基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的竹片顏色分類

方怡紅　伍希志　牛晗　賈惠

摘要 竹片顏色分類是提高竹產(chǎn)品表面美觀的重要工藝。提出了基于ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與AlexNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的竹片顏色分類方法，分別采用ResNet和AlexNet 2種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行竹片顏色分類，對比ResNet與AlexNet 2種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顏色分類準確率，并對改進后的ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行了顏色分類驗證。結(jié)果表明，AlexNet模型的顏色分類準確率為89.7%，優(yōu)化后ResNet模型的顏色分類準確率為99.9%，顏色分類效果比AlexNet模型好。

關(guān)鍵詞卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；顏色分類；竹片；ResNet；AlexNet

中圖分類號S126文獻標識碼A

文章編號0517-6611（2023）08-0199-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2023.08.046開放科學（資源服務(wù)）標識碼（OSID）：

Color Classification of Bamboo Slices Based on Convolutional Neural Network

FANG Yi-hong WU Xi-zhi NIU Han et al（1.Hunan Shuangda Electromechanical Co.，Ltd.，Changsha，Hunan 410004；2.College of Materials Science and Engineering，Central South University of Forestry and Technology，Changsha，Hunan 410004）

AbstractThe color classification of bamboo chips is an important process to improve the appearance of bamboo products. The paper proposed a bamboo color classification method based on the ResNet neural network model and the AlexNet neural network model. ResNet and AlexNet neural networks were used to classify bamboo color，and the color classification accuracy of ResNet and AlexNet neural networks was compared. The improved ResNet neural network model was verified for color classification. The research results showed that the color classification accuracy of the AlexNet model was 89.7%，the color classification accuracy of the optimized ResNet model was 99.9%，and the color classification effect was better than the AlexNet model.

Key wordsConvolutional neural network;Color classification;Bamboo chips;ResNet;AlexNet

我國是世界竹林資源最豐富的國家，全國竹林面積為641.16萬hm2，2020年竹產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值已經(jīng)到達3 000億，竹產(chǎn)品包括竹板、竹家具等。在制造竹產(chǎn)品時，為了達到美觀的效果，面板的顏色要盡可能相近［1-6］。這就需要對竹片的顏色進行分類，一般將竹片顏色分為黑、白、黃3類。目前國內(nèi)許多工廠的竹片顏色分類工作由工人完成，人工檢測存在生產(chǎn)效率低、勞動強度大、產(chǎn)品質(zhì)量不統(tǒng)一等諸多缺點，因此采用機器視覺技術(shù)進行竹片顏色分類具有非常重要的實際意義。

近年來，已有一些學者進行了基于機器視覺的顏色分類研究。2013年，Hu等［7］提出一種基于木材圖像特征和支持向量機的木材顏色分類方法，使用一對一的構(gòu)造方法將多個兩分類支持向量機組合成多分類支持向量機，用支持向量機建立顏色分類器，可以較好地對木材顏色進行分類。2015年，竇剛等［8］針對傳統(tǒng)的木材切片細胞分析法操作難度大、準確率和效率低的問題，提出了1種采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行木材樹種分類的方法。把顏色、紋理和光譜等16個特征輸入1個5層模糊 BP 綜合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進行訓練，得到的輸出對應5個樹木種類，木材樹種分類的精度達到89%。2021年，Wang等［9］設(shè)計了一種實木板的顏色分類算法，提取出實木板圖像的RGB、LAB和HSV 3個顏色空間的R、G、B、L、A、B、H、S和V 9個顏色通道的一階顏色矩、二階顏色矩和顏色直方圖峰值，把這27個顏色特征采用k-means聚類算法進行實木表面顏色特征的聚類，將具有相似表面顏色的實木板材分類為一個類，實現(xiàn)了實木板的顏色分類。

綜上可知，國內(nèi)外學者對木材顏色分類研究較多，對竹材顏色分類研究較少。該研究提出了基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模的竹片顏色分類方法，分別采用ResNet和AlexNet 2種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行竹片顏色分類，對比ResNet與AlexNet 2種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的顏色分類準確率，并對改進后的ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行了顏色分類驗證。

1竹片圖像數(shù)據(jù)庫

竹片圖像檢測實驗平臺如圖1所示，整體實驗設(shè)備包括圖像采集模塊、光源系統(tǒng)模塊和暗箱。圖像采集裝置采用?？低?00萬像素CMOS 面陣工業(yè)相機采集圖像，工業(yè)相機鏡頭距竹片220 mm，光源系統(tǒng)采用對射式條形光源，在線性上保證均勻的光照，暗箱保證圖像采集的光照條件一致，不受外界環(huán)境干擾。

竹片圖像是在湖南省益陽市湖南桃花江竹材科技有限公司拍攝，該公司生產(chǎn)所用竹片長度為200～220 mm，寬度為20～25 mm。在公司實地采集黑色竹片圖像544幅，白色竹片圖像518幅，黃色竹片圖像519幅，每張圖像采集竹片長度為60 mm，所采集的圖像為BMP格式，圖像大小為2 448×2 048像素。

將采集圖像分為訓練集與測試集，從數(shù)據(jù)庫中分別隨機選取500張黑、白、黃3類顏色竹片圖像，按照4∶1的比例劃分訓練集與測試集，即黑白黃竹片圖像各400張用于訓練，100張用于測試神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別準確率，訓練集共1 200幅圖像，測試集共300幅圖像。數(shù)據(jù)集如圖2所示。

2竹片顏色分類的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法

2.1卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）是一種應用范圍非常廣的深度學習模型，在結(jié)構(gòu)上屬于多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是由輸入層，若干個隱藏層和輸出層組成的，不存在環(huán)或回路。每一層都由多個神經(jīng)元組成，但是每層的神經(jīng)元和神經(jīng)元之間沒有連接，也沒有跨層神經(jīng)元連接（圖3）。

2.2竹片顏色分類的ResNet算法從歷年圖像分類冠軍網(wǎng)絡(luò)AlexNet到VGGNet可以發(fā)現(xiàn)，層數(shù)越深的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)表達能力越強、效果越好，所以學者們紛紛通過加深神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度達到更好的效果。但研究發(fā)現(xiàn)，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)到達一定深度時，分類準確率反而會大幅下降。這是因為網(wǎng)絡(luò)過深而導致訓練誤差變大，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)越深，訓練難度越大。于是，He等［10］提出了一種新的ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，獲得2015年ImageNet競賽圖像分類項目冠軍。

ResNet包括一種新網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)——殘差網(wǎng)絡(luò)，通過短路連接方式構(gòu)建殘差單元，來跳過卷積層模塊，如圖4所示。把學習到的結(jié)果F（x）加上原有淺層網(wǎng)絡(luò)得輸出x作為輸出。即使這一層新的網(wǎng)絡(luò)學習到得F（x）沒有意義，它的輸出F（x）+x仍然包括淺層函數(shù)得輸出x。這就使得ResNet在增加深度的同時，可以保證新加的層能夠保持原有結(jié)構(gòu)的準確性，從而可以訓練更深得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。在網(wǎng)絡(luò)變得更深的同時，由于每層網(wǎng)絡(luò)的輸出結(jié)果都包含淺層函數(shù)的輸出，因此深層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近最優(yōu)值的能力大大增強。且由于殘差結(jié)構(gòu)輸出F（x）+x是加法運算，加法運算非常簡單，因此殘差單元極大地提高了模型的訓練速度。

ResNet-18網(wǎng)絡(luò)包含17個卷積層和1個全連接層，一共有18層網(wǎng)絡(luò)，所以被命名為ResNet-18。ResNet-18采用的池化算法是最大池化，激活函數(shù)使用的是Relu。ResNet-18的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

Rsenet-18網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表1。在ResNet-18網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，為了減短訓練所需時間，使用Momentum優(yōu)化器，Momentum優(yōu)化器可以動態(tài)調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)的學習率，當達到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測指標要求時，將lr乘以factor的值賦給lr。ResNet-18網(wǎng)絡(luò)的評價指標為竹片顏色分類準確率。ResNet-18網(wǎng)絡(luò)的訓練是在Pytorch環(huán)境下進行的。

2.3竹片顏色分類的AlexNet算法設(shè)計AlexNet網(wǎng)絡(luò)是由多倫多大學Alex Krizhevsky提出，獲得2012年ImageNet競賽的冠軍。該競賽的數(shù)據(jù)集有120萬張圖像，在對數(shù)據(jù)集進行分類時取得了優(yōu)秀的表現(xiàn)，分類錯誤率僅為 15.3%，比第2名分類錯誤率提高了10.9%。因此，AlexNet給學術(shù)界帶來了巨大的影響，引起了廣大學者研究的興趣。

AlexNet的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示，共包含5個卷積層、3個全連接層。AlexNet采用的池化算法是最大池化，激活函數(shù)使用的是Relu，最后采用Dropout防止過擬合。在CIFAR-10s試驗中，采用Relu激活函數(shù)的AlexNet網(wǎng)絡(luò)訓練到錯誤率為25%所花時間僅為Tanh的1/7。

該研究AlexNet網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)見表2，學習率為0.001，批訓練樣本數(shù)為5，圖像輸入尺寸為227×227，其余參數(shù)與ResNet-18網(wǎng)絡(luò)一致。

3結(jié)果與分析

3.1ResNet算法的試驗結(jié)果分析ResNet算法竹片顏色分類的訓練結(jié)果如圖7，ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓練至第15輪收斂，收斂后測試集的顏色分類準確率為96.0%，最高分類準確率為96.8%。但在ResNet-18神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練過程中，每輪訓練時間為36 min左右，訓練速度較慢，原因可能為：①電腦配置不夠高，GPU配置低；電腦內(nèi)存不夠，每批次訓練量32張圖片過多，占用內(nèi)存過大，導致訓練速度較慢。②在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練之前需要做圖像導入。將圖像中的竹片區(qū)域截取224×224。其中調(diào)用opencv庫找到竹片區(qū)域并截取，且每次喂入32張圖像，要截取32次，這一步驟耗費時間過長。③截取過程中有可能把背景截取進去，喂入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的224×224圖像可能不完全是竹片，影響神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別準確率。

因此，為了提高訓練效率，預先去除竹片圖像的背景，減少背景對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的影響，僅保留竹片圖像。改進后試驗結(jié)果如圖8，ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓練至第15輪時收斂，收斂后測試集的顏色分類準確率為99.9%，對比之前最高識別準確率96.8%提高了3.1%，且每輪訓練時間為9 min左右，對比之前36 min縮短了27 min，省去了3/4的訓練時間。

3.2AlexNet算法的試驗結(jié)果分析AlexNet算法竹片顏色分類的訓練結(jié)果如圖9，AlexNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓練至第25輪收斂，收斂后測試集的顏色分類準確率為89.7%，最高分類準確率為93.2%。但在AlexNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓練過程中，每輪

訓練時間為4 min左右，訓練速度比ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)快，但分類準確率比ResNet神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)低。

3.3ResNet-18算法的分類結(jié)果驗證綜上可知，ResNet-18網(wǎng)絡(luò)的識別準確率比AlexNet網(wǎng)絡(luò)高10.2%，該研究使用無背景竹片圖像作為測試數(shù)據(jù)集，選擇改進后的ResNet-18網(wǎng)絡(luò)進行竹片顏色分類。從不屬于訓練數(shù)據(jù)集的44幅黑色竹片圖像、18幅白色竹片圖像和19幅黃色竹片圖像中隨機各選一幅作為驗證樣本，輸入訓練好的ResNet-18神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進行分類結(jié)果驗證，驗證樣本如圖10所示，測試結(jié)果如圖11所示，均能輸出正確結(jié)果。

4結(jié)論

該研究使用基于ResNet與AlexNet 2種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對竹片圖像進行顏色分類。針對ResNet模型的訓練特點，對試驗方案進行了改進優(yōu)化。未優(yōu)化前，ResNet模型的最高顏色分類準確率為96.8%。優(yōu)化后ResNet模型的顏色分類準確率為99.9%。AlexNet模型收斂后的顏色分類準確率為89.7%，顏色分類效果比ResNet模型差。

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