基于弱监督下改进的CBAM-ResNet18模型识别苹果多种叶部病害

• Published in: 智慧农业（中英文） Vol. 5; no. 1; pp. 111 - 121
• Main Authors: 张文景, 蒋泽中, 秦立峰
• Format: Journal Article
• Language: Chinese
• Published: 中国农业科学院农业信息研究所 30.03.2023; 西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100; 农业农村部农业物联网重点实验室,陕西杨凌 712100%西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100%西北农林科技大学 机械与电子工程学院,陕西杨凌 712100; 陕西省农业信息感知与智能服务重点实验室,陕西杨凌 712100
• Subjects: 病害识别; 注意力机制; 余弦退火学习率; 多层感知机; 迁移学习; 卷积块注意力模块; 残差网络
• ISSN: 2096-8094
• DOI: 10.12133/j.smartag.SA202301005

针对苹果叶部病害图像在仅有图像类别标注的弱监督的条件下识别准确率低的问题，提出了一种基于改进的CBAM-ResNet算法进行苹果叶部病害识别。以ResNet18作为基础模型，对轻量级卷积块注意力模块（Convolutional Block Attention Module，CBAM）注意力机制中通道注意力模块中的多层感知机（Multilayer Perceptron，MLP）进行升维改进，放大苹果叶部病害特征细节；将改进的CBAM融入残差模块中，以加强对关键细节特征的提取，将AlphaDropout配合SeLU（Scaled Exponential Linearunits）融入网络中，防止其网络的过拟合化，加速模型收敛效果；最后，采用单周期余弦退火算法调整学习率，得到病害识别模型。训练在样本图像均只进行图像级标注的弱监督下进行，大大降低标注成本。通过消融实验，探究出改进CBAM中MLP最佳升维维度为2，相对于原CBAM，准确率提升0.32%，并在参数量增加17.59%的情况下，每轮训练时长减少8 s。在包含苹果斑点落叶病、褐斑病、花叶病、灰斑病、锈病等5种病害的6185幅图像数据集上进行了试验测试，结果显示，在弱监督学习下，识别准确率方面，该模型对苹果5种病害的平均识别准确率达到98.44%，改进的CBAM-ResNet18相比改进前的ResNet18提高了1.47%，且高于VGG16，DesNet121，ResNet50，ResNeXt50，EfficientNet-B0和Xception对照模型；在学习效率方面，改进的CBAM-ResNet18相对于ResNet18在参数量增加24.9%的条件下，每轮的训练时间减少6 s，且在VGG16，DesNet121，ResNet50，ResNeXt50，EfficientNet-B0和Xception对照模型中以每轮137 s最快速度完成模型训练。通过混淆矩阵结果，计算出模型的精确度平均值、召回率平均值和F1分数平均值分别达到了98.43%、98.46%和0.9845。该结果表明，改进的CBAM-ResNet模型可进行苹果叶部病害识别且具有良好的识别结果，可为苹果叶部病害智能识别提供技术支撑。