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文献阅读：基于改进ConvNext的玉米叶片病害分类

article 2024/11/14 4:11:03

文献阅读：基于改进ConvNext的玉米叶片病害分类

CBAM注意力机制模块：

1：通道注意力模块，对输入进来的特征层分别进行全局平均池化（AvgPool）和全局最大池化（MaxPool）（两个池化都针对于输入特征层的高宽），再将平均池化和最大池化的结果利用共享的全连接层（Shared MLP）进行处理，然后将共享的全连接层所得到的结果进行相加再使用Sigmoid激活函数，进而获得通道注意图即获得输入特征层每一个通道的权重（0~1之间）。最后，将权重逐通道加权到特征层上。

2：与通道注意模块不同的是，空间注意模块关注的是输入图像的哪部分信息是更重要的，是通道注意模块的补充。为了计算空间注意力，首先沿着每一个特征点的通道方向应用平均池化和最大池化（两个池化都针对于输入特征层的通道）并将其堆叠起来生成一个有效的特征描述符（使用两个池化聚合一个Feature Map的通道信息，生成两个2D Map，分别为通道的平均池化特性和最大池化特性)，即生成两个有效地二维特征图，再利用一个标准的卷积层（通道数为1的卷积）进行连接和卷积（调整了通道数），然后使用Sigmoid激活函数，进而得到二维空间注意力图即获得输入特征图每个特征点的权重值（0~1间），最后，将权重逐通道加权到特征层上。

ConvNext网络结构

首先输入一张224*224的图像，然后通过大小4×4，步长为4的卷积核，然后通过一个归一化层，接着进行下采样和ConvNext块，最后通过全局最大池化，归一化(减少不同样本之间的差异，提高模型对于输入的泛化能力)，全连接输出最终的图像。

ConvNext块的构成：首先经过一个大小为7×7步长为1填充为3的Depthwise卷积层，(Depthwise 卷积的一个卷积核只负责一个通道，一个卷积核只与一个通道卷积。那么卷积核数需要与输入的通道数相等，输出的通道数也不变，等于输入的通道数，等于卷积核数。所以depthwise卷积只改变特征图的大小，不改变通道数。但这种运算对输入层的每个通道独立进行卷积运算，没有有效的利用不同通道在相同空间位置上的feature信息。)然后再卷积与激活(GELU激活函数：GELU (Gaussian Error Linear Units) 是一种基于高斯误差函数的激活函数，相较于 ReLU 等激活函数，GELU 更加平滑，有助于提高训练过程的收敛速度和性能)，经过两次卷积之后特征图由1维变成了4维，之后通过1×1的卷积(相当于全连接层)和Layer Scale大小缩放，最后通过一个Drop Path正则化输出结果。

ConvNext原框架：
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改进框架：
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ConvNeXt Block模块代码:


class Block(nn.Module): # ConvNeXt Block模块
def __init__(self, dim, drop_rate=0., layer_scale_init_value=1e-6): # 初始化函数
    super().__init__()
    self.dwconv = nn.Conv2d(dim, dim, kernel_size=7, padding=3, groups=dim)  # 构建卷积depthwise conv
    self.norm = LayerNorm(dim, eps=1e-6, data_format="channels_last")
    self.pwconv1 = nn.Linear(dim, 4 * dim)  # 1x1的卷积层和全连接层的作用是一样的 pointwise/1x1 convs, implemented with linear layers
    self.act = nn.GELU() # GELU激活函数
    self.pwconv2 = nn.Linear(4 * dim, dim) # 注意pwconv1和pwconv2的输入输出channel是不同的
    self.gamma = nn.Parameter(layer_scale_init_value * torch.ones((dim,)), # layer_scale层
                              requires_grad=True) if layer_scale_init_value > 0 else None
    self.drop_path = DropPath(drop_rate) if drop_rate > 0. else nn.Identity() # 构建DropPath层
 
def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor: # 正向传播过程
    shortcut = x
    x = self.dwconv(x) # 通过DW卷积
    x = x.permute(0, 2, 3, 1)  # 通过permute方法调整通道顺序 [N, C, H, W] -> [N, H, W, C]
    x = self.norm(x) # LayerNorm层
    x = self.pwconv1(x) # 1x1的卷积层
    x = self.act(x) # GELU激活函数
    x = self.pwconv2(x) # 1x1的卷积层
    if self.gamma is not None:
        x = self.gamma * x   # 对每个通道的数据进行缩放
    x = x.permute(0, 3, 1, 2)  # 还原通道顺序 [N, H, W, C] -> [N, C, H, W]
 
    x = shortcut + self.drop_path(x) # 通过drop_path层并融合shortcut
    return x`

激活函数：Relu与LeakyRelu

由于 ReLU 在负半轴上的输出都为零，因此可以使得神经网络中的一些神经元变得不活跃，从而提高模型的稀疏性。但是负半轴为零使得输入数据为负值时会出现神经元不学习的情况。因此选用了LeakyRelu激活函数来处理这个问题。
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通道数增多与卷积之后得到的图像特征数量有关

卷积层的作用本来就是把输入中的特征分离出来变成新的 feature map，每一个输出通道就是一个卷积操作提取出来的一种特征。在此过程中ReLU激活起到过滤的作用，把负相关的特征点去掉，把正相关的留下。输出的通道数越多就代表分理出来的特征就越多，但也可能存在重复的特征，毕竟是一个概率问题。

数据增强

数据集介绍

本研究采用的数据集进行了数据增强。通过采用旋转、高斯模糊、添加随机噪声、添加随机位置的遮挡以及亮度调节等数据增强方法分别模拟在图像采集中不同角度、其他背景叶片的遮挡以及不同天气等外界因素的干扰，从而防止模型过拟合，同时提升模型的鲁棒性和泛化能力。对原数据集按照 6:2:2 的比例划分训练集、验证集与测试集。本试验针对玉米种植中３种常见病害玉米灰斑病、玉米锈病以及玉米大斑病和健康叶片进行试验研究。以 PlantVillagedataset公开数据集和吉林农业科技学院 “智慧农业”平台数据集作为试验对象，进行数据增强处理。

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