV3的識(shí)別精度和平均檢測(cè)時(shí)間都占有優(yōu)勢(shì)。

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