基于神經網絡的中藥飲片識別系統的設計

漆 顥，王 艷，肖 蒙，殷學毅，熊 洋

（1.湖北中醫藥大學，湖北 武漢 430065；2.湖北時珍實驗室，湖北 武漢 430065）

0 引 言

目前，中藥飲片的識別分類方法主要還停留在人工階段，需要大量的專業人才，費時費力。隨著科學技術的進步，利用計算機視覺技術進行中藥飲片的識別是未來社會的發展趨勢[1]。隨著人工智能技術的不斷發展，它給各行各業的發展帶來了日新月異的變化[2]。通過神經網絡提取中藥飲片的特征參數，建立識別分類模型進行分析，使得中藥飲片識別也變得不再那么困難。陶歐等人[3]完成了基于灰度共生矩陣的中藥飲片橫切面圖像紋理特征參數的提取。肖小河等人[4]使用人工智能技術對同一種中藥飲片進行圖像定量分析，發現了不同環境不同時間導致的不同微形態。孫鑫等人[5]運用人工神經網絡建立了模型，并對50 種中藥飲片圖像成功地進行了識別。

本項目研究涉及到的領域是圖像處理和圖像識別，借助計算機或移動設備，利用人工智能領域中的深度學習等技術對中藥飲片進行識別[6-8]。對中藥飲片的識別分類研究，其實就是對圖像的分類識別研究。基于神經網絡技術對中藥飲片進行特征處理，建立中藥飲片的智能識別系統，對圖像進行預處理、邊緣檢測、圖像分割，實現了對圖像特征的強化提取，并建立中藥飲片特征數據庫[9-11]；利用該系統對未知圖片特征值的分析，完成對中藥飲片異常與否的檢測，以及對中藥飲片類型的智能識別，將識別結果展示在使用者面前，并給出該中藥飲片相關名稱及藥用價值的介紹。本文的目的是提出一個中藥飲片識別方法和體系，構建基于神經網絡的中藥飲片智能識別平臺。

1 整體需求

本系統旨在設計出一個方便非專業人士擴展中醫藥方面知識的軟件系統，用戶可以利用手機攝像頭來識別當前的中藥飲片，手機客戶端將立即返回識別結果，并彈出該中藥飲片的介紹頁面。使用者能夠快速方便地得到結果。

本系統需滿足的具體需求為：運用本系統可以實現對中藥飲片的識別；軟件操作簡單便捷，面向大多數人；圖片的采集方式要多樣化，既可以利用手機攝像頭拍照識別，也可以通過訪問手機相冊識別；識別速度快，效率要高。

2 系統設計

本系統采用的是機器學習中的卷積神經網絡技術，它是圖像處理和計算機視覺領域應用較為廣泛的一種網絡，其結構如圖1 所示，主要包含5 層：輸入層、卷積層、池化層、全連接層和輸出層。圖1 是對中藥飲片山楂的識別，卷積的作用就是計算山楂局部的相似性，而池化就是將山楂飲片這種局部相似性選擇出來。

圖1 卷積神經網絡結構

圖2 是整個中藥飲片識別系統流程，首先建立中藥飲片的數據集，可以通過拍攝、旋轉和翻轉等方法進行圖片的數量擴充，再將數據統一格式和大小，并打上標簽，這樣完整的數據集就建好了；然后用卷積神經網絡進行模型的建立；最后將建好的模型加載到客戶端進行識別操作，即可完成不同中藥飲片的分類。

圖2 中藥飲片圖像識別流程

3 關鍵技術路線

系統技術路線如圖3 所示。結合不同方法提取不同中藥飲片的圖像特征，結合相關特征進行分類，增加不同的神經網絡技術，提高識別率，可以有效地識別出不同產地、不同時間的中藥飲片的區別。將原始的中藥飲片圖像數據在后臺服務器進行處理，并進一步將這些特征歸類成全局特征和局部特征，對中藥飲片圖像進行預處理、特征提取、字典生成、編碼、池化以及分類，形成中藥飲片圖像的特征數據，并對中草藥葉片樣本圖像庫進行學習訓練。設計并實現中藥飲片圖像識別系統，用戶在PC 端或者移動智能手機微信小程序端提交中藥飲片圖像，后臺服務器對用戶提交的中藥飲片圖像進行特征分析與提取，服務器將用戶提交的中藥飲片圖像特征數據和原有的處理過的中藥飲片樣本庫特征數據進行相似度比較，找到符合識別結果的中藥飲片信息并返回用戶界面進行顯示。

圖3 技術路線

4 結 語

本研究項目涉及的領域是圖像處理和圖像識別，借助計算機或移動設備，利用人工智能領域中的深度學習等技術對中藥飲片進行識別，其實就是對圖像的分類識別研究。基于神經網絡技術對中藥飲片進行特征處理，建立中藥飲片的智能識別系統，對圖像進行預處理、邊緣檢測、圖像分割，進而實現了對圖像特征的強化提取，并建立中藥飲片特征數據庫；利用該系統對未知圖片特征值的分析，完成對中藥飲片異常與否的檢測，以及對中藥飲片類型的智能識別，并將識別結果展示在使用者面前，同時給出該中藥飲片相關名稱及藥用價值的介紹。

本文旨在提出一個中藥飲片識別方法和體系，構建基于神經網絡的中藥飲片智能識別平臺。該系統不僅克服了人的知識的局限性，而且提高了中醫藥工作者的工作效率和準確性，使結果更加客觀化，同時也為中醫藥信息化的發展提供了有效的支持。識別常見中藥飲片的種類有利于中醫中藥知識的宣傳與推廣。另外，在我們日常生活中，通過對未知中藥飲片圖像的識別，讀取到對應中藥材的信息可以幫助非專業人士更為方便和全面地了解周圍的中藥飲片的種類和特性，有利于推廣中醫藥知識和中醫藥文化，極大地豐富人們的生活。