周华茂1， 王婧1， 殷华2， 陈琦2*
（1.江西农业大学 工学院，江西南昌330045，中国；2.江西农业大学 计算机与信息工程学院，江西南昌330045，中国）
摘要：
［目的/意义］秀珍菇表型是其品质和栽培环境适应性的反映，但目前人工测量表型参数耗时费力、主观性强，亟需自动化分析手段。
［方法］一种基于改进Mask R-CNN的秀珍菇测量模型PG-Mask R-CNN（Pleurotus geesteranus-Mask Region-Based Convolutional Neural Network），提出以损伤率为指标的裂纹评价方法，并对其进行量化评价。PG-Mask R-CNN模型以Mask R-CNN为主体，通过向特征提取网络Resnet101中添加SimAM注意力机制，在不增加原始网络参数的情况下提高网络性能；采用改进的特征金字塔进行多尺度融合，融合多层级的信息进行预测；将GIoU（Generalized Intersection over Union）边界框回归损失函数替代原有的IoU（Intersection over Union）损失函数，完善图像重叠度的计算，进一步提高模型性能。
［结果和讨论］PG-Mask R-CNN模型目标检测的mAP和mAR分别为84.8%和87.7%，均高于目前主流的YOLACT（You Only Look At CoefficienTs）、InstaBoost、QueryInst和Mask R-CNN模型；实例分割结果的MRE（Mean Relative Error）为0.90%，均低于其他实例分割模型；PG-Mask R-CNN模型的参数量为51.75 M，略大于原始的Mask R-CNN，均小于其他实例分割模型。对分割后的菌盖和裂纹进行测量，所得结果的MRE分别为1.30%和7.54%，损伤率的MAE（Mean Absolute Error）为0.14%。
［结论］本研究提出的PG-Mask R-CNN模型对秀珍菇的菌柄、菌盖及裂纹识别与分割具有较高的准确率，在此基础上能够实现对秀珍菇表型参数的自动化测量，这为后续秀珍菇智慧化育种、智能栽培与分级奠定了技术基础。
关键词： 秀珍菇；Mask R-CNN；SimAM模块；Resnet101；表型分析；改进的特征金字塔
文章图片
图1 秀珍菇数据集标注样例
Fig. 1 Sample of Pleurotus geesteranus dataset label
图2 基于PG-Mask R-CNN的秀珍菇表型分析方法流程
Fig. 2 Phenotyping methodology process of Pleurotus geesteranus based on PG-Mask R-CNN
图3 PG-Mask R-CNN网络结构图
Fig. 3 Structure of PG-Mask R-CNN network
图4 DFPN网络结构
Fig. 4 Structure of DFPN network
图5 GIoU边界框损失函数原理图
Fig. 5 Schematic diagram of GIoU bounding box loss function
图6 秀珍菇在Grabcut和不同实例分割方法下的分割实验结果对比
Fig. 6 Comparison of the results of the segmentation experimental of Pleurotus geesteranus between Grabcut and other different instance segmentation methods
图7 利用PG-Mask R-CNN模型测量秀珍菇损伤率并与真值对比
Fig. 7 Damage rate comparison results of Pleurotus geesteranus between the measured values using PG-Mask R-CNN model and the true value
注：蓝色框代表检测到的裂缝；红色框代表错检或遗漏的裂缝。
图8 检测秀珍菇裂纹时出现的漏检和错检情况
Fig. 8 Missing detection and wrong detection when detecting Pleurotus geesteranus crack
通信作者简介
陈琦 副教授
陈琦，副教授，自2003年来一直从事计算机应用、农产品电商等方面的教学和科学研究，作为江西省科技特派员、江西省共享师资，省农业厅和南昌农业科学院专家库成员，江西省数字乡村研究院专家组成员，年均为高素质农民、产业农民、“一村一大”授课近五十场，近年来主持横纵项课题5项，参与完成国家级和省级课题8项，发表EI、中文核心和一般期刊等各类论文15篇，其中，第一作者发表EI（A类）论文4篇；以第一作者或通讯作者发表北大中文核心论文5篇；主编教材2部，副主编教材3部。以第一作者获计算机软件著作权2项。
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