[發(fā)明專利]一種基于改進U-Net的葡萄根系圖像分割方法

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• 申請?zhí)枺?/td>: 202011546672.4
• 申請日: 2020-12-24
• 公開（公告）號: CN112686261A
• 公開（公告）日: 2021-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 蘇家儀;韋光亮;王筱東;張玉國;滕毅有;陳華;韋日彤
• 申請（專利權(quán)）人: 廣西慧云信息技術(shù)有限公司
• 主分類號: G06K9/34
• 分類號: G06K9/34;G06N3/04;G06N3/08
• 代理公司: 南寧東之智專利代理有限公司 45128
• 代理人: 戴燕桃;汪治興

本發(fā)明公開了一種基于改進U?Net的葡萄根系圖像分割方法，涉及植物圖像技術(shù)領(lǐng)域，通過獲取待分割的葡萄根系圖像，并標注；將標注后的葡萄根系圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)集，將所述數(shù)據(jù)集分為：訓練集、驗證集和測試集；構(gòu)建改進的U?Net網(wǎng)絡(luò)，改進的U?Net網(wǎng)絡(luò)中設(shè)有級聯(lián)擴張卷積模塊；通過訓練集、驗證集對改進的U?Net網(wǎng)絡(luò)進行訓練、驗證得到最終U?Net網(wǎng)絡(luò)；將測試集進行預處理，將預處理后的測試輸入所述最終U?Net網(wǎng)絡(luò)，通過最終U?Net網(wǎng)絡(luò)輸出相應的根系分割圖像。使用改進的U?Net網(wǎng)絡(luò)，加入級聯(lián)擴張卷積模塊，能夠擴大網(wǎng)絡(luò)感受野，增加葡萄根系細節(jié)分割效果，降低干擾因素對分割的影響。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于植物圖像識別技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于改進U-Net的葡萄根系圖像分割方法。

背景技術(shù)

葡萄根系分析是葡萄研究的重要內(nèi)容，根系生長情況與土壤溫濕度、施肥情況等有關(guān)，且與產(chǎn)量之間存在一定聯(lián)系。

根系測量方式主要分為人工測量與儀器測量。人工測量根系方案可分為挖掘法、土鉆法、容器法等，這些方法效率較低，且為有損測量；儀器測量根系方案主要分為可見光、近紅外、紅外、高光譜、激光雷達等，近年來隨著計算機視覺技術(shù)的發(fā)展，低成本的可見光方案因其無損性與高效性正廣泛應用于根系測量技術(shù)中。

傳統(tǒng)的根系圖像分割方法主要分為三類：第一類基于閾值的分割方法，主要根據(jù)根系與土壤的顏色特征，利用圖像二值化技術(shù)手段進行根系的圖像分割，但土壤中干擾因素過多，閾值選擇較困難；第二類基于區(qū)域的圖像分割方法，利用根系與土壤灰度分布的特性，通過區(qū)域生長或區(qū)域分裂、合并的方式進行圖像分割，但土壤中的干擾因素會影響區(qū)域的判斷，進而影響分割效果；第三類是基于邊緣檢測的分割方法，該方法不能保證邊緣的連續(xù)性和封閉性，同時易受土壤干擾因素影響。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種基于改進U-Net的葡萄根系圖像分割方法，從而克服了現(xiàn)有根系圖像分割受土壤中的因素影響大的缺點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種基于改進U-Net的葡萄根系圖像分割方法，包括：

獲取待分割的葡萄根系圖像，并對所述葡萄根系圖像進行標注；

將標注后的葡萄根系圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)集，將所述數(shù)據(jù)集分為：訓練集、驗證集和測試集；

構(gòu)建改進的U-Net網(wǎng)絡(luò)，所述改進的U-Net網(wǎng)絡(luò)中設(shè)有級聯(lián)擴張卷積模塊；

通過訓練集、驗證集對所述改進的U-Net網(wǎng)絡(luò)進行訓練、驗證得到最終U-Net網(wǎng)絡(luò)；

將所述測試集進行預處理，將預處理后的測試輸入所述最終U-Net網(wǎng)絡(luò)，通過所述最終U-Net網(wǎng)絡(luò)輸出相應的根系分割圖像。

優(yōu)選地，對所述改進的U-Net網(wǎng)絡(luò)進行訓練、驗證之前，對所述改進的U-Net網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。

優(yōu)選地，通過對所述改進的U-Net網(wǎng)絡(luò)的損失函數(shù)優(yōu)化實現(xiàn)對所述改進的U-Net網(wǎng)絡(luò)進行優(yōu)化。

優(yōu)選地，優(yōu)化所述損失函數(shù)采用BCE Loss與Dice Loss加權(quán)的損失函數(shù)進行優(yōu)化。

優(yōu)選地，所述標注為語義分割標注。

優(yōu)選地，將標注后的葡萄根系圖像轉(zhuǎn)化成數(shù)據(jù)集為：將標注后的葡萄根系圖像轉(zhuǎn)換成PASCAL VOC語義分割格式的數(shù)據(jù)。

優(yōu)選地，所述改進的U-Net網(wǎng)絡(luò)包括依次連接的輸入層、編碼器模塊、級聯(lián)擴張卷積模塊、解碼器模塊和輸出層；

所述編碼器對輸入層輸入的葡萄根系圖像進行下采樣，所述級聯(lián)擴張卷積模塊用于對所述編碼器輸出的特征圖進行卷積擴張，所述解碼器模塊對經(jīng)過所述級聯(lián)擴張卷積模塊輸出的特征圖進行上采樣，后通過所述輸出層對所述解碼器模塊輸出進行卷積處理得到根系分割圖像。