基于自適應(yīng)中心對稱局部二值模式的作物病害識別方法

王獻(xiàn)鋒，張善文，孔韋韋

（西京學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，陜西 西安　710123）

基于自適應(yīng)中心對稱局部二值模式的作物病害識別方法

王獻(xiàn)鋒，張善文，孔韋韋

（西京學(xué)院工程技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710123）

基于局部二值模式（LBP）算子在模式識別中直方圖維數(shù)高、判別能力差、具有冗余信息等缺點，針對作物病害葉片圖像的特點，提出一種自適應(yīng)中心對稱局部二值模式（Adaptive Center-Symmetric Local Binary Patterns，ACSLBP）算法，并應(yīng)用于作物病害識別。該算法能夠得到光照和旋轉(zhuǎn)不變性的紋理特征，利用模糊C均值聚類算法對病害葉片圖像進(jìn)行分割，再將分割后的病斑圖像進(jìn)行分塊，然后采用自適應(yīng)閾值提取每個子塊的ACSLBP紋理直方圖，結(jié)合作物病害葉片圖像的顏色特征，利用最近鄰分類器識別作物病害。在黃瓜4種常見病害葉片圖像數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行試驗，平均識別率高達(dá)95%以上，表明該方法是有效可行的。

自適應(yīng)對稱局部二值模式；病害葉片圖像分割；作物病害識別；最近鄰分類器

王獻(xiàn)鋒，張善文，孔韋韋.基于自適應(yīng)中心對稱局部二值模式的作物病害識別方法［J］.廣東農(nóng)業(yè)科學(xué)，2016，43（9）：140-145.

近年來，隨著全球氣候逐漸變暖和不斷惡化，溫室作物的大規(guī)模種植和農(nóng)藥的過量使用，使得作物的生態(tài)環(huán)境不斷遭到改變和破壞，作物病害的發(fā)生呈現(xiàn)上升趨勢。我國作為農(nóng)業(yè)大國，為了提高作物產(chǎn)量和質(zhì)量，有效應(yīng)對作物病害刻不容緩。及時、準(zhǔn)確地檢測并識別作物病害，能夠采取有效措施防止病害發(fā)生。當(dāng)作物受到病害侵襲后，其癥狀往往首先出現(xiàn)在葉片上，使得葉片的顏色、形狀和紋理發(fā)生變化，因此通過葉片可以觀測作物病害的發(fā)生和變化［1-2］。基于病害葉片的作物病害識別是一個重要的研究方向［3-4］。傳統(tǒng)的物病害檢測、識別方法主要依賴于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者和植保人員的經(jīng)驗，通過肉眼觀察，識別速度慢、主觀性強、誤判率高、實時性差，不適于大面積作物病害檢測。隨著計算機、圖像處理和模式識別技術(shù)的不斷提高，利用計算機進(jìn)行作物病害的自動檢測和識別成為可能［5］。到目前為止，出現(xiàn)了很多作物病害自動識別方法和技術(shù)［6-8］，病害識別方法主要包括3個步驟：（1）利用k-均值聚類、Otsu和分水嶺等方法對病害葉片進(jìn)行圖像分割，得到病斑圖像；（2）提取病斑圖像的顏色、紋理和形狀的特征，進(jìn)行特征選擇和特征融合，組成特征向量或矩陣；（3）利用最近鄰分類器、支持向量機和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等方法進(jìn)行病害分類識別。汪京京等［9］闡述作物病蟲害識別的研究現(xiàn)狀和進(jìn)展，并給出了一些展望；Hiary等［10］描述了一種能夠識別植物病變特征的圖像處理技術(shù)，該技術(shù)復(fù)雜度低，能夠應(yīng)用于智能手機進(jìn)行作物病害識別；賈建楠等［11］分析了邊緣檢測法和最大類間方差法分割葉片圖像的優(yōu)缺點，并提取病害葉片的10個形狀特征，對2種黃瓜病害進(jìn)行識別，其正確識別率達(dá)到100%，表明利用病斑形狀特征和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行黃瓜細(xì)菌性角斑病和霜霉病識別的可行性；張善文等［12］提出了一種基于黃瓜葉片癥狀圖像處理的黃瓜病害識別方法，先分割黃瓜病害葉片病斑圖像，然后進(jìn)行黃瓜病害葉片圖像識別特征提取，再對特征向量進(jìn)行維數(shù)約簡，最后進(jìn)行黃瓜病害識別；王獻(xiàn)鋒等［13］利用圖像處理和統(tǒng)計分析，提出了一種基于病害葉片圖像和環(huán)境信息的黃瓜病害類別識別方法；張芳等［14］在K-均值聚類算法和LOG算子的基礎(chǔ)上，提出一種基于超像素和形狀上下文的復(fù)雜背景下的黃瓜葉片圖像分割算法，建立了黃瓜葉片白粉病檢測器和黃瓜葉片霜霉病檢測器，再將黃瓜葉片病害檢測器分為兩部，第一部為病斑檢測器，第二部是根據(jù)病斑檢測器的結(jié)果來進(jìn)一步判斷葉片是否患有某種病害；毋媛媛等［15］針對小麥葉部病害智能識別系統(tǒng)，提出了基于顏色、紋理和形狀特征的特征提取方法，原始特征43個，包括14個顏色特征、16個紋理特征和13個形狀特征，然后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行病害識別。

目前很多作物葉部病害識別方法都是通過分割病斑，提取其顏色、形狀、紋理特征參數(shù)，在一定程度上取得了較好的識別效果。但由于病害葉片圖像以及病斑圖像的復(fù)雜多樣性，使得很多病害識別方法還不能有效應(yīng)用于作物病害識別系統(tǒng)。局部二值模式（Local Binary Pattern，LBP）及其改進(jìn)算法是一類用來描述圖像局部紋理特征的算子，具有旋轉(zhuǎn)、光照和灰度不變性等優(yōu)點［16-17］，被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)檢測、人臉識別、紋理分類、圖像匹配、生物和醫(yī)學(xué)圖像分析等領(lǐng)域［18-20］，但很少應(yīng)用于病害葉片圖像處理。本研究在LBP和中心對稱LBP（CS-LBP）［21］的基礎(chǔ)上，提出一種自適應(yīng)中心對稱LBP（ACSLBP）算法，并應(yīng)用于作物病害識別。

1　局部二值模式（LBP）和自適應(yīng)LBP

LBP將鄰域作為處理單元，以任意一個像素為中心，將該像素的灰度值gc作為閾值，比較鄰域中像素的灰度值gi（i =0，1…P）與中心像素的灰度，若鄰域像素的灰度大于中心像素的灰度，則該鄰域像素置為1，否則置0。由此得到二進(jìn)制鄰域像素，再給第i個鄰域像素gi分配一個權(quán)重2i。將加權(quán)二進(jìn)制鄰域像素的代數(shù)和作為中心像素的LBP算子：

本研究針對病害葉片圖像的復(fù)雜多樣性特點，在自適應(yīng)LBP算法和CS-LBP算法的基礎(chǔ)上，提出一種自適應(yīng)中心對稱LBP（ACSLBP）算法。該方法能夠根據(jù)圖像的特點，自適應(yīng)選取閾值，能夠更加真實地反映圖像中紋理細(xì)節(jié)的變化特征。圖1為以P=8，R=1為區(qū)域大小進(jìn)行局部自適應(yīng)二值化的過程：對于某個像素gc，計算以此像素的中心的8鄰域像素g（i=0，1…，7）平均灰度值的百分比作為一個閾值，若鄰域gi的像素大于該閾值則設(shè)置gi=1；否則gi=0，這是ALBP的原理；若以像素gc為中心的兩個對稱像素點之差大于閾值則設(shè)置為1，反之為0，這是CS-LBP的原理。

2　基于自適應(yīng)中心對稱LBP算法的紋理特征提取

圖1　LBP和CS-LBP算法的鄰域關(guān)系示意圖

自適應(yīng)中心對稱LBP（ACSLBP）算法結(jié)合了自適應(yīng)LBP算法和CS-LBP算法的優(yōu)點。基于ACSLBP算法提取圖像的紋理特征CSLBPP，R（P=8，R=1）的步驟如下：

第一步：圖像分塊。為了最大程度地真實反映病害葉片圖像的紋理特征，可以將病害葉片圖像劃分成m個子塊，若某些子塊的病斑圖像的紋理細(xì)節(jié)較為豐富，則賦予該子塊較大的權(quán)重，而紋理細(xì)節(jié)較為稀少的子塊賦予較小的權(quán)重。

第二步：在每個子塊中，計算每個像素的中心對稱CSLBP8，1：

第三步：紋理特征提取。

（1）計算每一子塊紋理圖像的直方圖向量Vi（i =0，1，…m）。

（2）計算每一子塊紋理圖像的信息熵。圖像的信息熵反映了圖像中信息量的大小，信息熵越大，表明紋理細(xì)節(jié)越豐富；反之，紋理細(xì)節(jié)越稀少。按照下式計算每一子塊紋理圖像的信息熵：

式中，Pij為第i個子塊紋理圖像中第j個灰度級出現(xiàn)的概率，L為Vi的灰度級。

（3）直方圖加權(quán)。將各個子塊的直方圖向量Vi進(jìn)行加權(quán)連接后得到每幅原圖像的加權(quán)特征向量V：

式中，ai（i =1，2，…m）為第i個子塊的權(quán)重系數(shù)，

3　驗證試驗與分析

為了驗證本研究提出作物病害識別方法的有效性，利用4種常見的黃瓜病害（黑星病、褐斑病、灰霉病和紅粉病）葉片圖像數(shù)據(jù)庫進(jìn)行試驗。該數(shù)據(jù)庫來源于陜西楊凌農(nóng)業(yè)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)示范區(qū)，由分辨率1 200×1 600的佳能A640數(shù)碼相機拍攝，每種病害包含不同光照和不同角度的100幅葉片圖像，圖像采用Matlab7.0軟件進(jìn)行處理。本研究結(jié)合病斑圖像的顏色特征和K-最近鄰（K=1）分類器，并采用5折交叉驗證法進(jìn)行病害識別，其中，顏色特征包含病斑的R、G、B顏色成分和H色調(diào)的均值、方差、偏度、峰值、能量、熵共6個特征［22］。將所有預(yù)處理后的4種黃瓜病斑圖像隨機劃分成5份，每次劃分的4份共320幅作為訓(xùn)練樣本訓(xùn)練1-NN分類器，剩余1份共80幅作為測試樣本，用于測試算法的有效性，共執(zhí)行5次性能測試。由于試驗涉及到參數(shù)選擇，因此取每次試驗的最高識別率，則每次劃分可以得到5個最高識別結(jié)果，取平均值。劃分重復(fù)50次，計算5×50=250次結(jié)果的平均值，為最終的試驗結(jié)果。實驗過程如下：

（1）預(yù)處理。為了試驗方便，利用Matlab中的函數(shù)resize（）把每幅葉片圖像剪裁成大小為480×320，并以JPG格式存儲到圖像數(shù)據(jù)庫。然后利用模糊C均值聚類算法分割病斑圖像［23］。圖2（封三）為4種黃瓜病害葉片圖像樣本及其分割后的病斑圖像。

為提取加權(quán)紋理特征，將病斑圖像劃分成4×4=16個子塊（圖3，封三））。由于基于ACSLBP的紋理特征與顏色無關(guān)，因此首先將彩色病斑圖像轉(zhuǎn)換為灰度圖像，利用中值濾波和高斯濾波去掉噪聲點后，提取各子塊的CSLBP8，1，計算其直方圖（圖4），將所有各子塊的CSLBP8，1的直方圖進(jìn)行加權(quán)，串聯(lián)構(gòu)成加權(quán)紋理特征向量V。

圖4　黃瓜病斑圖像的CSLBP8，1及其對應(yīng)的直方圖

為了能夠合適地獲取閾值中的參數(shù)λ，本研究利用加權(quán)紋理特征向量V進(jìn)行一系列的對比試驗，觀察λ取0.01～0.10（步長為0.01）中的每個值時，對應(yīng)的識別率的變化情況。圖5為隨著λ變化的病害識別率（沒有顏色特征）。由圖5可知，當(dāng)λ=0.05時，識別率最高，因此后續(xù)試驗取λ=0.05。

（2）特征融合。將加權(quán)紋理特征與病斑圖像的6個顏色特征進(jìn)行融合。

（3）病害識別。利用1-NN分類器進(jìn)行病害類別識別。

圖5　不同調(diào)節(jié)參數(shù)λ對應(yīng)的識別率

表1為4種黃瓜病害的識別結(jié)果。為了驗證本研究病害識別方法的有效性，表1給出了其他3種常用的作物病害識別方法的識別結(jié)果，包括基于病斑形狀和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的黃瓜病害識別方法［11］、基于彩色圖像顏色統(tǒng)計特征的識別方法［22］和基于K-均值分割和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的葉片病害識別方法［24］。這3種方法及其本研究提出的方法都是在相同的黃瓜病害葉片圖像數(shù)據(jù)集上進(jìn)行試驗，而且葉片圖像的預(yù)處理以及訓(xùn)練子集和測試子集劃分也相同，但各個方法特征提取和選擇的特征數(shù)目不同。從表1可以看出，ACSLBP的識別率最高，達(dá)95.427%。ACSLBP是將病斑圖像進(jìn)行分塊后，計算每個子塊的信息熵，并以此作為各個子塊的加權(quán)系數(shù)，然后提取每個子塊的紋理特征后對各子塊進(jìn)行加權(quán)串聯(lián)，再融合病斑圖像的6個顏色特征，最終能夠形成病害葉片的分類特征向量，取得了最高的識別率。ACSLBP除了對病斑圖像進(jìn)行分塊、中心對稱和自適應(yīng)加權(quán)處理外，還考慮了中心像素與周圍像素的大小關(guān)系在紋理特征提取中的作用，能較好地描述粗細(xì)紋理。

表1　4種黃瓜病害識別方法的識別率

4　結(jié)語

基于葉片圖像的作物病害識別方法研究具有重要意義，但由于葉片及其病斑圖像的復(fù)雜多變性，使得很多病害識別方法的識別率不能滿足實際需要。本研究在LBP和CS-LBP算法的基礎(chǔ)上，提出了一種基于ACSLBP的紋理特征提取算法。該方法首先對病害葉片圖像分塊，然后計算每個子塊的閾值，再采用ACSLBP特征譜的統(tǒng)計直方圖，提取每個子塊的加權(quán)紋理特征，結(jié)合病斑圖像的6個顏色特征，串聯(lián)成最終的特征，最后利用最近鄰分類器進(jìn)行病害識別。在黃瓜病害葉片圖像數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行的試驗證明，本研究提出的病害識別方法具有更高的正確識別率。

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（責(zé)任編輯 鄒移光）

Adaptive center-symmetric local binary patterns for crop disease recognition

WANG Xian-feng，ZHANG Shan-wen，KONG Wei-wei
（College of Engineering and Technology，Xijing University，Xi’an 710123，China）

The local binary pattern （LBP） based pattern recognition method has high histogram dimension，poor discriminate ability and redundant information. According to the features of crop disease image，to accurately describe the texture structure of crop disease leaf image，an adaptive center-symmetric local binary patterns （ACSLBP）algorithm was proposed for crop disease recognition. The invariance texture features of illumination and rotation were extracted by the algorithm. Firstly，every disease leaf image was segmented using the fussy means-clustering algorithm. Secondly，the segmented spot image was divided into several sub-images and their corresponding ACSLBP texture histogram features were extracted respectively based on the adaptive threshold. Finally，combining the 6 color features of spot image，the crop diseases were recognized by nearest neighbor classifier. The experiments on leaf image database of four common cucumber diseases were implemented. The average correct recognition rate was above 95%. The experimental results verified that the proposed method was effective and feasible.

adaptive center-symmetric local binary patterns （ACSLBP）；disease leaf image segmentation；crop disease recognition；nearest neighbor classifier

TP391.413；S431

A

1004-874X（2016）09-0140-06

2016-06-15

國家自然科學(xué)基金（61473237）；陜西省自然科學(xué)基礎(chǔ)研究計劃項目（2014JM2-6096）

王獻(xiàn)鋒（1965-），男，碩士，副教授，E-mail：wjdw716@163.com