基于BoW模型的油茶害虫图像分类

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第35卷第5期 2015年5月 中南林业科技大学学报 Journal of Central South University of Forestry&Technology 、,01.35 No.5 May 2015 

基于BoW模型的油茶害虫图像分类 http://qks.csuft.edu.eft 

谢林波,余绍军,周国英,李虹 

(中南林业科技大学,湖南长沙410004) 

摘 要:针对目前图像识别在油茶害虫这个领域的应用中存在的问题,提出一种基于BoW模型的油茶害虫图像 识别的方法。首先对油茶害虫图像进行SIFT特征提取,然后通过BoW模型来描述各幅图像,针对每类油茶害虫, 利用支持向量机(SVM)训练,进而从图像中识别出油茶害虫的种类。实验结果表明:该方法用在油茶害虫图像 模式分类问题上取得了较好的识别率,其平均识别率达到了83.3%,由此表明BoW模型用于油茶害虫图像分类 的有效性。 关键词:油茶害虫;图像识别;特征提取;BoW模型;支持向量机;图像分类 中图分类号:¥781.39 文献标志码:A 文章编号:1673—923X(2015)05.0070.04 

Classification research of oil-tea pest images based on BoW model 

XIE Lin—bo,Yu Shao-jun,ZHOU Guo—ying,LI Hong 

(Central South University ofForestry and Technology,Changsha 410004,Hunan,China) 

Abstract:For the existing problem of image recognition applying in the field of Camellia pests,a Camellia pest image recognition method was put forward based on BoW mode1.Firstly,the SIFT features of oil—tea pest image were extracted,and then by using BoW model the images were described,and last the species of oil—tea pests were identified through support vector machine(SVM)training. The experimental results show that the method used in oil—tea pest image pattern classification had a better recognition rate,with an average recognition rate of 83_3%. Key words:Camellia pests;image recognition;feature extraction;BoW model;support vector machine(SVM);image classification 

油茶作为世界四大木本食用油料植物之一, 

具有很高的综合利用价值。目前,种植油茶已成 

为我国南方山区经济和山区农民脱贫致富奔小康 

的支柱产业之一,同时油茶在我国实施退耕还林 和调整种植业结构中发挥着十分重要的作用【1]。 

我国油茶的种植面积约有300万hm ,但其亩产量 并不高,其中油茶害虫是影响其亩产量低的一个很 

重要的因素。因此开展针对油茶害虫的模式分类问 

题研究,将有利于油茶林区虫害实施远程监测预报, 

对推动地方经济发展具有重要的现实意义。 

近年来,计算机图形图像、自动检测、人工 智能等技术的迅速发展使得图像分类技术得到很 

大的发展。如何快速、准确地对大量的图像信息 

进行分类,提取其中有用的信息,逐渐成为了人 

们研究的热点之一。Bag of words(BOW)模型最开 始应用于文档分类领域,由于其简单有效的优点 

得到了广泛的应用。目前很多的研究者将这样的思 

想应用到图像分类领域。本研究就是将BoW模型 应用于油茶害虫图像分类,由于油茶害虫图像分类 

识别在本质上是一个复杂的多类判别问题,针对每 

类油茶害虫采集大量的图像样本,但相对于其维数 而言,害虫的样本数是一个小样本问题【2]。支持向 

量机是为解决小样本问题学习和分类提出的具有 很强的非线性分类能力[3】。 

1 基于油茶害虫图像BoW模型的构造 

本研究将BoW模型应用于图像识别,可以先 

把图像看作为一个文档,而图像中的关键特征被 

看作为“单词”。对于油茶害虫图像构造BoW的 

过程主要有4个步骤,如下所示: 

收稿日期:2014—05—10 基金项目:“十二五”国家科技计划课题(2012BAD19B0803);湖南省科技厅科技计划项目(2014NK3057) 作者简介:谢林波,硕士研究生 通讯作者:余绍军,教授;E-mail:1071599402@qq.eom 引文格式:谢林波,余绍军,周国英,等.基于BoW模型的油茶害虫图像分类[J】.中南林业科技大学学报,2015,35(5):

70—73 第35卷 中南林业科技大学学抠 71 

(1)特征检测:采用Ostu图像分割l4]的方 

法对油茶害虫图像进行分割来获取图像的兴趣点, 比如图像的边缘、角点、斑块等,获得的图像块 

在后面图像的识别过程中会起到至关重要的作用。 (2)特征表示:油茶害虫内容通过采用图像 

的局部特征描述子来表示。在特征检测之后,把 

获得的局部块状小区域用一个特征向量来表示, 

提取出的特征向量就称为特征描述子。本研究采 

用的是SIFT特征描述子。 (3)生成视觉直方图:在特征表示后,将局 

部特征描述子表示的油茶害虫内容生成虫子视觉 

单词。然后通过聚类的方法将特征描述子所表示 的油茶害虫图像进行聚类,即可获得多个聚类中 

心,每个聚类中心即为一个视觉词,把全部的中 心聚集一起就构成了BoW模型的视觉词典,再通 

过聚类中心映射得到视觉词直方图。 

(4)SIFI特征提取:通过以上几个步骤生成 BoW后,再使用K—means聚类算法【5】,训练油茶 

害虫图像集提取的SIFT特征。K.means算法因其 

收敛速度快成为一种经典的聚类算法得到广泛的 

应用。K—means算法的思路是把参与聚类的特征数 据存入到内存中,然后进行不断的迭代。其迭代 

过程如下:任意选择 个对象作为初始化的聚类 

中心,定义的对象为c ,6'2,C3,…, ,然后针 

对剩下的对象 (i=1,2,3,…, ),计算各个 簇中心与对象的距离,得到其中最小的距离,再 

把这个对象赋给这个簇。整个赋值过程如下: 

Xf—c『I:min ‘ ‘ll l≤挺k 其中1≤,≤m。m是特征向量的维数。 

然后把重新计算的每个簇的平均值作为下一 次迭代的聚类中心: 

击 , 

其中 为第,个簇sj中的对象数目。 

K.means算法全过程包括初始化、分配和更 

新类中心,其后两个过程需要不断重复,直到所 

有的聚类中心都不再变化,最终得到的类中心就 是BoW模型所需要的视觉词 】。然后把每幅油茶 

害虫图像中的每个SIFT描述子都映射到某个视觉 

词,得到的就是该图像的视觉词直方图。为了生 

成视觉词直方图,在映射过程中需要计算每个视 觉词与每个SIFT特征向量也就是聚类中心的距离, 

取其中最小的值,并把当前SIFT特征归类到该视 

觉词下,直到把所有的SIFT描述子都分配完毕后, 得到一个直方图,再把直方图表示为数值向量, 并进行归一化,就可以用分类器进行训练,进而 

为后面的图像识别做好准备。 

2基于SIFT算法的油茶害虫特征提取 

将BoW模型应用于图像分类和识别领域 

时,首先要对图像进行特征的提取和描述,这就 

需要合适的选择特征提取方法以及描述子,使提 

取的特征在对图像能最大限度地进行精确描述, 

提供它的关键信息,并尽可能地降低其实现的复 

杂度。本文中采用SIFT(Scale Invariant Feature Transform)描述子来提取油茶害虫特征[71。下面 

是SIFT特征提取的四个步骤: 

(1)检测在尺度空间的极值点。 

(2)生成关键点的描述子,精确定位特征点 

的位置。 

(3)确定每个关键点的主方向。 

(4)关键点SIFT描述子的生成。 首先提取油茶害虫图像的SIFT特征作为图像 

中的视觉词汇,把所有的视觉词汇集合一起,即 

可用一个特征向量集合描述每幅害虫图像。 

然后,采用K Means聚类算法来构造视觉词 汇表【8]。SIFT提取的视觉词汇向量之间根据距离 

的远近,可以利用算法将词义相近的词汇合并, 

得到 个聚类中心作为视觉单词,生成单词表中 

的基础词汇,再由视觉单词构成视觉词汇表,进 

而利用单词表中的词汇表示害虫图像。 最后,利用SIFT算法,可以从每幅油茶害虫 

图像中提取多个特征点,这些特征点都可以用单 

词表中的单词近似代替,通过统计单词表中每个 

单词在图像中出现的次数,可以将图像表示成为 

一个 维数值向量[9】。对每幅害虫图像中的每个 

向量计算Ⅳ个最近邻视觉单词,然后计算第k个 

的视觉单词的质量: 

N M 1 q(t )=∑∑ ,tK)。 (3) i=1 j=l‘ 式(3)中: 表示与视觉单词 第i接近的特征 

维数; 表示视觉单词tK与特征向量 之间的 相似度。本文中采用欧氏距离进行度量,对每个 

视觉单词计算其质量,如果满足 

)[]h m a…x, )】, (4) 

就保留,不然则舍去。式(4)中的h为视觉单词 

的质量阈值。在满足实时性要求的同时要保证识 

别率,本文取N=3,h=0.8。

 72 谢林波,等:基于BoW模型的油茶害虫图像分类 第5期 

3 SVM分类器的设计 

支持向量机(Support Vector Machine 是在 1995年由Cortes和Vapnik第一次提出。SVM相 

比于传统的基于经验风险最小化理论的学习方法, 

它的泛化能力更强,因为它是一种基于结构风险 最小化理论的学习方法[1 。SVM在解决小样本问 

题上具有比较大的优势,在工、农业等领域的分 类和识别问题中得到比较广泛的应用。 

SVM方法在采集的样本数目较有限的情况下 可以获得较好的分类效果,利用SVM进行油茶害 

虫图像识别分为两部分——训练和测试。在训练 阶段,可以获取油茶害虫图像不同的SIFT特征、 

不同的视觉词汇本和不同的BoW模型,将这些不 

同的BoW模型可以训练得到不一样的SVM分类 

器;在测试阶段,将训练得到的不同分类器分别 对测试样本进行分类,进而就可以得到不同的分 

类结果,即可获得测试训练出来的分类器的识别 

率。SVM分类器进行识别的流程见图1。 

图1 油茶害虫图像识别流程 Fig.1 Flow of oil-tea pest image recognition 

3.1核函数选择4 实验结果与分析 

对未知数据进行测试时的分类能力是SVM的 

泛化能力。用支持向量机方法进行模式识别及分 

类时需选择一个合适的核函数,核函数是SVM模 型中很重要的一个参数隅】。选择不同的核函数,关