基于深度学习的移动端水果识别

1. 引言

中国自古以来重视农业发展，尤其在水果种植方面取得了显著成就，品种繁多，面积广泛覆盖，居全球前列。随着经济增长和生活品质提升，消费者更加注重饮食营养，水果已成为生活中不可或缺的一部分，使中国成为全球最大的水果消费地[1]。目前，水果商户主要依赖人工识别水果种类并进行称重和结算，这种方式不便且不环保。水果种类繁多，外观相似，增加了识别难度，人工处理速度慢且易出错。中国劳动力成本不断上升，传统服务模式浪费人力资源，影响顾客满意度和超市盈利。因此，探索自动水果识别结算方法十分重要[2]。

水果识别技术通过深度分析水果图像或视频，实现智能判别，广泛适用于水果商店和无人超市，提升购物体验，减少人力成本，优化运营效果。加快智慧农业发展，推动农业数字化、智能化发展，实现高效可持续的智慧农业。推动智能城市发展，在无人自助超市中，智能水果识别系统能自动完成消费流程，提供便捷高效的购物体验。

2. 相关工作

基于机器视觉的水果识别方法通常包括三个步骤。首先是图像预处理，包括调整图像的亮度和对比度、颜色空间转换、直方图均衡化、以及像素值归一化[3]。其次是特征提取，方法包括颜色直方图([4]、Gabor滤波[5]、局部二值模式[6]、方向梯度直方图[7]、边缘特征如Sobel [8]和Canny [9]、尺度不变特征变换[10]以及主成分分析[11]。最后是分类，常用方法有支持向量机[12]、K最近邻[13]、决策树(Decision Tree) [14]和随机森林[15]。

近年来，基于深度学习的水果识别方法取得了显著进展。Enciso等人基于AlexNet模型在320张数据集上，对柠檬的新鲜和腐烂分类分别达到了98.25%和93.73%的准确率[16]。孟欣欣等人基于计算机视觉的香梨果实目标检测模型，使用Resnet模型在9600张水果数据上进行预训练，并构建了Mask R-CNN模型，在成熟香梨数据集上的平均分割准确率达到98.02% [17]。Xue等人提出了一种基于深度学习的混合水果分类方法，构建了CAE-ADN框架，结合了注意力模型和卷积自动编码器，实现了高效的水果图像分类[18]。Lu等人基于DenseNet201模型和迁移学习技术，实现了番茄分类的高准确率，即使在图像质量受干扰的情况下，分类准确率仍达到96.16% [19]。

此外，Chandel等人基于GoogLeNet模型，提出了一种用于识别农作物水分胁迫条件的方法，在1200张包含玉米、秋葵和大豆的数据集上，表现优异[20]。Kang等人基于ResNet模型，建立了一个能够区分水果新鲜度和种类的分类模型，收集了18,000张包含7类水果的图片，通过迁移学习技术进行模型训练，新鲜度分类的识别准确率达到98.50%，种类分类的识别准确率为97.43% [21]。Ismail等人提出了一种基于CNN的实时水果等级分类系统，使用EfficientNet模型对苹果和香蕉的数据集进行验证，分类准确率达99.2% [22]。Huang等人提出了一种基于ViT的神经网络模型，建立了一个包含9375次对15种水果的触觉数据集[23]。这些研究展示了深度学习在水果识别中的广泛应用和高效性能，为进一步研究和应用提供了坚实的基础。

3. 方法

3.1. 基础模型选择

针对移动端的水果识别应用部署，本文选用内存为2 GB的Rockchip RK3399-mid芯片，因此需要考虑模型权重大小和模型计算量。因此本文对模型的筛选规则为模型计算量(FLOPS/106)小于10,000，模型参数量小于100 M。通过对目前主流的网络模型进行筛选，本文选用DenseNet-169 [30]为本文的骨干网络，用于后续的研究，其模型结构如图1所示。

Figure 1. DenseNet-169 model architecture

图1. DenseNet-169模型结构

3.2. 注意力机制

为进一步提升模型性能。让模型更好地关注到水果的细节纹理，小目标水果特征，并缓解包装、摆放数量等干扰信息的影响，本文尝试在骨干网络中引入注意力机制。结合DenseNet-169模型自身特点，其优势在于稠密块连接，如在稠密块中添加注意力将会破坏稠密结构，因此，本文主要在其稠密块连接处进行添加注意力。

本文设计新的注意力模块，残差混合注意力(Residual Mixed attention, RMA)。同时考虑空间和通道信息，使用多尺度卷积特征融合形式提取通道信息，并添加残差连接，相比于单一尺度特征提取，多尺度特征可以动态调整对目标的关注程度，使得模型对于尺度变化具有更好的适应性，综合利用水果的全局结构和局部细节信息提高模型对图像的识别准确性，从而提高模型的鲁棒性。

其模型结构如图2所示，首先分别通过3 × 3卷积核和5 × 5卷积核对输入特征进行卷积提取，得到两个不同尺度的特征图，然后通过相加操作同时结合两个不同尺度的特征图，输入至全局平均池化层得到权重向量，并通过一个线性层来映射全局特征向量，再通过Sigmoid激活函数将其归一化到0到1之间，得到全局特征向量，然后分别对所提取的多尺度特征进行加权输出，并通过Concat操作按照通道拼接，然后对特征使用1 × 1卷积核进行通道融合并输入空间注意力模块。

Figure 2. Residual Mixed Attention (RMA) module

图2. 残差混合注意力RMA模块

3.3. 添加ViT Block

深层特征是对输入数据进行多次非线性变换后得到的结果，具有更高级的语义信息，因此对深层特征的信息整合可以使得模型具有更好的泛化性，提升识别精度。ViT [24]架构使用自注意力机制来捕捉图像中的全局信息，能够更好地理解图像整体结构和上下文关系，具有更好的语义理解能力，可以增强模型的泛化能力。

因此为提升模型深层语义提取能力，增强泛化性。本文实现适合在CNN模型中添加的ViT Block，其模型结构如图3所示，通过对三维输入特征按照形状依次展平变成二维特征，并进行线性映射实现通道特征融合得到新的长度为D的二维特征，然后对特征进行位置编码，输入Encoder块，进行深层特征抽取，并输出特征。

Figure 3. ViT Block module

图3. ViT Block结构图

本文尝试在DenseNet-169模型中添加基于ViT架构的语义提取模块。通过分析认为CNN在处理图像浅层特征时具有先验知识即归纳偏置(Inductive Bias)例如平移等变性、局部连接性，因此能够更好地利用图像本身的空间信息，而ViT结构缺少了这种归纳偏置，并且在前期ViT架构计算复杂度也较高。因此对于低级特征处理阶段CNN更具优势，而随着模型层数的加深，多重卷积操作使得模型特征逐渐深层化，使得特征更加具有语义性，且特征尺寸有所下降，此时ViT Block更具有优势。最终的模型结构如图4所示。

Figure 4. DenseRMA_ViT model architecture

图4. DenseRMA_ViT模型结构图

3.4. 改进损失函数

损失函数在分类模型中扮演着非常重要的角色，用于衡量模型预测与真实标签的差距，模型根据损失来调整参数，模型的训练过程旨在最小化损失函数，使得模型能够从训练数据中学到合适的特征和规律，以便正确分类样本。因此选择合适的损失函数可以帮助提高模型的性能、泛化能力以及对特定问题的适应性。常规分类损失函数为交叉熵损失(Cross-Entropy Loss)，计算公式如下：

其中K为水果类别数，P为预测概率类别向量，y为真实标签独热编码向量。

通过分析模型训练损失曲线图和数据集特点发现，数据集样本中简单样本居多，困难样本相对较少。而交叉熵损失函数没有对简单样本和困难样本的损失进行区分。虽然困难样本的损失较大，但是简单样本数量多，这将会导致模型过多地关注简单样本的损失，模型难以学习困难样本的特征。同时本文水果识别系统在后续使用中会对识别错误的水果图片进行收集，并进行模型微调，然而在实际使用中，对于热销水果收集到的图片必定更多，这对于后续模型微调将会造成类别样本不均衡问题。基于上述两个问题，本文基于Focal Loss [25]对损失函数进行改进，计算公式如下：

其中t为对应类别序号，wt为对应类别损失权重，在训练之前设定，统计训练样本类别数量，设定样本数最高类别的损失权重为1，其他类别的损失权重为与样本数最高类别的比值的倒数，即数量越少权重越大，因此相对地提升小样本数量类别的损失权重。Pt为对应预测类别概率。当Pt越接近1，即样本为简单样本，(1 − Pt)2则相对越小，模型对简单样本的损失相对权重越小。当Pt越接近0，即样本为困难样本，(1 − Pt)2则相对越大，模型对困难样本的损失相对权重越大。

4. 实验

4.1. 数据集

目前常见的水果数据集包括FruitVeg-81 [26]、Fruits-262 [27]、Fruits-360 [28]等，其中数字代表数据集中水果种类数量，图5展示了部分上述水果数据集的图片。可以看出尽管Fruits-360的水果种类众多，但相对于其他数据集过于简单，不适合实际超市场景的应用。FruitVeg-81数据集除了水果图片，还包含了蔬菜图片，并且果蔬类别数量相较于Fruits-262较少，因此在公开数据集中，Fruits-262数据集更加适合作为水果识别系统模型训练数据集。

尽管Fruits-262包含大量水果种类和图片，但与本地超市的水果种类仍有差距。例如，本地超市的苹果种类包括树顶红富士、优选红富士、脆心甜红富士、甜心小苹果，而Fruits-262中有apple (苹果)、elephant apple (象苹果)、malay apple (马来苹果)、otaheite apple (塔希提苹果)，相关图片如图6所示。虽然其他三类水果名称与apple相关，但与本地常见苹果差异较大，难以视为同一类。类似情况在其他水果中也存在。因此，Fruits-262尽管种类多，但未细分类，也未覆盖本地超市的水果种类。因此，构建适用于本地超市的水果数据集对于水果识别系统至关重要。

Figure 5. Sample Images from the public dataset

图5. 公开数据集部分图片

Figure 6. Images of some apple varieties from the fruits-262 dataset

图6. Fruits-262部分相关苹果种类图片

本文通过自制数据集用于训练模型得到权重，用于实际超市水果识别系统，并且使用公开数据集Fruits-262验证模型在算法上改进的有效性。在实际超市应用场景中，水果种类繁多同时存在较多细分类，因此为贴合超市的实际使用，在拍摄时覆盖超市所有种类水果，确保数据集的多样性。本文拍摄49种超市水果，在实际分类模型中，模型依照序号对类别预测概率进行输出。由于水果包装状态存在差异，包括袋装盒装和散装等，因此本文考虑到实际使用针对不同水果的不同包装进行拍摄，提高模型的泛化性。针对不同水果的状态拍摄，如图7为小番茄不同状态下的拍摄图片。

数据集扩增有助于提升模型泛化性和识别精度，防止过拟合。Meta开源的SAM (Segment Anything Model) [29]实现了无需标注即可对任意图像中的任何物体进行分割。本文基于SAM设计了水果数据集扩增方法。将图片传入SAM，随机生成多个提示输入，对图像进行分割，得到分割对象。然后对分割对象进行1到4次随机复制，并随机翻转、旋转、缩放，在背景图像上随机粘贴，完成数据扩增。如图8所示，对同一张草莓图像随机生成提示点进行扩充，左列为随机提示点，中间为分割实例，右列为最终扩充图。最终，每种水果图片扩增至6000张，总计29.4万张，命名为DailyFruit-49。

Figure 7. Photoshoot of cherry tomatoes in different states

图7. 小番茄不同状态下的图片拍摄

Figure 8. Fruit image augmentation concept based on SAM

图8. 基于SAM的水果图片扩增示意图

4.2. 评价指标

为了全面客观地评价模型对水果识别的性能，本文采用多种图像分类评价指标，包括准确率(Accuracy)、精确率(Precision)、召回率(Recall)、F1分数(F1 Score, F1)。准确率、精确率、召回率的数学表达式如式(3)、(4)、(5)所示。表1解释了式中元素具体情况。

Table 1. Table of precision and recall explanation

表1. 精确率和召回率解释表

F1分数是精确率和召回率的调和平均，综合考虑了分类器的精确性和召回率，是一个综合性的评价指标，可以更加综合地反映了分类器的性能。其数学表达式如式(4)所示。

4.3. 消融实验

为验证改进模型的有效性，本文使用公开数据集Fruits-262进行消融实验，验证算法改进的有效性，尽管Fruits-262数据与实际应用数据相差较大，但是从算法角度，复杂数据依然存在参考价值。为证明本文对模型改进的有效性，对RMA模块、ViT Block、Focal Loss进行消融实验，并统计结果如表2所示，由表可知相较于基础骨干网络，3种改进方案的有效性，模型最终Accuracy、Precision、Recall、F1为75.28%、75.84、75.37%、75.60%，相较于仅添加RMA模块，虽然精确率有所降低，但是召回率和综合性能F1有所提升，说明模型有效缓解了样本不均衡，提升了模型的综合性能，证明Focal Loss改进的有效性。同时对比原始模型1号DenseNet-169，添加改进模块的模型性能均有所提升，证明DenseRAM_ViT改进的有效性。

Table 2. Ablation study results on the Fruits-262 dataset

表2. 在Fruits-262数据集上的消融实验结果

同时为了直观展现添加RMA的效果对比，如图9使用梯度类激活热力图对Fruits-262数据集中部分图像各区域受关注程度做可视化展示，由图第一行对比可知，相对于原始模型DenseNet-169，添加了RMA注意力模型减少了对背景的关注，并且加大了对水果目标的关注，由图第二行对比可知，改进模型增大了对水果目标的关注程度与范围，因此证明了本文改进注意力RMA的有效性。

Figure 9. Comparison of heatmaps with and without the Introduction of the RMA module

图9. 引入RMA模块热力图对比

4.4. 结果对比

为了说明本文模型设计的有效性，列举具有代表性的同类水果识别研究进行对比，结果如表3所示，尽管有些研究识别性能很好，但是他们的研究水果种类与数量较少，不具有代表性。在公开数据集Fruits-262上，本文最终实现模型DenseRMA_ViT性能相对于数据集发布者Minut [28]有较大提升。在自制数

Table 3. Comparison of related studies on fruit recognition

表3. 水果识别相关研究对比

据集DailyFruit-49上，本文对比了深度学习经典分类模型Mobile v2、ResNet、DenseNet、ViT，由此证明模型的改进有效性，同时本实验覆盖的水果种类范围大，前5类识别精度达到99.73%，识别率能够满足实际使用需求。综上可知本实验设计的水果识别算法在水果识别领域具有应用价值。

4.5. 系统实现

系统的终端为Android系统，深度学习模型基于Pytorch框架和Python语言实现，但无法直接在终端部署。因此，需要将模型转换为适合终端部署的格式。本文采用TorchScript进行模型格式转化。TorchScript [33]具有运行独立性、高性能、跨平台支持等优点，可以将PyTorch模型转换为独立格式，使其无需依赖Python解释器，可以在移动端和嵌入式设备上运行，并且无需重新训练模型。同时，TorchScript的静态图表示可以优化模型性能和效率，如进行模型剪枝等。经过测试，水果识别终端设备不需要高性能CPU或GPU，在瑞芯微的RK3399芯片上可以流畅运行，其他设备如摄像头也不需要高端配置。

本文系统设计框架如图10所示，分为四个模块：水果检测模块、前端交互模块、后台自更新模块、终端更新模块。四个模块相互连接，形成闭环，实现系统自更新。系统通过摄像头实时拍摄用户购买的水果图像，使用模型进行识别，并在终端界面展示供用户交互。用户可在终端界面更正识别错误的水果种类，并将正确信息上传至后台服务器。后台系统收集误识别图片，管理人员进行检测与修正。当误识别图片达到一定数量，后台启动迁移学习进行模型微调，并发布新权重。终端设备每日重启时会检查新权重并进行更新。整个系统实现了水果图像自动化识别与模型权重自优化，随着使用时间的推移，系统将获得更大的水果图像数据集和更优的模型权重。

Figure 10. Framework diagram of deep learning-based fruit detection system

图10. 基于深度学习的水果检测系统设计框架图

水果检测模块为主要功能，涉及整个装置，其整体结果如图11所示，该模块包括摄像头拍摄模块、水果展示台、终端处理模块。由用户将待购买商品放入展示台，并通过摄像头进行拍摄传入终端，终端设备部署识别程序，对水果进行识别。模型的部署包括对所得到的Pytorch模型权重pth文件进行转换为TorchScript格式，再结合Android应用程序进行模型嵌入转换好的模型完成部署。

Figure 11. Fruit photography device

图11. 水果拍摄装置

4.6. 实际超市水果验证

为验证DenseRMA_ViT水果识别算法的有效性，在本地超市进行了实地拍摄和识别测试。由于季节原因，部分水果未在售，对28种在售水果进行拍摄，每种4张，分别以袋装和散装1:3拍摄，共112张。拍摄过程中不固定光照、角度和距离，以增加难度。识别结果显示，Top5全部正确，但有些不足，如奇异果的Top1识别错误。整体上，模型Top1识别准确率为84.82%，Top5为96.43%。相比基础模型DenseNet-169的Top1准确率79.46%、Top5准确率90.18%，改进模型分别提升了5.36%和6.25%。尽管存在误识别，系统可以收集误识别图像，更新数据集并微调模型权重，从而提升精度。

Figure 12. Supermarket real-world testing

图12. 超市实拍测试

5. 结论

水果自动识别提升商店效益，减少标签，环保，是智慧农业关键。本文为本地超市构建了新水果数据集，设计了基于深度学习的识别系统，实现自动识别，加快智慧农业推广。拍摄超市各种水果，考虑盒装、袋装、散装等不同包装。首次应用SAM进行数据扩增，构建包含49种水果、29.4万张图片的DailyFruit-49数据集。选择DenseNet为基础模型，结合通道与空间注意力机制，设计RMA注意力机制，改进ViT Block用于深层语义特征提取，得到DenseRMA_ViT模型。基于Focal Loss改进交叉熵损失函数，增强对困难和少样本水果的关注，提升模型泛化性。在低算力终端部署识别系统，并设计自动微调模型权重的机制，通过收集误识别图片不断优化模型，提升识别率，验证超市实际效果。

NOTES

*通讯作者。

参考文献