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阶段总结——基于深度学习的三叶青图像识别

一、计算机视觉图像分类系统设计

三叶青图像识别研究简概

如图1所示，图像分类系统从输入图像开始，经过预处理，进行特征选择和提取，之后经过分类器进行分类，得出最后的预测结果，并输出。在获得训练样本之前，所有的图片都进行了预处理、归一化处理为固定分辨率的图片输入至网络中，然后对其进行特征选择和提取，进行训练得到分类器，从而达到预测目标的任务[1]。

图 1 图像分类系统图

二、训练模型

2.1. 构建数据集

考虑到最终是根据三叶青块根、叶片图片进行训练，并且是根据省份产地进行分类。故本实验的类别目前共有六种：云南省、广西省、未知、浙江省、贵州省、陕西省。其中未知类别的图片来自于从网络上爬取和本地相册中的图片；至于另外五种类别的图片则是自己构建的。获得图片数据集后，则是统一数据集图片的格式、大小。前面共采集了9214张图片，之后便是将数据集按照比例6:2:2分割为训练集、验证集、测试集。各类别图像数量的统计表格如表1所示。

表 1 各类别图像数量的统计

2.2. 网络模型选择

由于考虑到常规的CNN，推理需要很大的计算量，很难应用在移动端等资源受限的场景中。只有通过复杂的裁剪，量化才有可能勉强部署到移动端。本实验采用了MobileNetV3-Large模型，是谷歌提出的轻量化网络架构，引入MobileNetV1的深度可分离卷积、MobileNetV2的具有线性瓶颈的倒残差结构、加入神经网络架构搜索（NAS）和h-swish激活函数，并引入SE通道注意力机制，性能和速度都表现优异[2]。其网络模型结构如图2所示

图 2 MobileNetV3_Large模型架构

2.3. 图像数据增强与调参

在训练之前，先对训练集进行数据增强，通过随即裁剪、缩放图像、随机更改亮度、对比度和饱和度等方法对数据进行增强。之后使用迁移学习方法来训练模型，对MobileNetV3-Large模型进行微调，即改变模型的分类头，使输出大小与数据集的类别数相匹配，为6，故要将模型的最后一层1²×1280改为1²×6。
最后使用随机梯度下降（SGD）优化器，用于更新网络中的参数以最小化损失函数，使用网格搜索函数来搜索最佳超参数组合。

2.4. 部署模型到web端

使用flask+bootstrap+jquery+mysql搭建三叶青在线识别网站；最后使用nginx+gunicorn部署网站在腾讯云上，并配置SSL证书，方便后面微信小程序调用此网站的后端代码。
该网站实现了登录注册、在线识别、图片瀑布流展示、用户数据展示以及其它等功能。

2.5. 开发图像识别小程序

使用uniapp+微信开发者工具+flask后端开发三叶青图像识别微信小程序。此微信小程序主要分为三叶青图像识别功能、图片瀑布流展示、历史记录、登录/注册功能等。

三、实验结果

3.1. 模型训练

其中设置样本批量大小batch_size为128；类别数量num_classes为6；学习率lr为1e-4；权重衰减wd为1e-4；动量momentum为0.9；学习率衰减的周期lr_period为2；学习率衰减的比例lr_decay为1。训练时设置的训练总轮数num_epochs为300；在Epoch197时验证集的准确度最高。运行结果如图3

图 3 模型训练结果

最后，训练集的损失为0.070，训练集的准确度为0.977，验证集的准确度为0.967，测试集上的准确度为0.9718。其中top_n预测正确的概率为99.84%（即在预测得到的置信度排前三的类别中有正确类别的概率）。除了上述的损失、准确率和top-n准确率，还有许多其他的模型精度评估指标，例如分类报告、各类别准确率（如表2所示）、混淆矩阵、PR曲线、AUC-ROC曲线（如图4所示）。

表 2 分类报告与各类别准确率

图 4 混淆矩阵、PR曲线、ROC曲线

3.2. 模型部署

利用pytorch框架训练得到的.pth模型文件转换为onnx文件，并使用ONNX
Runtime来执行模型推理。在此基础上，我们开发了一个三叶青块根图像产地鉴别的在线识别网站（https://www.whtuu.cn），以及一个微信小程序（三叶识青），使得用户可以在各种设备和平台上方便地使用我们的模型进行预测。

四、讨论

本研究的图像分类任务采用了MobileNetV3-Large模型，通过对模型的微调训练、测试、验证工作，对于采集的多产地的三叶青块根图像完成了图像分类，达到了很高的识别准确率，并且识别速度快，模型部署在web端和移动端，操作方便。

但是在此次研究中也发现了一些问题，（1）若想要提高识别率，数据集的构建至关重要，提供的训练集一定要大量、各类别的样本量也要平均，差异不能过大；（2）要采集不同背景下的三叶青块根照片，这样虽然会让识别率降低，但是在实际应用中却是十分必要的；（3）图像数据增强和调参过程很重要，对于模型的精度的提升很大；（4）本研究初步计划同时根据三叶青的叶片照片进行产地分类。然而，由于时间限制，这部分功能未能实现。尽管如此，在web端和移动端仍保留了叶片分类的接口，以便于未来研究和开发。

五、参考文献：

[1] 刘加峰，高子啸，段元民，等． 基于深度学习的中药材饮片图像识别［J］．北京生物医学工程，2021，40( 4) : 605－608．
[2] A. Howard et al., “Searching for MobileNetV3,” 2019 IEEE/CVF International Conference on Computer Vision (ICCV), Seoul, Korea (South), 2019, pp. 1314-1324, doi: 10.1109/ICCV.2019.00140.