背景
水分含量（Moisture content, MC）在海參腌制過(guò)程中起著重要作用。較高的MC會(huì)導(dǎo)致膠原纖維斷裂，使海參在儲(chǔ)存過(guò)程中更容易受損，較低的MC會(huì)降低海參的口感和營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。準(zhǔn)確控制海參腌制過(guò)程中MC的含量，對(duì)海參的口感品質(zhì)和商品價(jià)值具有重要意義。
大量研究使用高光譜成像（Hyperspectral imaging, HSI）和低場(chǎng)核磁共振（Low field nuclear magnetic resonance, LF-NMR）研究水的遷移和變化并預(yù)測(cè)MC。HSI是一種用于探測(cè)淺水表面物理和化學(xué)性質(zhì)的快速、無(wú)損監(jiān)測(cè)技術(shù)。LF-NMR是另一種流行的無(wú)創(chuàng)檢測(cè)技術(shù)，用于監(jiān)測(cè)食品中水分狀態(tài)的變化和水分遷移。低頻核磁共振之所以有效，是因?yàn)楫?dāng)電磁脈沖（Electromagnetic pulse, EMP）在垂直方向輻射時(shí)，氫質(zhì)子由于能量從低能級(jí)到高能級(jí)的轉(zhuǎn)變而處于不穩(wěn)定狀態(tài)，而當(dāng)EMP消失時(shí)，這一過(guò)程是可逆的。對(duì)于海參淺層表面復(fù)雜的棘皮結(jié)構(gòu)和內(nèi)部復(fù)雜的腔體、體壁等結(jié)構(gòu)，HSI和LF-NMR聯(lián)合檢測(cè)可以更準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)MC。
深度學(xué)習(xí)（Deep learning, DL）網(wǎng)絡(luò)可以減少模型對(duì)人類經(jīng)驗(yàn)的依賴，提高模型的泛化能力。CS（Cuckoo search）優(yōu)化算法通過(guò)提取數(shù)據(jù)的顯著特征實(shí)現(xiàn)降維，可以有效提高基于小樣本空間和低類間差異數(shù)據(jù)的模型性能。因此，本研究基于HSI和LF-NMR數(shù)據(jù)，采用DL網(wǎng)絡(luò)和CS優(yōu)化算法聯(lián)合構(gòu)建預(yù)測(cè)模型，對(duì)鹽漬海參的MC進(jìn)行預(yù)測(cè)分析。
具體研究目標(biāo)如下：（1）分別針對(duì)HSI和LF-NMR數(shù)據(jù)構(gòu)建基于變種CS算法的MC深度學(xué)習(xí)預(yù)測(cè)模型；（2）通過(guò)探索模型的性能，確定了HSI和LF-NMR的最優(yōu)模型；（3）根據(jù)最優(yōu)模型和核磁共振成像（Magnetic resonance imaging, MRI），分別基于HSI和LF-NMR數(shù)據(jù)可視化MC分布；（4）構(gòu)建基于融合數(shù)據(jù)的MC的Fusion-net DL（FDL）預(yù)測(cè)模型，并與以往基于單一數(shù)據(jù)的模型進(jìn)行比較，選擇最終的最優(yōu)模型。
試驗(yàn)設(shè)計(jì)
大連工業(yè)大學(xué)王慧慧教授團(tuán)隊(duì)利用Image-λ-N17E近紅外高光譜成像系統(tǒng)（江蘇雙利合譜公司）獲取了510個(gè)不同腌制處理下的海參高光譜影像（圖1a）。高光譜數(shù)據(jù)由350張640×803像素的單波段光譜圖像組成，波長(zhǎng)范圍為934.8 ~ 1710.6 nm。如圖1e所示，將鹽漬海參樣品置于核磁共振分析儀（Niumag電氣公司）中進(jìn)行LF-NMR測(cè)，得到如圖1f所示的橫向松弛曲線。每個(gè)腌制周期取同一樣品進(jìn)行MRI分析，通過(guò)自旋回波成像序列獲得MC在不同腌制時(shí)間的氫質(zhì)子MRI（圖1g）。
數(shù)據(jù)的強(qiáng)相關(guān)性可能導(dǎo)致“維度詛咒”，有必要對(duì)冗余的高維信息進(jìn)行降維處理。使用CS算法選擇特征，如圖1h所示。針對(duì)不同的應(yīng)用領(lǐng)域，CS有不同的變體，本研究使用的三個(gè)變體分別為Traditional-CS（TCS）、Binary-CS（BCS）和Chaotic-CS（CCS）。
將降維后的數(shù)據(jù)輸入到相應(yīng)的模型中進(jìn)行訓(xùn)練，選擇最優(yōu)模型（圖1i），實(shí)現(xiàn)MC分布變化的可視化（圖1j）。在本文中，MC的預(yù)測(cè)模型包括基于高光譜數(shù)據(jù)的單獨(dú)DL模型、基于LF-NMR數(shù)據(jù)的單獨(dú)DL模型和基于HSI和LF-NMR數(shù)據(jù)的FDL模型。對(duì)于HSI數(shù)據(jù)，DL框架中使用了兩個(gè)1D卷積層，分別包含32個(gè)和64個(gè)卷積核，大小為1×3（圖2a）。
對(duì)于LF-NMR數(shù)據(jù)，DL框架的總體結(jié)構(gòu)與上述HSI相同。
圖1 研究流程圖
圖2 多種深度學(xué)習(xí)模型。基于光譜的深度學(xué)習(xí)模型（a）；基于LF-NMR的深度學(xué)習(xí)模型（b）；融合深度學(xué)習(xí)模型（c）。
類可降解塑料和不可降解塑料共計(jì)1020個(gè)樣本的高光譜影像（圖1）。其波長(zhǎng)范圍為380 ~ 1038 nm，波段數(shù)為520。在每個(gè)樣本的高光譜圖像的中心區(qū)域選擇一個(gè)像素大小為60 × 60的采樣區(qū)域作為感興趣區(qū)域，獲取其平均光譜，并對(duì)其進(jìn)行SG濾波和SNV預(yù)處理。
CNN主要由卷積層、池化層和全連接層組成，其中全連接層的核心操作是卷積和池化。卷積提取了多波段高光譜特征，同時(shí)充分保持了特征之間的位置關(guān)系。池化可以減小特征圖的大小，可以保留最關(guān)鍵的信息，有效防止網(wǎng)絡(luò)過(guò)擬合。同時(shí)，通過(guò)池化可以減少網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)數(shù)量，有效提高了網(wǎng)絡(luò)的計(jì)算效率。ResNet由兩個(gè)卷積層組成，卷積核大小為3 × 3，填充和步長(zhǎng)為1（圖2）。將原始特征與挖掘特征相結(jié)合，可以有效避免塑料高光譜圖像深度特征提取中的特征退化問(wèn)題。
本文將靜態(tài)卷積層替換為動(dòng)態(tài)卷積層，在不增加網(wǎng)絡(luò)深度和寬度的前提下提高了計(jì)算效率。根據(jù)卷積核的自適應(yīng)性，動(dòng)態(tài)卷積層具有魯棒的表示能力。動(dòng)態(tài)卷積層結(jié)構(gòu)如圖3所示。首先，對(duì)全局位置信息進(jìn)行平均池化壓縮；然后，將壓縮后的信息通過(guò)全連接層映射到激活層，其中ReLU為激活函數(shù)。激活信息通過(guò)全連接層映射到softmax層。最后，softmax層輸出K個(gè)權(quán)值用于核聚合。K表示參與核聚合的卷積核的個(gè)數(shù)，K的增加會(huì)導(dǎo)致模型的復(fù)雜度增加。在大多數(shù)情況下，softmax層的輸出值相對(duì)稀疏，因此只有一小部分卷積核可以跨層優(yōu)化，導(dǎo)致神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過(guò)程中收斂緩慢。因此，減少softmax層中的注意力是必要的，這樣可以使訓(xùn)練更有效。計(jì)算公式如1所示，當(dāng)T = 1時(shí)，公式為原始softmax層。利用Dy-kernel自適應(yīng)提取高光譜數(shù)據(jù)的特征，然后依次通過(guò)BN和ReLU得到最終輸出。
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| （1） |
本文提出了自適應(yīng)提取塑料高光譜數(shù)據(jù)特征的Dy-ResNet方法，該方法主要由包含動(dòng)態(tài)卷積層的殘差塊組成。圖4顯示了Dy-ResNet的結(jié)構(gòu)，包括一個(gè)卷積層、一個(gè)BN層、四個(gè)動(dòng)態(tài)卷積殘差塊（DR-block）、兩個(gè)池化層、一個(gè)flatten層和一個(gè)全連接層。
圖1 高光譜塑料檢測(cè)系統(tǒng)
圖2 殘差塊結(jié)構(gòu)
圖3 動(dòng)態(tài)卷積層結(jié)構(gòu)
圖4 Dy-ResNet的結(jié)構(gòu)
結(jié)論
在動(dòng)態(tài)卷積層中，參數(shù)K和T顯著影響穩(wěn)定性和精度。如果K過(guò)大，雖然模型具有更強(qiáng)的表達(dá)能力，但優(yōu)化所有卷積核和注意力更加困難，網(wǎng)絡(luò)更容易出現(xiàn)過(guò)擬合。在softmax層中，T控制了注意力權(quán)值的稀疏性，適當(dāng)?shù)?/font>T可以使模型在早期訓(xùn)練中更有效。因此，有必要確定K和T的最優(yōu)值。如圖5所示，當(dāng)K較小時(shí)，模型的訓(xùn)練時(shí)間和分類穩(wěn)定性都較好。然而，K的數(shù)量限制了動(dòng)態(tài)卷積核的自適應(yīng)能力，降低了模型的分類精度和F1-score。當(dāng)K設(shè)置為4時(shí)，既保證了模型的分類性能，又充分考慮了訓(xùn)練時(shí)間。T越大，模型的穩(wěn)定性越高。但是，當(dāng)T過(guò)于大時(shí)，模型的分類性能會(huì)下降，因此將T設(shè)為31。
圖5 不同參數(shù)的動(dòng)態(tài)卷積層
可降解和不可降解塑料的分類結(jié)果如表1所示。雖然Dy-ResNet、ResNet、Dy-CNN和CNN模型都取得了很好的分類效果，但提出的Dy-ResNet模型的識(shí)別效果更好。Dy-ResNet模型的識(shí)別準(zhǔn)確率為99.06%，F1-score為98.86%，Kappa為97.73%。此外，對(duì)比CNN和ResNet模型的分類結(jié)果可以看出，殘差連接的引入更有助于挖掘高光譜數(shù)據(jù)的深層特征。Dy-ResNet模型的精度、F1-score和Kappa分別比ResNet模型高1.53%、1.85%和3.71%，表明動(dòng)態(tài)卷積層可以有效提高模型在高光譜數(shù)據(jù)挖掘中的適應(yīng)性和表征能力。
不同模型的混淆矩陣如圖6所示。可以看出，四種分類模型的分類效果都很好，說(shuō)明該分類模型是有效的。此外，可以看到Resnet、Dy-CNN和CNN模型將一些不可降解塑料預(yù)測(cè)為可降解塑料，這可能是由于訓(xùn)練集中樣本數(shù)量不平衡造成的。然而，Dy-Resnet模型可以避免由于訓(xùn)練集各類別樣本數(shù)量不平衡而導(dǎo)致的錯(cuò)誤預(yù)測(cè)。
表1 四種網(wǎng)絡(luò)模型的2-分類實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖6 四種方法對(duì)可降解塑料和不可降解塑料的分類結(jié)果。Dy-ResNet（a）, Dy-CNN（b）, ResNet（c）, CNN（d）
為了進(jìn)一步驗(yàn)證Dy-ResNet在塑料識(shí)別中的有效性，分別使用Dy-ResNet、ResNet、Dy-CNN和CNN模型對(duì)17種樣品進(jìn)行分類。4個(gè)模型在全連接層的輸出神經(jīng)元數(shù)量從2個(gè)變?yōu)?/font>17個(gè)，4個(gè)模型的其他結(jié)構(gòu)和超參數(shù)不變。17種塑料的分類結(jié)果見(jiàn)表2。總體而言，DyResNet的分類性能優(yōu)于其他模型，其準(zhǔn)確率為89.76%，F1-score為89.68%，Kappa為89.13%。與CNN相比，Dy-ResNet中的殘差連接可以有效提取塑料高光譜圖像的深層特征。在5個(gè)獨(dú)立實(shí)驗(yàn)中，Dy-ResNet的模型精度最高，表明其具有最好的識(shí)別穩(wěn)定性。殘差連接和動(dòng)態(tài)卷積層的引入可以有效地提高模型的穩(wěn)定性。
測(cè)試集樣本的預(yù)測(cè)標(biāo)簽與實(shí)際標(biāo)簽形成的混淆矩陣如圖7所示。可以看出，這四種模型都能有效識(shí)別標(biāo)記為0、6、7、8、9、11、12、13、14、15的樣本。但值得注意的是，四種模型在識(shí)別標(biāo)簽2和標(biāo)簽10的樣品時(shí)存在一些錯(cuò)誤，主要是將標(biāo)簽2的樣品部分歸類為標(biāo)簽3，將標(biāo)簽10的樣品部分歸類為標(biāo)簽11。這主要是由于，除了碳酸鈣外，標(biāo)簽2和標(biāo)簽3對(duì)應(yīng)的樣品在成分材料上是相同的。除淀粉外，標(biāo)簽10和11對(duì)應(yīng)的樣品在組成材料上是相同的。上述樣品中相似的成分使得所收集的高光譜圖像難以區(qū)分，這就是它們被錯(cuò)誤分類的原因。
表2 四種網(wǎng)絡(luò)模型的17種分類實(shí)驗(yàn)結(jié)果
圖7 四種方法對(duì)17種塑料的分類結(jié)果。Dy-ResNet（a）, Dy-CNN（b）, ResNet（c）, CNN（d）
合理解釋本研究提出的方法在塑料識(shí)別任務(wù)中取得良好的效果十分必要。Grad-CAM可用于可視化基于CNN模型的模型識(shí)別過(guò)程。如圖8（a）所示，在區(qū)分可降解和不可降解塑料時(shí)，Dy-ResNet提取的特征光譜波段分布在可見(jiàn)光和近紅外范圍內(nèi)。此外，用于識(shí)別不可降解塑料的關(guān)鍵特征主要分布在580 ~ 860 nm范圍內(nèi)，用于識(shí)別可降解塑料的關(guān)鍵特征主要分布在680 ~ 1030 nm范圍內(nèi)。如圖8（b）所示，Dy-ResNet提取的特征光譜波段在區(qū)分17種塑料時(shí)也分布在可見(jiàn)光和近紅外范圍內(nèi)。總體而言，用于識(shí)別塑料種類的特征光譜波段主要集中在560 ~ 860nm范圍內(nèi)。然而，每種塑料的特征光譜波段的分布范圍是不同的。例如，標(biāo)記為15的樣品的特征光譜波段主要集中在可見(jiàn)光范圍，而標(biāo)記為12的樣品的特征光譜波段主要集中在近紅外范圍。因此，選擇380 ~ 1038 nm光譜波段進(jìn)行塑料識(shí)別，有助于充分探索不同塑料在不同光譜波段的特性。
圖8 用于塑料識(shí)別的特征光譜可視化。2分類實(shí)驗(yàn)（a）, 17分類實(shí)驗(yàn)（b）
作者信息
門洪，博士，東北電力大學(xué)自動(dòng)化工程學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。
主要研究方向：智能感知與模式識(shí)別。
參考文獻(xiàn)：
Xia, X., Wang, M., Shi, Y., Huang, Z., Liu, J., Men, H., & Fang, H. (2023). Identification of white degradable and non-degradable plastics in food field: A dynamic residual network coupled with hyperspectral technology. Spectrochim Acta A Mol Biomol Spectrosc, 296, 122686.
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