基于卷积神经网络的树叶识别的算法的研究

许振雷+杨瑞+王鑫春+应文豪

摘要：该文研究了将卷积神经网络应用在树叶识别方面，并通过卷积过程对图片进行可视化。实验表明，卷积神经网络应用在树叶识别达到了92%的识别率。另外，将此神经网络与支持向量机进行比较研究，从试验中可以得出，卷积神经网络在无论是精度方面还是速度方面都要优于支持向量机，可见，卷积神经网络在树叶识别方面具有很好的应用前景。

关键词：树叶识别；支持向量机；卷积神经网络

中图分类号 TP18 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）10-0194-03

Abstract： In this paper， the convolution neural network recognition in the leaves， and the process by convolution of image visualization. Experiments show that the neural network application identification convolution leaves a 92% recognition rate. In addition ， this neural network and support vector machine comparative study can be drawn from the study ， convolutional neural network in either speed or accuracy better than support vector machines， visible， convolution neural network in the leaves aspect has good application prospects.

Key words recognition leaves； SVM； convolutional neural network

1 概述

树叶识别与分类在对于区分树叶的种类，探索树叶的起源，对于人类自身发展、科普具有特别重要的意义。目前的树叶识别与分类主要由人完成，但，树叶种类成千上万种，面对如此庞大的树叶世界，任何一个植物学家都不可能知道所有，树叶的种类，这给进一步研究树叶带来了困难。为了解决这一问题，一些模式识别方法诸如支持向量机（Support Vector Machine，SVM）[1]，K最近邻（k-NearestNeighbor， KNN）[2]等被引入，然而，随着大数据时代的到来，这些传统分类算法暴露出越来越多的不足，如训练时间过长、特征不易提取等不足。

上世纪60年代开始，学者们相继提出了各种人工神经网络[3]模型，其中卷积神经网络由于其对几何、形变、光照具有一定程度的不变形，因此被广泛应用于图像领域。其主要特点有：1）输入图像不需要预处理；2）特征提取和识别可以同时进行；3）权值共享，大大减少了需要训练的参数数目，是训练变得更快，适应性更强。

卷积神经网络在国内研究才刚刚起步。LeNet-5[4]就是一种卷积神经网络，最初用于手写数字识别，本文研究将卷积神经网络LeNet-5模型改进并应用于树叶识别中。本文首先介绍一下卷积神经网络和LeNet-5的结构，进而将其应用于树叶识别，设计了实验方案，用卷积神经网络与传统的模式识别算法支持向量机（SVM）进行比较，得出了相关结论，并对进一步研究工作进行了展望。

2人工神经网络

人工神经网络方面的研究很早就已开展，现在的人工神经网络已经发展成了多领域、多学科交叉的独立的研究领域。神经网络中最基本的单元是神经元模型。类比生物神经元，当它“兴奋”时，就会向相连的神经元发送化学物质，从而改变这些神经元的状态。人工神经元模型如图1所示：

上述就是一个简单的神经元模型。在这个模型中，神经元接收来自n个其他神经元传递过来的输入信号，这些信号通过带权重的w进行传递，神经元接收到的总输入值将与神经元的阈值进行比较，然后通过“激活函数”来产生输出。

一般采用的激活函数是Sigmoid函数，如式1所示：

[σz=11+e-z] （1）

该函数图像图2所示：

2.1多层神经网络

将上述的神经元按一定的层次结构连接起来，就得到了如图3所示的多层神经网络：

多层神经网络具有输入层，隐藏层和输出层。由于每一层之间都是全连接，因此每一层的权重对整个网络的影响都是特别重要的。在这个网络中，采用的训练算法是随机梯度下降算法[5]，由于每一层之间都是全连接，当训练样本特别大的时候，训练需要的时间就会大大增加，由此提出了另一种神经网络—卷积神经网络。

2.2卷积神经网络

卷积神经网络（CNN）由于在图像分类任务上取得了非常好的表现而备受人们关注。发展到今天，CNN在深度学习领域已经成为了一种非常重要的人工神经网络。卷积神经网络的核心在于通过建立很多的特征提取层一层一层地从图片像素中找出关系并抽象出来，从而达到分类的目的，CNN方面比较成熟的是LeNet-5模型，如图4所示：

在该LeNet-5模型中，一共有6层。如上图所示，网络输入是一个28x28的图像，输出的是其识别的结果。卷积神经网络通过多个“卷积层”和“采样层”对输入信号进行处理，然后在连接层中实现与输出目标之间的映射，通过每一层卷积滤波器提取输入的特征。例如，LeNet-5中第一个卷积层由4个特征映射构成，每个特征映射是一个24x24的神经元阵列。采样层是基于对卷积后的“平面”进行采样，如图所示，在第一个采样层中又4的12x12的特征映射，其中每个神经元与上一层中对应的特征映射的2x2邻域相连接，并计算输出。可见，这种局部相关性的特征提取，由于都是连接着相同的连接权，从而大幅度减少了需要训练的参数数目[6]。

3实验研究

为了将LeNet-5卷积网络用于树叶识别并检验其性能，本文收集了8类树叶的图片，每一类有40张照片，如图5所示的一张树叶样本：

本文在此基础上改进了模型，使用了如图6卷积神经网络模型：

在此模型中，第一个卷积层是由6个特征映射构成，每个特征映射是一个28*28的神经元阵列，其中每个神经元负责从5*5的区域通过卷积滤波器提取局部特征，在这里我们进行了可视化分析，如图7所示：

从图中可以明显地看出，卷积网络可以很好地提取树叶的特征。为了验证卷积神经网络与传统分类算法之间的性能，本文基于Python语言，CUDA并行计算平台，训练同样大小8类，一共320张的一批训练样本，采用交叉验证的方法，得到了如表1所示的结论。

可见，无论是识别率上，还是训练时间上，卷积网络较传统的支持向量机算法体现出更好地分类性能。

4 总结

本文从人工神经网络出发，重点介绍了卷积神经网络模型LeNet-5在树叶识别上的各种研究并提取了特征且进行了可视化，并与传统分类算法SVM进行比较。研究表明，该模型应用在树叶识别上较传统分类算法取得了较好的结果，对收集的树叶达到了92%的准确率，并大大减少了训练所需要的时间。由于卷积神经网络有如此的优点，因此在人脸识别、语音识别、医疗识别、犯罪识别方面具有很广泛的应用前景。

本文的研究可以归纳为探讨了卷积神经网络在树叶识别上的效果，并对比了传统经典图像分类算法，取得了较好的分类精度。

然而，本文进行实验的样本过少，当数据集过多的时候，这个卷积神经网络算法的可行性有待我们进一步的研究；另外，最近这几年，又有很多不同的卷积神经网络模型出现，我们会继续试验其他的神经网络模型，力求找到更好的分类算法来解决树叶识别的问题。

参考文献：

[1]Bell A， Sejnowski T. An Information-Maximization Approach to Blind Separation and Blind Deconvolution[J]. Neural Computation， 1995， 7（6）：1129-59.

[2]Altman N S. An Introduction to Kernel and Nearest-Neighbor Nonparametric Regression[J]. American Statistician， 1992， 46（3）：175-185.

[3]Ripley B D， Hjort N L. Pattern Recognition and Neural Networks[M]. Pattern recognition and neural networks. Cambridge University Press，， 1996：233-234.

[4]Lécun Y， Bottou L， Bengio Y， et al. Gradient-based learning applied to document recognition[J]. Proceedings of the IEEE， 1998， 86（11）：2278-2324.

[5]Klein S， Pluim J P W， Staring M， et al. Adaptive Stochastic Gradient Descent Optimisation for Image Registration[J]. International Journal of Computer Vision， 2009， 81（3）：227-239.

[6]赵志宏， 杨绍普， 马增强. 基于卷积神经网络LeNet-5的车牌字符识别研究[J]. 系统仿真学报， 2010， 22（3）：638-641.