Nghiên cứu và phát triển phương pháp nhận dạng cây đa phương thức - Luận án tiến sĩ
Luận án: Nghiên cứu và phát triển các phương pháp nhận dạng cây dựa trên nhiều ảnh bộ phận của cây có tương tác với người sử dụng luận án tiến sĩ. Xem tóm tắt v
Luan An
Luận án tiến sĩ
Năm xuất bản
Số trang
139
Thời gian đọc
21 phút
Lượt xem
2
Lượt tải
0
Phí lưu trữ
40 Point
Tổng quan nhanh
- Chủ đề:
- 1. Tổng quan về nhận dạng cây tự động và đa phương thức.
- Số trang:
- 139 trang
- Trường:
- Đại học Bách khoa Hà Nội
- Chuyên ngành:
- Computer Science
- Tác giả:
- Nguyen Thi Thanh Nhan
- Năm:
- 2020
Tóm tắt nội dung luận án
I. Tổng quan về nhận dạng cây tự động và đa phương thức
Nghiên cứu tập trung vào phát triển hệ thống nhận dạng cây tự động. Hệ thống này sử dụng dữ liệu đa giác quan. Mục tiêu chính là nâng cao độ chính xác trong phân loại thực vật. Các phương pháp truyền thống thường dựa vào một đặc điểm duy nhất. Điều này gây khó khăn khi dữ liệu không đầy đủ. Công nghệ nhận dạng thực vật đang phát triển nhanh chóng. Đặc biệt là với sự tiến bộ của học máy và thị giác máy tính thực vật. Nhu cầu nhận dạng cây hiệu quả ngày càng tăng. Cần một giải pháp toàn diện hơn. Nghiên cứu này đề xuất một cách tiếp cận mới. Cách tiếp cận này kết hợp nhiều nguồn thông tin. Điều này giúp cải thiện đáng kể khả năng nhận dạng. Hạn chế của các hệ thống hiện có được giải quyết.
1.1. Lịch sử và các phương pháp nhận dạng cây.
Lịch sử nhận dạng thực vật bao gồm nhiều giai đoạn. Ban đầu, việc nhận dạng cây chủ yếu dựa vào thủ công. Các chuyên gia thực vật học sử dụng kiến thức sâu rộng. Họ phân loại thực vật dựa trên quan sát trực tiếp. Sau đó, công cụ bán tự động xuất hiện. Các công cụ này hỗ trợ quá trình phân loại thực vật. Tuy nhiên, chúng vẫn yêu cầu sự can thiệp của con người. Sự phát triển của máy tính mở ra kỷ nguyên mới. Nhận dạng cây tự động từ hình ảnh trở thành trọng tâm. Các phương pháp ban đầu tập trung vào đặc trưng đơn lẻ. Ví dụ như hình dạng lá cây hoặc màu sắc hoa quả cây. Các phương pháp này đặt nền móng cho các hệ thống phức tạp hơn.
1.2. Hạn chế của nhận dạng cây truyền thống.
Các phương pháp nhận dạng cây truyền thống có nhiều hạn chế. Chúng thường chỉ dựa vào một loại đặc điểm. Ví dụ, chỉ nhận dạng lá cây hoặc nhận dạng vỏ cây. Điều này làm giảm độ tin cậy của hệ thống. Dữ liệu thực vật thường không đầy đủ hoặc bị hỏng. Một số bộ phận của cây không phải lúc nào cũng có sẵn. Ví dụ, cây không ra hoa hoặc không có quả. Sự biến đổi tự nhiên của thực vật cũng là thách thức. Cùng một loài có thể có hình thái khác nhau. Điều kiện môi trường ảnh hưởng đến sự phát triển. Các hệ thống truyền thống thiếu khả năng học hỏi. Chúng không thể thích ứng với dữ liệu mới. Điều này giới hạn phạm vi ứng dụng của chúng. Cần có một giải pháp mạnh mẽ hơn để giải quyết các vấn đề này.
1.3. Ưu điểm của phương pháp đa giác quan.
Phương pháp nhận dạng cây đa giác quan mang lại nhiều ưu điểm. Nó kết hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau. Điều này bao gồm lá, hoa, quả, và vỏ cây. Việc tổng hợp dữ liệu giúp tăng độ chính xác. Nó giảm thiểu rủi ro khi một bộ phận bị thiếu. Phương pháp này làm tăng tính bền vững của hệ thống. Nó hoạt động tốt hơn trong điều kiện thực tế. Khả năng thích ứng với nhiều tình huống là điểm mạnh. Nó giúp phân loại thực vật chính xác hơn. Điều này đặc biệt hữu ích cho các loài khó phân biệt. Dữ liệu đa giác quan cung cấp cái nhìn toàn diện. Nó hỗ trợ học máy nhận dạng cây hiệu quả.
II. Phương pháp nhận dạng cây dựa vào đặc điểm lá
Nghiên cứu trình bày một phương pháp nhận dạng cây hiệu quả. Phương pháp này tập trung vào đặc điểm của lá cây. Lá cây là một trong những bộ phận quan trọng nhất để phân loại thực vật. Hình dạng, kết cấu và màu sắc của lá mang nhiều thông tin. Phương pháp sử dụng các kỹ thuật thị giác máy tính thực vật tiên tiến. Mục tiêu là trích xuất các đặc trưng phân biệt. Điều này giúp hệ thống học máy nhận dạng cây hoạt động tốt hơn. Quá trình xử lý hình ảnh lá cây được tối ưu hóa. Các mô hình được huấn luyện để phân biệt các loài. Độ chính xác cao là mục tiêu chính của phương pháp này. Công việc giải quyết thách thức về biến đổi hình thái lá. Đồng thời xử lý các điều kiện thu thập ảnh khác nhau.
2.1. Khai thác đặc trưng pixel và vùng ảnh.
Quá trình nhận dạng bắt đầu bằng việc khai thác đặc trưng. Các đặc trưng ở cấp độ pixel và cấp độ vùng ảnh được thu thập. Đặc trưng pixel bao gồm thông tin màu sắc, độ sáng và kết cấu. Các thông số này phản ánh cấu trúc nhỏ của lá. Đặc trưng vùng ảnh được tạo ra từ các bản vá hình ảnh. Các bản vá này có kích thước thích ứng. Chúng giúp nắm bắt cấu trúc cục bộ và toàn cục của lá. Việc trích xuất đặc trưng đa dạng rất quan trọng. Điều này cung cấp thông tin phong phú cho thuật toán học máy. Các kỹ thuật phân tích hình ảnh cây được áp dụng. Điều này giúp đảm bảo đặc trưng chất lượng cao. Chúng có khả năng phân biệt giữa các loài thực vật khác nhau. Việc này hỗ trợ cho việc phân loại thực vật chính xác.
2.2. Áp dụng thuật toán kernel descriptor.
Để tăng cường khả năng phân biệt, thuật toán kernel descriptor được sử dụng. Thuật toán này giúp biểu diễn các đặc trưng vùng ảnh một cách hiệu quả. Nó chuyển đổi các đặc trưng thành định dạng có thể so sánh. Kernel descriptor cung cấp một cách tiếp cận mạnh mẽ. Nó xử lý sự thay đổi và biến dạng trong hình ảnh. Điều này cải thiện độ bền của hệ thống. Các đặc trưng được biểu diễn dưới dạng vector. Sau đó, chúng được đưa vào mô hình học máy nhận dạng cây. Việc sử dụng kernel descriptor giúp nắm bắt các mối quan hệ phức tạp. Các mối quan hệ này tồn tại trong dữ liệu hình ảnh. Điều này dẫn đến hiệu suất nhận dạng tốt hơn. Nó vượt trội so với các phương pháp trích xuất đặc trưng đơn giản. Sự kết hợp này mang lại lợi ích đáng kể.
2.3. Đánh giá trên các bộ dữ liệu phổ biến.
Phương pháp này đã được đánh giá kỹ lưỡng. Các thử nghiệm được thực hiện trên các bộ dữ liệu công khai. Ví dụ, ImageCLEF 2013, Flavia và LifeCLEF 2015. Các bộ dữ liệu này chứa hình ảnh lá cây đa dạng. Kết quả cho thấy hiệu suất cao của phương pháp. Đặc biệt là trong việc phân loại thực vật. Độ chính xác đạt được là đáng kể. Điều này khẳng định tính hiệu quả của các kỹ thuật. Nó cũng chứng minh khả năng ứng dụng rộng rãi. Các thử nghiệm này củng cố niềm tin vào phương pháp. Nó cho thấy tiềm năng của việc nhận dạng lá cây tự động.
III. Kết hợp đa giác quan trong nhận dạng thực vật
Nghiên cứu tập trung vào việc hợp nhất thông tin. Dữ liệu đa giác quan từ các bộ phận cây khác nhau được sử dụng. Điều này bao gồm nhận dạng lá cây, nhận dạng vỏ cây và nhận dạng hoa quả cây. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống nhận dạng thực vật mạnh mẽ hơn. Việc kết hợp dữ liệu giúp khắc phục hạn chế của phương pháp đơn lẻ. Mỗi bộ phận cây cung cấp thông tin đặc trưng riêng. Việc tổng hợp các thông tin này giúp cải thiện độ chính xác. Học máy nhận dạng cây đóng vai trò trung tâm. Các kỹ thuật hợp nhất dữ liệu được khám phá. Chúng bao gồm hợp nhất sớm và hợp nhất muộn. Phương pháp này nhằm mục đích đạt được hiệu suất cao nhất. Đồng thời giảm thiểu rủi ro từ dữ liệu thiếu.
3.1. Các phương pháp hợp nhất sớm và muộn.
Trong nhận dạng cây đa giác quan, có hai chiến lược hợp nhất chính. Hợp nhất sớm (early fusion) kết hợp các đặc trưng ở giai đoạn đầu. Các đặc trưng từ các bộ phận cây khác nhau được nối lại. Sau đó, chúng được đưa vào một mô hình phân loại duy nhất. Phương pháp này yêu cầu các đặc trưng phải tương thích. Hợp nhất muộn (late fusion) kết hợp các quyết định cuối cùng. Mỗi bộ phận cây được phân loại độc lập. Sau đó, kết quả của từng bộ phận được tổng hợp. Các kỹ thuật như bỏ phiếu hoặc trung bình hóa được sử dụng. Mỗi chiến lược có ưu và nhược điểm riêng. Việc lựa chọn phương pháp phù hợp rất quan trọng. Điều này phụ thuộc vào loại dữ liệu và mục tiêu nhận dạng.
3.2. Mô hình hợp nhất RHF được đề xuất.
Nghiên cứu giới thiệu một mô hình hợp nhất mới: RHF. Mô hình này được thiết kế để xử lý hiệu quả dữ liệu đa giác quan. RHF tích hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau. Nó tận dụng sức mạnh của các đặc trưng độc lập. Đồng thời, nó học cách kết hợp chúng một cách tối ưu. RHF giải quyết vấn đề dữ liệu thiếu hụt. Mô hình này có khả năng thích ứng linh hoạt. Nó vẫn duy trì hiệu suất cao ngay cả khi một số bộ phận cây không có. Cách tiếp cận này mang lại độ bền vượt trội. Nó giúp nâng cao khả năng phân loại thực vật. RHF là một đóng góp quan trọng cho lĩnh vực nhận dạng cây. Nó mở ra hướng nghiên cứu mới.
3.3. Tối ưu hóa lựa chọn mô hình phân loại.
Việc lựa chọn mô hình phân loại cho từng giác quan là rất quan trọng. Nghiên cứu đã thử nghiệm các mô hình khác nhau. Mục tiêu là tìm ra mô hình phù hợp nhất. Các mô hình này bao gồm SVM, Random Forest, và các mạng nơ-ron. Hiệu suất của từng mô hình được đánh giá riêng biệt. Sau đó, chúng được tích hợp vào mô hình hợp nhất RHF. Quá trình tối ưu hóa này đảm bảo hiệu quả cao nhất. Nó giúp nâng cao khả năng nhận dạng thực vật. Điều này tạo ra một hệ thống mạnh mẽ và linh hoạt. Hệ thống có thể xử lý nhiều loại dữ liệu khác nhau.
IV. Ứng dụng học máy và thị giác máy tính thực vật
Lĩnh vực nhận dạng cây đã chứng kiến sự bùng nổ. Sự bùng nổ này nhờ vào học máy và thị giác máy tính thực vật. Các công nghệ này cung cấp công cụ mạnh mẽ. Chúng dùng để phân tích hình ảnh cây và phân loại thực vật. Các mô hình học sâu có khả năng tự động trích xuất đặc trưng. Điều này giúp giảm bớt công sức thủ công. Đồng thời, nó cải thiện đáng kể hiệu suất. Nghiên cứu này áp dụng các kỹ thuật tiên tiến. Các kỹ thuật này bao gồm mạng nơ-ron tích chập (CNN). Mục tiêu là xây dựng hệ thống nhận dạng cây hiệu quả. Hệ thống này có thể hoạt động trong môi trường thực tế. Ứng dụng này mở rộng khả năng của hệ thống.
4.1. Vai trò của đặc trưng sâu trong nhận dạng.
Đặc trưng sâu (deeply-learned features) đóng vai trò then chốt. Chúng được học trực tiếp từ dữ liệu hình ảnh. Các mạng nơ-ron tích chập tự động phát hiện các mẫu phức tạp. Các mẫu này không thể dễ dàng nhận ra bằng mắt người. Đặc trưng sâu có khả năng biểu diễn cao. Chúng nắm bắt được nhiều khía cạnh của hình ảnh. Điều này bao gồm kết cấu, hình dạng và mối quan hệ không gian. Việc sử dụng đặc trưng sâu cải thiện đáng kể độ chính xác. Nó vượt trội so với các đặc trưng thủ công. Đặc trưng sâu giúp mô hình học máy nhận dạng cây đạt hiệu suất vượt trội. Điều này đặc biệt đúng với các tập dữ liệu lớn và đa dạng.
4.2. Các mô hình học sâu cho phân loại thực vật.
Nhiều mô hình học sâu đã được áp dụng. Các mô hình này dùng cho tác vụ phân loại thực vật. Mạng nơ-ron tích chập (CNN) là một trong số đó. CNN có khả năng xử lý hình ảnh mạnh mẽ. Các kiến trúc như ResNet, VGG hay Inception đã chứng minh hiệu quả. Chúng được tùy chỉnh cho bài toán nhận dạng cây. Các mô hình này được huấn luyện trên các tập dữ liệu lớn. Điều này giúp chúng học được các đặc điểm phân biệt. Việc lựa chọn và tinh chỉnh mô hình rất quan trọng. Nó ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất của hệ thống. Các mô hình học sâu liên tục được cải tiến. Điều này mở ra nhiều cơ hội mới. Chúng giúp nâng cao khả năng nhận dạng thực vật.
4.3. Các kỹ thuật tiền xử lý ảnh thực vật.
Tiền xử lý hình ảnh là bước không thể thiếu. Nó chuẩn bị dữ liệu cho các mô hình học máy. Các kỹ thuật này bao gồm loại bỏ nhiễu, chuẩn hóa kích thước và tăng cường độ tương phản. Mục tiêu là cải thiện chất lượng hình ảnh. Điều này giúp các đặc trưng được trích xuất tốt hơn. Các phương pháp tiền xử lý chuyên biệt được áp dụng. Ví dụ như phân đoạn lá cây khỏi nền. Điều này giúp tập trung vào đối tượng chính. Quá trình tiền xử lý hiệu quả giúp tối ưu hóa. Nó đảm bảo hiệu suất tốt nhất cho hệ thống phân loại thực vật.
V. Đánh giá hiệu suất hệ thống phân loại thực vật
Hiệu suất của hệ thống nhận dạng cây được đánh giá nghiêm ngặt. Việc này đảm bảo độ tin cậy và khả năng ứng dụng. Các thử nghiệm được thực hiện trên nhiều bộ dữ liệu chuẩn. Điều này bao gồm ImageCLEF và LifeCLEF. Các bộ dữ liệu này chứa đa dạng các loài thực vật. Chúng có các điều kiện chụp ảnh khác nhau. Các chỉ số như độ chính xác, độ gọi lại và F1-score được sử dụng. Mục tiêu là định lượng hiệu quả của phương pháp. Kết quả chứng minh tính ưu việt của cách tiếp cận đa giác quan. Nó vượt trội so với các phương pháp đơn lẻ. Quá trình đánh giá cũng chỉ ra những cải tiến tiềm năng. Điều này giúp nâng cao hơn nữa khả năng phân loại thực vật.
5.1. Kết quả trên các bộ dữ liệu chuẩn ImageCLEF.
Phương pháp được thử nghiệm trên bộ dữ liệu ImageCLEF 2013 và LifeCLEF 2015. Đây là các thách thức lớn trong nhận dạng thực vật. Chúng bao gồm hàng ngàn hình ảnh của nhiều loài cây. Các kết quả ban đầu cho thấy hiệu suất cạnh tranh. Hệ thống đạt độ chính xác cao. Điều này chứng tỏ khả năng của thuật toán. Các thử nghiệm trên bộ dữ liệu Flavia cũng được tiến hành. Bộ dữ liệu này chuyên về hình ảnh lá cây. Kết quả tiếp tục xác nhận tính hiệu quả của phương pháp. Việc phân tích hình ảnh cây trên các tập dữ liệu đa dạng là quan trọng. Nó khẳng định tính tổng quát của hệ thống.
5.2. So sánh với các phương pháp hiện có.
Hệ thống được so sánh với các phương pháp nhận dạng thực vật hàng đầu. Các phương pháp này bao gồm cả cách tiếp cận truyền thống và học sâu. So sánh cho thấy sự vượt trội của phương pháp đề xuất. Đặc biệt là khi sử dụng dữ liệu đa giác quan. Các mô hình hợp nhất giúp đạt được độ chính xác cao hơn. Chúng giải quyết tốt hơn vấn đề thiếu thông tin. Hệ thống cũng thể hiện khả năng thích ứng tốt. Nó hoạt động hiệu quả trên các tập dữ liệu khác nhau. Việc so sánh này cung cấp bằng chứng cụ thể. Nó khẳng định đóng góp của nghiên cứu. Các điểm mạnh và điểm yếu được xác định rõ ràng.
5.3. Thách thức và hạn chế của hệ thống.
Mặc dù đạt được kết quả tích cực, hệ thống vẫn đối mặt với thách thức. Sự biến đổi tự nhiên của thực vật là một vấn đề. Các điều kiện ánh sáng và góc chụp ảnh cũng ảnh hưởng. Hạn chế về số lượng và chất lượng dữ liệu vẫn tồn tại. Đặc biệt đối với một số bộ phận cây ít phổ biến. Việc mở rộng quy mô hệ thống cho hàng ngàn loài là phức tạp. Nó đòi hỏi tài nguyên tính toán lớn. Nghiên cứu này nhận diện rõ các hạn chế. Điều này tạo cơ sở cho các cải tiến trong tương lai. Mục tiêu là phát triển một hệ thống phân loại thực vật hoàn thiện hơn.
VI. Hướng phát triển nhận dạng thực vật tương tác
Nghiên cứu không chỉ tập trung vào tự động hóa. Nó còn khám phá khía cạnh nhận dạng thực vật tương tác. Mục tiêu là tạo ra một hệ thống thân thiện với người dùng. Người dùng có thể cung cấp thông tin từng phần. Hệ thống sẽ cung cấp phản hồi và gợi ý. Điều này giúp người dùng đưa ra quyết định chính xác hơn. Phương pháp này đặc biệt hữu ích cho các chuyên gia. Nó cũng có lợi cho những người đam mê thực vật. Khả năng tương tác giúp cải thiện quá trình phân loại thực vật. Nó làm cho quá trình này trở nên linh hoạt hơn. Hướng phát triển này mở rộng ứng dụng của công nghệ.
6.1. Cải thiện trải nghiệm người dùng tương tác.
Việc cải thiện trải nghiệm người dùng là trọng tâm. Hệ thống tương tác cho phép người dùng nhập dữ liệu theo từng bước. Họ có thể cung cấp hình ảnh lá cây, vỏ cây hoặc hoa quả cây. Hệ thống phản hồi bằng cách thu hẹp danh sách loài tiềm năng. Điều này giúp người dùng dễ dàng xác định loài hơn. Giao diện trực quan và dễ sử dụng là cần thiết. Nó giúp tăng cường khả năng tiếp cận của hệ thống. Khả năng cung cấp gợi ý thông minh là quan trọng. Điều này hướng dẫn người dùng trong quá trình nhận dạng. Mục tiêu là tạo ra một công cụ hỗ trợ mạnh mẽ. Công cụ này dành cho cả người mới và chuyên gia.
6.2. Mở rộng bộ dữ liệu đa giác quan.
Việc mở rộng bộ dữ liệu là yếu tố sống còn. Cần thu thập thêm dữ liệu đa giác quan từ nhiều loài khác nhau. Dữ liệu này bao gồm hình ảnh chất lượng cao của lá, hoa, quả, vỏ và cấu trúc tổng thể. Các điều kiện thu thập ảnh cũng cần đa dạng hóa. Điều này giúp mô hình trở nên mạnh mẽ hơn. Việc bổ sung dữ liệu đa dạng giúp hệ thống nhận dạng cây học hỏi tốt hơn. Nó có thể đối phó với nhiều biến thể tự nhiên. Hợp tác với các vườn thực vật và nhà sinh học là cần thiết. Điều này giúp xây dựng các bộ dữ liệu lớn và có chú thích chính xác.
6.3. Tích hợp phân tích DNA cây.
Trong tương lai, việc tích hợp phân tích DNA cây là một hướng đi tiềm năng. Dữ liệu di truyền cung cấp thông tin nhận dạng cực kỳ chính xác. Nó bổ sung cho các phương pháp dựa trên hình ảnh. Kết hợp phân tích DNA cây với thị giác máy tính thực vật tạo ra hệ thống lai. Hệ thống này có khả năng phân loại vượt trội. Nó giải quyết các trường hợp khó phân biệt bằng hình thái. Việc này có thể cách mạng hóa lĩnh vực nhận dạng thực vật. Nó mang lại độ tin cậy cao nhất. Tuy nhiên, việc tích hợp này đòi hỏi các kỹ thuật phức tạp. Nó cũng cần nguồn lực lớn.
Mục lục chi tiết luận án
Tải xuống file đầy đủ để xem toàn bộ nội dung
Tải đầy đủ (139 trang)Trích đoạn nội dung luận án
Tải xuống để đọc toàn bộHANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY NGUYEN THI THANH NHAN INTERACTIVE AND MULTI-ORGAN BASED PLANT SPECIES IDENTIFICATION Major: Computer Science Code: 9480101 INTERACTIVE AND MULTI-ORGAN BASED PLANT SPECIES IDENTIFICATION SUPERVISORS: 1. Le Thi Lan 2. Hoang Van Sam Hanoi − 2020 HANOI UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY Nguyen Thi Thanh Nhan INTERACTIVE AND MULTI-ORGAN BASED PLANT SPECIES IDENTIFICATION Major: Computer Science Code: 9480101 DOCTORAL DISSERTATION OF COMPUTER SCIENCE SUPERVISORS: 1. Le Thi Lan 2.
Hoang Van Sam Hanoi − 2020 DECLARATION OF AUTHORSHIP I, Nguyen Thi Thanh Nhan, declare that this dissertation entitled, ”Interactive and multi-organ based plant species identification”, and the work presented in it is my own. I confirm that: This work was done wholly or mainly while in candidature for a Ph. research degree at Hanoi University of Science and Technology. Where any part of this dissertation has previously been submitted for a degree or any other qualification at Hanoi University of Science and Technology or any other institution, this has been clearly stated.
Where I have consulted the published work of others, this is always clearly at- tributed. Where I have quoted from the work of others, the source is always given. With the exception of such quotations, this dissertation is entirely my own work. I have acknowledged all main sources of help.
Where the dissertation is based on work done by myself jointly with others, I have made exactly what was done by others and what I have contributed myself. Hanoi, January, 2020 PhD Student Nguyen Thi Thanh Nhan SUPERVISORS i ACKNOWLEDGEMENT First of all, I would like to thank my supervisors Assoc. Le Thi Lan at The International Research Institute MICA - Hanoi University of Science and Technology, Assoc. Hoang Van Sam at Vietnam National University of Forestry for their inspiration, guidance, and advice.
Their guidance helped me all the time of research and writing this dissertation. Besides my advisors, I would like to thank Dr. Vu Hai, Assoc. Tran Thi Thanh Hai for their great discussion.
Special thanks to my friends/colleagues in MICA, Hanoi University of Science and Technology: Hoang Van Nam, Nguyen Hong Quan, Nguyen Van Toi, Duong Nam Duong, Le Van Tuan, Nguyen Huy Hoang, Do Thanh Binh for their technical supports. They have assisted me a lot in my research process as well as they are co-authored in the published papers. Moreover, I would like to thank reviewers of scientific conferences, journals and protection council, reviewers, they help me with many useful comments. I would like to express a since gratitude to the Management Board of MICA In- stitute.
I would like to thank the Thai Nguyen University of Information and Commu- nication Technology, Thai Nguyen over the years both at my career work and outside of the work. student of the 911 program, I would like to thank this program for financial support. I also gratefully acknowledge the financial support for attending the conferences from the Collaborative Research Program for Common Regional Is- sue (CRC) funded by ASEAN University Network (Aun-Seed/Net), under the grant reference HUST/CRC/1501 and NAFOSTED (grant number 106. Special thanks to my family, to my parents-in-law who took care of my family and created favorable conditions for me to study.
I also would like to thank my beloved husband and children for everything they supported and encouraged me for a long time to study. Hanoi, January, 2020 Ph. Student Nguyen Thi Thanh Nhan ii CONTENTS DECLARATION OF AUTHORSHIP i ACKNOWLEDGEMENT ii CONTENTS v SYMBOLS vi SYMBOLS viii LIST OF TABLES x LIST OF FIGURES xiv INTRODUCTION 1 1 LITERATURE REVIEW 10 1.1 Manual plant identification .2 Plant identification based on semi-automatic graphic tool .3 Automated plant identification .2 Automatic plant identification from images of single organ .1 Introducing the plant organs .2 General model of image-based plant identification .3 Preprocessing techniques for images of plant .1 Hand-designed features .2 Deeply-learned features .3 Plant identification from images of multiple organs .1 Early fusion techniques for plant identification from images of multiple organs .2 Late fusion techniques for plant identification from images of multiple organs .4 Plant identification studies in Vietnam .5 Plant data collection and identification systems. 44 iii 2 LEAF-BASED PLANT IDENTIFICATION METHOD BASED ON KERNEL DESCRIPTOR 45 2.1 The framework of leaf-based plant identification method .1 Pixel-level features extraction .2 Patch-level features extraction .1 Generate a set of patches from an image with adaptive size .2 Compute patch-level feature .3 Image-level features extraction .1 Results on ImageCLEF 2013 dataset .2 Results on Flavia dataset .3 Results on LifeCLEF 2015 dataset.
66 3 FUSION SCHEMES FOR MULTI-ORGAN BASED PLANT IDEN- TIFICATION 67 3.2 The proposed fusion scheme RHF .3 The choice of classification model for single organ plant identification .2 Single organ plant identification results .3 Evaluation of the proposed fusion scheme in multi-organ plant identification. 87 4 A FRAMEWORK FOR AUTOMATIC PLANT IDENTIFICATION WITHOUT DEDICATED DATASET AND A CASE STUDY FOR BUILDING IMAGE-BASED PLANT RETRIEVAL 88 4.2 Challenges of building automatic plant identification systems .3 The framework for building automatic plant identification system with- out dedicated dataset .4 Plant organ detection .5 Case study: Development of image-based plant retrieval in VnMed ap- plication. 104 CONCLUSIONS AND FUTURE WORKS 105 4. 106 Bibliography 108 PUBLICATIONS 121 APPENDIX 122 v ABBREVIATIONS No.
Abbreviation Meaning 1 AB Ada Boost 2 ANN Artificial Neural Network 3 Br Branch 4 CBF Classification Base Fusion 5 CNN Convolution Neural Network 6 CNNs Convolution Neural Networks 7 CPU Central Processing Unit 8 CMC Cumulative Match Characteristic Curve 9 DT Decision Tree 10 En Entire 11 FC Fully Connected 12 Fl Flower 13 FN False Negative 14 FP False Positive 15 GPU Graphics Processing Unit 16 GUI Graphic-User Interface 17 HOG Histogram of Oriented Gradients 18 ILSVRC ImageNet Large Scale Visual Recognition Competition 19 KDES Kernel DEScriptors 20 KNN K Nearest Neighbors 21 Le Leaf 22 L-SVM Linear Support Vector Machine 23 MCDCNN Multi Column Deep Convolutional Neural Networks 24 NB Naive Bayes 25 NNB Nearest NeighBor 26 OPENCV OPEN source Computer Vision Library 27 PC Persional Computer 28 PCA Principal Component Analysis 29 PNN Probabilistic Neural Network 30 QDA Quadratic Discriminant Analysis vi 31 RAM Random Acess Memory 32 ReLU Rectified Linear Unit 33 RHF Robust Hybrid Fusion 34 RF Random Forest 35 ROI Region Of Interest 36 SIFT Scale-Invariant Feature Transform 37 SM SoftMax 38 SURF Speeded Up Robust Features 39 SVM Support Vector Machine 40 SVM-RBF Support Vector Machine-Radial Basic Function kernel 41 TP True Positive 42 TN True Negative vii MATH SYMBOLS No. Symbol Meaning P 1 Summation - sum of all values in range of series 2 R Set of real number d 3 R Set of real number has d dimensions 4 π π = 3. 5 kwk L2 normalize of vector w 6 xi The i-th element of vector x 7 sign(x) The sign function that determines the sign. Equals 1 if x ≥ 0, −1 if x < 0 8 ∈ Is member of 9 max The function takes the largest number from a list 10 arctan(x) It returns the angle whose tangent is a given number 11 cos(θ) Function of calculating cosine value of angle θ 12 sin(θ) Function of calculating sine value of angle θ 13 m(z) The magnitude of the gradient vector at pixel z 14 θ(z) The orientation of gradient vector at pixel z 15 θ̃(z) The normalized gradient vector 16 exp(x) ex 17 argmax(x) It indicates the element that reaches its maximum value 18 ⊗ The Kronecker product 19 xT Transposition of vector x Q 20 Product of all values in range of series 21 q The query-image set 22 si (Ik ) The confidence score of the plant species i−th when using image Ik as a query from a single organ plant 23 c The predicted class of the species for the query q 24 C The number of species in dataset 25 km̃ The gradient magnitude kernel 26 ko The orientation kernel 27 kp The position kernel 28 m̃(z) The normalized gradient magnitude viii LIST OF TABLES Table 1.1 Example dichotomous key for leaves .2 Methods of plant identification based on hand-designed features .3 A summary of available crowdsourcing systems for plant informa- tion collection.4 The highest results of the contest obtained with the same recog- nition approach using hand-crafted feature.1 Leaf/leafscan dataset of LifeCLEF 2015 .2 Accuracy obtained in six experiments with ImageCLEF 2013 dataset.3 Precision, Recall and F-measure in improved KDES with Interac- tive segmentation for ImageCLEF 2013 dataset .4 Comparison of the proposed method with the state-of-the-art hand-designed features-based methods on Flavia dataset.5 Precision, Recall and F-measure of the proposed method for Flavia dataset .1 An example of test phase results and the retrieved plant list de- termination using the proposed approach.2 The collected dataset of 50 species with four organs .3 Single organ plant identification accuracies with two schemes: (1) An CNN for each organ; (2) An CNN for all organs.
The best result is in bold.4 Obtained accuracy at rank-1, rank-5 when combining each pair of organs with different fusion schemes in case of using AlexNet. The best result for each pair of organ is in bold.5 Obtained accuracy at rank-1, rank-5 when combining each pair of organs with different fusion schemes in case of using ResNet. The best result is in bold.6 Obtained accuracy at rank-1, rank-5 when combining each pair of organs with different fusion schemes in case of using GoogLeNet. The best result is in bold.7 Comparison of the proposed fusion schemes with the state of the art method named MCDCNN [76].
The best result is in bold.8 Rank number (k) where 99% accuracy rate is achieved in case of using AlexNet. The best result is in bold.9 Rank number (k) to achieve a 99% accuracy rate in case of using for ResNet. The best result is in bold.1 Plant images dataset using conventional approach .2 Plant images dataset built by crowdsourcing data collection tools.3 Dataset used for evaluating organ detection method.4 The organ detection performance of the GoogLeNet with different weight initialization.5 Confusion matrix for plant organ detection obtained (%) .6 Precision, Recall and F-measure for organ detection with Life- CLEF2015 dataset .7 Confusion matrix for detection 6 organs of 100 Vietnam species on VnDataset2 (%) .8 Four Vietnamese medicinal species databases .9 Results for Vietnamese medicinal plant identification. 102 x LIST OF FIGURES Figure 1 Automatic plant identification.
2 Figure 2 Examples of these terminologies used in the thesis. 3 Figure 3 One observation of a plant. 4 Figure 4 (a) Example of large inter-class similarity: leaves of two distinct species are very similar; (b) example of large intra-class variation: leaves of the same species vary significantly due to the growth stage. 5 Figure 5 Challenges of plant identification.
(a) Viewpoint variation; (b) Occlusion; (c) Clutter; (d) Lighting variation; (e) color variation of same species. 5 Figure 6 Confusion matrix for two-class classification. 6 Figure 7 A general framework of plant identification.1 Botany students identifying plants using manual approach .2 (a) Main graphical interface of IDAO; (b), (c), (d) Graphical icons for describing characteristics of leaf, fruit and flower respectively.3 Snapshots of Leafsnap (left) and Pl@ntNet (right) applications 13 Figure 1.4 Some types of leaves: a,b) leaves on simple and complex back- ground of the Acer pseudop latanus L, c) a single leaf of the Cercis siliquastrum L, d) a compound leaf of the Sorbus aucuparia L,.5 Illustration of flower inflorescence types (structure of the flower(s) on the plant, how they are connected between them and within the plant) [11].6 The visual diversity of the stem of the Crataegus monogyna Jacq.7 Some examples branch images .8 The entire views for Acer pseudoplatanus L.9 Fundamental steps for image-based plant species identification .10 Accuracy of plant identificaiton based on leaf images on complex background in the ImageCLEF 2012 [18] .11 Feature visualization of convolutional net trained on ImageNet from [58] .
Nội dung được bảo vệ bản quyền — Tải xuống đầy đủ
Trích dẫn luận án này
Nguyen Thi Thanh Nhan (2020). Nghiên cứu nhận dạng cây đa phương thức [Luận án tiến sĩ, Hanoi University of Science and Technology]. LuanAn.net. https://luanan.net/tai-lieu-khac/nghien-cuu-nhan-dang-cay-da-phuong-thuc
Câu hỏi thường gặp
Luận án "Nghiên cứu nhận dạng cây đa phương thức" nghiên cứu về vấn đề gì?
Luận án: Nghiên cứu và phát triển các phương pháp nhận dạng cây dựa trên nhiều ảnh bộ phận của cây có tương tác với người sử dụng luận án tiến sĩ. Xem tóm tắt v
Luận án "Nghiên cứu nhận dạng cây đa phương thức" được bảo vệ tại trường nào?
Luận án này được bảo vệ tại Hanoi University of Science and Technology. Năm bảo vệ: 2020.
Luận án "Nghiên cứu nhận dạng cây đa phương thức" thuộc chuyên ngành gì?
Luận án "Nghiên cứu nhận dạng cây đa phương thức" thuộc chuyên ngành Computer Science. Danh mục: Tài liệu khác.
Luận án "Nghiên cứu nhận dạng cây đa phương thức" có bao nhiêu trang?
Luận án "Nghiên cứu nhận dạng cây đa phương thức" có 139 trang. Bạn có thể xem trước một phần tài liệu ngay trên trang web trước khi tải về.
Cách tải luận án "Nghiên cứu nhận dạng cây đa phương thức" về máy như thế nào?
Để tải luận án về máy, bạn nhấn nút "Tải xuống ngay" trên trang này, sau đó hoàn tất thanh toán phí lưu trữ. File sẽ được tải xuống ngay sau khi thanh toán thành công. Hỗ trợ qua Zalo: 0559 297 239.