基于鱼体特征点检测的淡水鱼种类识别

针对传统机器视觉技术对淡水鱼种类进行检测时特征提取过程复杂的问题,该研究提出了基于特征点检测的淡水鱼种类识别方法。以鳊、鳙、草鱼、鲢、鲤5种大宗淡水鱼为对象,构建了淡水鱼特征点检测数据集;以AlexNet模型为基础,通过减小卷积核尺寸、去除局部响应归一化、引入批量归一化、更换损失函数,构建了改进AlexNet模型用于特征点检测;并以特征点为依据提取特征值、构造特征向量,使用Fisher判别分析方法实现了淡水鱼的种类识别。试验结果表明：改进AlexNet模型在测试集上的归一化平均误差的均值为0.0099,阈值δ为0.02和0.03时的失败率F_0.02、F_0.03分别为2.50%和0.83%,具有较好的精准度和误差分布情况;基于该模型和Fisher判别分析的淡水鱼种类识别方法对5种淡水鱼的识别准确率为98.0%,单幅图像的平均识别时间为0.368 s,保证了时效性。由此可知,提出的改进AlexNet模型能实现淡水鱼的特征点检测并具有较高的精度,可为淡水鱼种类识别、尺寸检测、鱼体分割等提供条件,该方法可为淡水鱼自动化分类装置的研发奠定基础。     

基于卷积神经网络的玉米病害小样本识别研究

农作物病害治理对于农作物的产量和品质有着非常重要的影响。本文针对玉米病害人工识别困难、识别过程耗费大量的人力成本和病害数据样本小且分布不均的问题,提出了一种改进的迁移学习神经网络（Neural Network）的病害识别方法。首先,采用旋转、翻转等方法对样本图像集进行数据增强;其次,通过迁移的MobileNetV2模型在玉米病害图像数据集上训练,利用Focal Loss函数改进神经网络的损失函数;最后,通过Softmax分类方法实现玉米病害图像识别。另外通过试验对比AlexNet、GooleNet、Vgg16、RestNet34、MobileNetV2和迁移的MobileNetV2这6种模型的训练集准确率、验证集准确率、权重、参数数量和运行时间。结果显示,6种模型验证集的准确率分别为93.88%、95.48%、91.69%、97.67%、96.21%和97.23%,迁移的MobileNetV2的准确率最高,且权重仅有8.69 MB。进一步通过混淆矩阵对比了MobileNetV2和迁移的MobileNetV2两种模型,迁移的MobileNetV2模型识别正确率提升1.02%,训练速度减少6 350 s。本文提出迁移的MobileNetV2模型对玉米病害小样本的识别效果最佳,具备更好的收敛速度与识别能力,同时能够降低模型的运算量并大幅度缩短识别时间。     

基于改进DenseNet的茶叶病害小样本识别方法

针对茶叶病害识别的传统方法费工费时,同时由于茶叶病害样本小且分布不均导致传统卷积神经网络不能准确快速识别的问题,提出一种基于迁移学习的SE-DenseNet-FL茶叶病害识别方法。SE-DenseNet-FL以DenseNet模型为基础,首先在DenseNet网络结构中融入SENet（Squeeze-and-Excitation Networks）模块,以加强重要特征传播实现特征重标定;其次引入Focal Loss函数替换原DenseNet中的损失函数,使模型在训练时专注于难分类的样本,以缓解样本分布不均给模型带来的性能影响;最后利用PlantVillage数据集预训练取得预训练模型,通过迁移学习在预训练模型上使用自建茶叶病害数据集进行参数微调,以缓解样本数据过少带来的过拟合影响。通过与原模型DenseNet以及其他经典分类模型（AlexNet、VGG16、ResNet101）进行试验对比,结果表明基于迁移学习的SE-DenseNet-FL在小样本及样本分布不均情景下对茶叶病害的识别准确率达到92.66%。该模型具有较高的识别准确率与较强的鲁棒性,可为茶叶病害智能诊断提供参考。     

融合注意力机制的个体猪脸识别

随着机器视觉技术的发展,猪脸识别作为猪只个体识别方法之一受到广泛关注。为了探索非接触式的猪只个体精准识别,该研究通过深度学习模型DenseNet融合CBAM（Convolutional Block Attention Module）,建立改进的DenseNet-CBAM模型对猪脸进行识别。将DenseNet121模型进行精简,然后将CBAM注意力模块嵌入到精简的DenseNet121分类网络之前,以加强对关键特征的提取,实现猪脸图像的分类。以随机采集的1 195张猪脸图像作为数据集对本文模型进行测试。结果表明,DenseNet-CBAM模型对个体猪脸识别的准确率达到99.25%,模型参数量仅为DenseNet121的1/10;与ResNet50、GoogLetNet和MobileNet模型相比,DenseNet-CBAM的识别准确率分别提高了2.18、3.60和23.94个百分点。研究结果可为智能化养殖过程非接触式个体识别提供参考。     

基于改进残差网络的橡胶林卫星影像语义分割方法

为进一步提升现有基于残差的分割模型在测试集上的信息提取能力和验证改进残差优化策略普适性及实现橡胶卫星影像的更优分割,该研究提出了一种通用改进残差策略,以哨兵-2多光谱卫星影像为数据源构建数据集,并使用改进后残差网络ResNet50_ve作为OCRNet模型的骨干网络,实现基于变种残差网络的OCRNet模型（ResNet-ve-OCRNet）,使用在ImageNet1k分类数据集上蒸馏好的学生模型作为预训练模型参与ResNet-ve-OCRNet模型的训练。研究结果表明使用层数中等的基于50层残差网络在小尺度卫星影像训练集上各指标收敛效果优于较深层数的101层残差网络,与DeeplabV3、DeeplabV3+、PSPNet模型相比,以ResNet50_ve为骨干网络的OCRNet在验证集上的平均交并比达到0.85,像素准确率达到97.87%,卡帕系数达到0.90。该研究提出的改进残差策略具有一定的普适性可应用到众多主流分割模型上且有评价指标性能增益,从预测图来看,基于改进残差网络（ResNet-ve）的模型抑制了在测试集预测图上的上下文信息缺失问题,能够实现橡胶林卫星影像的更优精确分割。     

改进ResNet18网络模型的羊肉部位分类与移动端应用

针对传统图像分类模型泛化性不强、准确率不高以及耗时等问题,该研究构建了一种用于识别不同部位羊肉的改进ResNet18网络模型,并基于智能手机开发了一款可快速识别不同部位羊肉的应用软件。首先,使用数据增强方式对采集到的羊背脊、羊前腿和羊后腿肉的原始手机图像进行数据扩充;其次,在ResNet18网络结构中引入附加角裕度损失函数（ArcFace）作为特征优化层参与训练,通过优化类别的特征以增强不同部位羊肉之间的类内紧度和类间差异,同时将ResNet18网络残差结构中的传统卷积用深度可分离卷积替换以减少网络参数量,提高网络运行速度;再次,探究了不同优化器、学习率和权重衰减系数对网络收敛速度和准确率的影响并确定模型参数;最后,将该网络模型移植到安卓（Android）手机以实现不同部位羊肉的移动端检测。研究结果表明,改进ResNet18网络模型测试集的准确率高达97.92%,相比ResNet18网络模型提高了5.92%;把改进ResNet18网络模型部署到移动端后,每张图片的检测时间约为0.3 s。该研究利用改进ResNet18网络模型结合智能手机图像实现了不同部位羊肉的移动端快速准确分类,为促进羊肉的智能化检测及羊肉市场按质论价提供了技术支持。     

基于深度可分离卷积网络的粘连鱼体识别方法

及时准确地识别出养殖区域内的粘连鱼体是实现水产养殖中鱼群计数、养殖密度估算等多种基本养殖操作自动化的关键技术。针对目前粘连鱼体识别方法存在准确率低、普适性差等问题,该研究提出了一种基于深度可分离卷积网络的粘连鱼体识别方法。首先采集鱼群图像数据,采用图像处理技术分割出鱼体连通区域图像,构建粘连鱼体识别数据集;其次构建基于深度可分离卷积网络的粘连鱼体识别模型,采用迁移学习方法训练模型;最后基于训练好的模型实现粘连鱼体的识别。在真实的鱼体图像数据集上进行测试,识别准确率达到99.32%。与基于支持向量机（Support Vector Machine, SVM）和基于反向传递神经网络（Back Propagation Neural Network, BPNN）的机器学习方法相比,准确率分别提高了5.46个百分点和32.29个百分点,具有更好的识别性能,为实现水产养殖自动化、智能化提供支持。     

基于迁移学习和改进CNN的葡萄叶部病害检测系统

为建立高效、准确的葡萄叶部病害检测系统,引入迁移学习机制,利用大型公开数据集对VGG16模型预训练,保持模型前端13个层的参数和权重不变,对全连接层和分类层改进后利用新数据集微调训练模型,包括对训练优化器、学习率和中心损失函数平衡参数的优选试验,最后将模型部署在Android手机端。试验表明,在微调训练阶段选择Adam优化器、初始学习率设为0.001、中心损失函数平衡参数设为0.12时,改进的VGG16模型性能最优,对葡萄6类叶部图像的分类平均准确率为98.02%,单幅图像平均检测耗时为0.327s。与未改进的VGG16模型相比,平均准确率提高了2.82%,平均检测耗时下降了66.8%,权重参数数量减少了83.4%。改进后的模型综合性能优于AlexNet、ResNet50和Inceptionv3等模型。将模型跨平台部署在Android手机端,自然环境下验证的平均准确率为95.67%,平均检测耗时为0.357 s。该研究建立的基于迁移学习和改进卷积神经网络的病害检测系统可实现对葡萄叶部病害的快速、智能诊断,为葡萄病害的及时防控提供依据。     

基于ResNet18特征编码器的水稻病虫害图像描述生成

针对图像描述算法缺乏在农业领域中的应用,传统模型参数庞大的问题,该研究提出一种基于ResNet18特征编码器的图像描述算法,对作物患病类型进行识别并生成描述。首先,建立水稻病虫害图像描述数据集。其次,使用浅层ResNet18作为编码器,在保证特征提取能力的同时缩减网络模型大小,解码器使用融合了注意力机制的长短期记忆网络（Long Short Term Memory,LSTM）来生成图像描述。试验结果表明,改进后模型尺寸大小为原来的1/3,经过6 000次迭代后模型基本收敛,准确率达到98.48%。在水稻病虫害图像描述数据集上,改进编码器-解码器结构后的双语评估替换值（Bilingual Evaluation Understudy,BLEU）和METEOR(Metric for Evaluation of Translation with Explicit ORdering)分别达到0.752和0.404,其余指标结果也明显优于其他模型,具有描述细致准确、鲁棒性强等优点,能够更好地适用于小规模数据集上的训练,可为农作物相似病害特征的自动化描述提供有益参考。     

基于RAdam卷积神经网络的水稻生育期图像识别

为了解决现阶段水稻发育期信息的获取主要依靠人工观测的效率低、主观性强等问题,该研究提出一种基于Rectified Adam(RAdam)优化器的ResNet50卷积神经网络图像识别方法,开展水稻关键生育期的自动识别。连续2a对12块试验田的水稻物候特征进行持续自动拍摄,对采集的水稻图像进行预处理,得到水稻各发育期分类图像数据集;采用ExG因子和大津法(Otsu)算法相结合的方法对水稻图像分割,减小稻田背景干扰;对比分析了VGG16、VGG19、ResNet50和Inception v3四种模型下水稻生育期图像分级识别的性能,选取性能较优网络模型并进行了网络参数调优;对比试验了不同优化器下模型准确率和损失值的变化,选取了RAdam优化器。结果表明,采取基于RAdam优化器卷积神经网络构建的模型,在真实场景下分类识别准确率达到97.33%,网络稳定性高、收敛速度快,为水稻生育期自动化观测提供了有效方法。     

基于蜂群优化多核支持向量机的淡水鱼种类识别

为了准确地进行淡水鱼种类自动识别,利用计算机视觉技术,提出了一种基于Krawtchouk矩、灰度共生矩阵、蜂群优化多核最小二乘支持向量机（least squares support vector machine,LS-SVM）的识别方法。首先获取淡水鱼样本的灰度图像,计算淡水鱼鱼体的长宽比、鱼头鱼尾的Krawtchouk矩不变量形状特征,求得鱼身的灰度共生矩阵纹理特征,将上述形状与纹理特征组合成高维特征向量,并输入到多核LS-SVM,通过人工蜂群（artificial bee colony,ABC）算法对多核LS-SVM中的待定参数进行寻优,ABC算法中的适应度函数为测试样本的识别精度;最后输出识别精度达到最高时的最优参数。利用该方法对鳊鱼、鳙鱼、鲫鱼、草鱼、青鱼5种淡水鱼进行了分类识别,对鳊鱼、鳙鱼、鲫鱼、草鱼4种鱼识别时,各类鱼的识别精度均达到95.83%以上,对鳊鱼、鳙鱼、鲫鱼、青鱼4种鱼识别时,各类鱼的识别精度均达到91.67%以上,对鳊鱼、鳙鱼、鲫鱼、草鱼和青鱼 5种鱼识别时,各类鱼的识别精度均达到83.33%以上;与近年来提出的淡水鱼识别方法、BP（back propagation）神经网络方法、单核LS-SVM方法相比,该方法的识别精度更高,从而可快速准确地识别淡水鱼的种类,提高水产养殖的自动化水平。     

基于机器视觉技术的淡水鱼品种识别

为了后续加工便利,需要对打捞上来的淡水鱼进行分类,而且分类是淡水鱼加工前处理的重要工序之一。为了实现淡水鱼的自动分类,该研究通过收集常见的4种淡水鱼240条为试验样本,分别为鲢鱼、鲫鱼、鳊鱼和鲤鱼。通过运用机器视觉技术采集各种淡水鱼的图像,并运用数字图像处理技术对图像进行处理,提取其各个颜色分量及长短轴之比等特征值,最后运用该特征值建立有关淡水鱼的品种识别模型。研究表明,通过该识别模型可以完全实现对鲢鱼、鲫鱼、鳊鱼和鲤鱼这4种淡水鱼的品种的识别,准确率达到96.67%。机器视觉技术可以快速准确对常见的淡水鱼进行品种识别,具有较强的实际应用价值。     

基于改进Multi-Scale AlexNet的番茄叶部病害图像识别

番茄同种病害在不同发病阶段表征差异明显,不同病害又表现出一定的相似性,传统模式识别方法不能体现病害病理表征的动态变化,实用性较差。针对该问题,基于卷积神经网络提出一种适用于移动平台的多尺度识别模型,并基于此模型开发了面向农业生产人员的番茄叶部病害图像识别系统。该文详细描述了AlexNet的结构,分析其不足,结合番茄病害叶片图像特点,去除局部响应归一化层、修改全连接层、设置不同尺度卷积核提取特征,设计了基于AlexNet的多感受野识别模型,并基于Android实现了使用此模型的番茄叶部病害图像识别系统。Multi-ScaleAlexNet模型运行所耗内存为29.9MB,比原始AlexNet的内存需求652MB降低了95.4%,该模型对番茄叶部病害及每种病害早中晚期的平均识别准确率达到92.7%,基于此模型的Andriod端识别系统在田间的识别率达到89.2%,能够满足生产实践中移动平台下的病害图像识别需求。研究结果可为基于卷积神经网络的作物病害图像识别提供参考,为作物病害的自动化识别和工程化应用参考。     

基于叶绿素荧光成像技术的番茄苗热害胁迫智能识别方法

为实现作物热害胁迫状态快速、无损和智能化识别,该研究设计了一套叶绿素荧光图像采集装置,并提出一种基于叶绿素荧光成像技术的番茄苗热害胁迫智能识别方法。以不同热害阶段下的番茄苗叶片作为研究对象,通过搭建的叶绿素荧光图像采集设备获取具有单一背景的叶片原始荧光图像,将获取的12组荧光参数值结合Spearman等级相关性分析得到相关性最高的非调节性能量耗散的量子产量Y（NO）,对其进行图像预处理后构建番茄苗叶片热害图像数据集。对AlexNet模型进行改进,引入批量归一化（Batch Normalization,BN）方法加快模型的收敛速度,选择Mish激活函数提高模型的表达能力,同时使用全局平均池化层（Golbal Average Pooling,GAP）替换全连接层和深度可分离卷积替换传统卷积的方法减少模型参数量,以提升模型运行速度,通过Adam优化算法更新梯度。研究结果表明,改进AlexNet模型性能最优,平均识别精度达98.8%,平均测试耗时为11.6 ms,模型权重空间仅为1.13 MB。相比未改进AlexNet模型,平均测试耗时下降23.2%,模型权重空间下降99.5%。该研究为番茄苗早期热害胁迫检测和胁迫等级划分提供了一种方法,也为其他作物夏季热害监测和防控提供技术参考。     

基于改进Mask-RCNN算法的作物害虫分类识别

智能虫情测报灯对农业生产中及时察觉虫害、虫灾问题起重大作用,准确的害虫分类识别是给虫情测报提供可靠数据支撑的关键。该研究对智能虫情测报灯所需核心识别算法进行改进,针对分类目标多尺度、存在多种相似非目标害虫干扰、易产生目标粘连等问题,提出一种基于改进Mask-RCNN(mask region-based convolutional neural network)模型的害虫图像智能识别模型。该模型使用DeAnchor算法改进Mask-RCNN的锚框引导机制,使用NDCC(novelty detection consistent classifiers)训练分类器进行联合分类和检测,改善非目标杂虫的误识别问题。改进后模型对无杂虫、不同虫体密度图像的识别准确率最高达到96.1%,最密集时可达90.6%,比原Mask-RCNN模型识别准确率平均提高4.7个百分点。对于含杂虫图片,在仅有非目标的图片识别中,误检率降至9%,非目标与目标共存且密度为40虫/图的误检率降至15%。试验表明,该文所提模型在现有分类模型的基础上,增强了对密集区域的检测能力,改善了非目标误识别问题,在实际检测环境下的害虫分类识别精度更高,可为虫害防治工作提供数据参考。     

空洞卷积结合全局池化的卷积神经网络识别作物幼苗与杂草

针对传统Alex Net模型参数大、特征尺度单一的问题,该文提出一种空洞卷积与全局池化相结合的多尺度特征融合卷积神经网络识别模型。通过对初始卷积层的卷积核进行膨胀,以增大其感受野而不改变参数计算量,并采用全局池化代替传统的全连接层来减少模型的参数。通过设置不同膨胀系数的初始卷积层卷积核与全局池化层类型,以及设置不同Batch Size,得到8种改进模型,用于训练识别共12种农作物幼苗与杂草,并从建立的模型中选出最优模型。改进后的最优模型与传统Alex Net模型相比,仅经过4次训练迭代,就能达到90%以上的识别准确率,平均测试识别准确率达到98.80%,分类成功指数达到96.84%,模型内存需求减少为4.20 MB。实际田间预测野芥与雀麦幼苗的准确率都能达到75%左右,说明该文最优模型对正常情况下的幼苗识别性能较好,但对复杂黑暗背景下的甜菜幼苗准确率为60%,对恶劣背景下的识别性能还有待提升。由于模型使用了更宽的网络结构,增加了特征图的多尺度融合,保持对输入空间变换的不变性,故对正常情况下不同作物幼苗与杂草的识别能力较强。该文改进模型能达到较高的平均识别准确率及分类成功率,可为后续深入探索复杂田间背景下的杂草识别以及杂草与幼苗识别装置的研制打下基础。