实验结果与分析篇 | 本科/硕士必备，一文搞定实验结果与分析部分！基于改进 ConvNeXt 的农作物病虫害识别系统

前言“代码跑通了论文怎么写”这恐怕是无数 CV 算法/人工智能萌新在面对毕设或期刊投稿时最大的痛。纯缝合模型容易被拒看你写作能力了实验分析写成了干巴巴的报流水账缺乏深度的理论支撑。本文主要介绍实验结果与分析章节部分具体细节还得自己打磨可以参考知名网站的学术论文如知网、arxiv.org、Papers with Code、IEEE Xplore 、Web of Science、cienceDirect (Elsevier) SpringerLink等…本文教的是方法百变不离其宗巴拉巴拉的吹就行。一文搞定实验结果与分析部分基于改进 ConvNeXt 的农作物病虫害识别系统。更多内容点击查看专栏目录。文章目录前言一、改进的ConvNeXt模块二、实战细节⚡⚡实验结果画图⚡⚡评价指标☑️准确率 (Accuracy, ACC)☑️精确率 (Precision)☑️召回率 (Recall)☑️F1分数 (F1 Score)三、实验结果与分析⚡⚡实验环境与配置⚡⚡数据集⚡⚡实验对比结果⚡⚡消融实验⚡⚡可视化分析 (Visualization)☑️混淆矩阵☑️Grad-CAM 热力图对比四、系统设计与实现总结一、改进的ConvNeXt模块对于改进模型理论介绍大家巴拉巴拉使劲吹就行。下文仅供参考哦。ConvNeXt 模型纯卷积模块可以有效地捕获图像的层次化特征。然而在面对病灶特征极其细微、自然田间背景如枝干、土壤、光影干扰强烈的农作物病虫害识别任务时其原有的 CNBlock 结构对多尺度病理信息的融合以及关键全局特征的感知能力仍显不足。由于不同类型的病害例如苹果黑腐病的大面积溃疡病斑与樱桃白粉病的细微粉状斑点往往在病灶的局部纹理和整体蔓延轮廓上存在巨大的尺度差异仅依赖单一尺度的卷积核容易导致模型陷入局部最优且无法有效抑制复杂背景带来的空间冗余。因此为了进一步提高特征提取能力降低无关背景信息的干扰我在原有的 ConvNeXt 骨干网络中引入了轻量化多尺度门控注意力块(LWGA_Block)来减少冗余计算并提升其主干网络提取图像特征的能力。改进后的结构设计如下图所示。LWGA_Block 的核心思想是**“分而治之多维感知”**。我将输入特征在通道维度上均等地一分为四赋予这四个分支不同的“视觉感受野”和“观察任务”分别由点注意力模块 (PA)、局部注意力模块 (LA)、中程注意力模块 (MRA) 和全局注意力模块 (GA) 进行针对性处理。LWGA_Block 丰富了特征的多样性还避免了使用单一分支注意力机制带来的额外计算力。点注意力单元 (Point Attention, PA) 与 局部注意力单元 (Local Attention, LA)PA 单元通过1 × 1 1\times11×1卷积配合 Sigmoid 门控机制对特征进行像素级的精确筛选抑制无用像素点的响应LA 单元则通过3 × 3 3\times33×3卷积深入挖掘相邻像素间的局部关联性强化了模型对物体表面细腻纹理如药材表面的褶皱的感知能力。信息量丰富的局部特征在这两个单元中被充分激活并保存。中程注意力单元 (Medium-Range Attention, MRA)MRA 是模型连接局部与全局的“桥梁”。结合了条形卷积例如11 × 3 11\times311×3和3 × 11 3\times113×11与下采样机制。在水平和垂直两个方向上跨越较长的空间距离捕捉结构依赖性从而在不增加过多参数的情况下有效提取了物体的中等尺度拓扑结构特征。全局注意力单元 (Global Attention, GA )这是模型建立全图视野。为了适应 ConvNeXt 不同深度的特征分辨率我为网络的不同 Stage 量身定制了不同形态的全局注意力。在浅层利用空洞卷积和池化策略大范围聚合空间信息在深层特征图尺寸缩小我则采用带有自注意力机制的 GA / D_GA 模块让特征之间进行深度的全局交互。门控融合与重构输出经过上述四个分支的后模型获取了涵盖像素级、局部纹理、中程结构和全局语义的四组细化特征。随后我将这些特征在通道维度上进行重新拼接融合并馈送入多层感知机(MLP) 和残差连接中进行最终的特征重构。通过引入 LWGA_Block改进后的 ConvNeXt 模型提高局部细节捕捉与全局上下文感知的优势。在特征传递的过程中有效减少了空间和通道上的计算冗余同时提升了网络聚焦关键目标区域的能力。二、实战细节⚡⚡实验结果画图画图效果如下代码可一键运行画图代码# -*- coding: utf-8 -*- Auth 落花不写码 File 画图.py IDE PyCharm Motto :学习新思想争做新青年 importmatplotlib.pyplotaspltimportpandasaspdimportos plt.rcParams[font.family]SimHeiplt.rcParams[axes.unicode_minus]Falseplt.rcParams.update({font.size:14})defsmooth_curve(points,factorNone):smoothed_points[]forpointinpoints:ifsmoothed_points:previoussmoothed_points[-1]smoothed_points.append(previous*factorpoint*(1-factor))else:smoothed_points.append(point)returnsmoothed_points 想对比几个就写几个 csv_configs[{name:ConvNeXt,path:runs/train/exp/results.csv,color:#4C72B0},# 蓝色{name:ConvNeXt LWGA,path:runs/train/exp5/results.csv,color:#DD8452},# 红色# {name: 剪枝微调模型, path: runs/train/exp4/results.csv, color: #55A868}, # 墨绿色]max_compare_epochsNone# 对比轮数factor0.5data_frames[]forconfigincsv_configs:ifos.path.exists(config[path]):dfpd.read_csv(config[path])df[epoch]df[epoch]1df.columnsdf.columns.str.strip()ifmax_compare_epochsisnotNone:dfdf[df[epoch]max_compare_epochs]data_frames.append({name:config[name],df:df,color:config[color]})else:print(f找不到文件{config[path]})ifnotdata_frames:raiseValueError(没有找到任何 CSV 文件请检查路径)fig,axplt.subplots(figsize(10,6),dpi300)foritemindata_frames:nameitem[name]dfitem[df]coloritem[color]epochsdf[epoch].values valsdf[val_loss].values# ax.plot(epochs, vals, alpha0.3, colorcolor, linewidth1.5)# 画平滑后的曲线smoothed_valssmooth_curve(vals,factorfactor)ax.plot(epochs,smoothed_vals,alpha1.0,colorcolor,linewidth2.5,labelname)ax.set_title(损失对比 (Val Loss),pad15,fontweightbold)ax.set_xlabel(训练轮次 (Epochs),labelpad10)ax.set_ylabel(损失值 (Loss),labelpad10)ax.spines[top].set_visible(False)ax.spines[right].set_visible(False)ax.spines[bottom].set_linewidth(1.5)ax.spines[left].set_linewidth(1.5)ax.grid(axisy,linestyle--,alpha0.5)ax.legend(frameonFalse,locupper right)plt.tight_layout()plt.savefig(val_loss_comparison.png,formatpng,dpi300)# plt.savefig(val_loss_comparison.svg, formatsvg)plt.show()# 绘制 Accuracy 图fig,axplt.subplots(figsize(10,6),dpi300)foritemindata_frames:nameitem[name]dfitem[df]coloritem[color]epochsdf[epoch].values valsdf[val_acc].values# ax.plot(epochs, vals, alpha0.3, colorcolor, linewidth1.5)smoothed_valssmooth_curve(vals,factorfactor)ax.plot(epochs,smoothed_vals,alpha1.0,colorcolor,linewidth2.5,labelname)ax.set_title(准确率对比 (Val Accuracy),pad15,fontweightbold)ax.set_xlabel(训练轮次 (Epochs),labelpad10)ax.set_ylabel(准确率 (Accuracy),labelpad10)ax.spines[top].set_visible(False)ax.spines[right].set_visible(False)ax.spines[bottom].set_linewidth(1.5)ax.spines[left].set_linewidth(1.5)ax.grid(axisy,linestyle--,alpha0.5)ax.legend(frameonFalse,loclower right)plt.tight_layout()plt.savefig(val_acc_comparison.png,formatpng,dpi300)plt.show()⚡⚡评价指标评估指标使用 准确率(ACC)、精确度(Precision)、召回率(Recall)和F1分数(F1 Score)来评估模型的可靠性和准确性。T P TPTP(True Positive真正类)模型将正类预测为正类的样本数。T N TNTN(True Negative真负类)模型将负类预测为负类的样本数。F P FPFP(False Positive假正类)模型将负类预测为正类的样本数误报。F N FNFN(False Negative假负类)模型将正类预测为负类的样本数漏报。☑️准确率 (Accuracy, ACC)准确率是指分类正确的样本数包括正类和负类占总样本数的比例。它是最直观的评估指标但在处理类别不平衡的数据集时单独使用准确率可能会带来误导。公式A C C T P T N T P T N F P F N ACC \frac{TP TN}{TP TN FP FN}ACCTPTNFPFNTPTN​☑️精确率 (Precision)精确率又称查准率是指在模型所有预测为正类的样本中真正为正类的样本所占的比例。它衡量的是模型预测结果的“精准程度”即模型给出的正类预测中有多少是可信的。公式P r e c i s i o n T P T P F P Precision \frac{TP}{TP FP}PrecisionTPFPTP​☑️召回率 (Recall)召回率又称查全率或灵敏度是指在所有真实的考察对象正类中被模型成功预测为正类的比例。它衡量的是模型对正类样本的“捕捉能力”即有多少正类样本没有被漏掉。公式R e c a l l T P T P F N Recall \frac{TP}{TP FN}RecallTPFNTP​☑️F1分数 (F1 Score)在实际应用中精确率和召回率往往是相互制约的提高精确率通常会降低召回率反之亦然。为了综合考量这两个指标引入了 F1 分数。F1 分数是精确率和召回率的调和平均数只有当两者都很高时F1 分数才会高能够更全面地评估模型的综合性能。公式F 1 2 × P r e c i s i o n × R e c a l l P r e c i s i o n R e c a l l F1 2 \times \frac{Precision \times Recall}{Precision Recall}F12×PrecisionRecallPrecision×Recall​将其展开为混淆矩阵的形式为F 1 2 × T P 2 × T P F P F N F1 \frac{2 \times TP}{2 \times TP FP FN}F12×TPFPFN2×TP​三、实验结果与分析本科做一下对比实验即可与现有方法对比 一个改进模型对比基本欧克了 系统设计与实现硕博发表论文需要做更多融合模块改进 对比实验 消融实验 模型剪枝/蒸馏 冲击 1 区 2区需要自研模块 系统设计与实现等⚡⚡实验环境与配置本研究在以下硬件和软件环境下进行配置项目详细参数操作系统Ubuntu 20.04 LTS / Windows 11GPUNVIDIA GeForce RTX 3090 (24GB)深度学习框架PyTorch 1.30 / torchvision 0.13.x加速库CUDA 11.8 / cuDNN 8.7.0学习率1e-4优化器AdamW输入尺寸224× \times×224⚡⚡数据集农作物病虫害识别任务中数据集包含 3000 幅农作物图像划分比例 811部分数据集如下所示。一共 9 个类别数据集类别映射关系如下:0:apple_juniper_gum_disease1:apple_scab2:black_fruit_rot_of_apple3:black_rot_of_vin_grape4:cherry_powdery_mildew5:healthy_apple6:healthy_grape7:leaf_blight_of_grape8:strawberry_leaf_blight下图显示了训练和验证数据集的分布情况⚡⚡实验对比结果通过实验探索了多任务学习框架中在农作物病虫害识别作用。除了测试改进的 ConvNeXt 模型还测试了使用ResNet50、ResNet34 和原 ConvNeXt 模型实验结果见下表。模型 (Model)准确率 (Accuracy)精确率 (Precision)召回率 (Recall)F1分数 (F1-Score)参数量 (Params)计算量 (GFLOPs)ResNet-3487.24%86.85%85.42%86.13%21.8M3.6ResNet-5089.12%88.76%87.91%88.33%25.6M4.1ConvNeXt-Tiny92.35%92.04%91.20%91.62%27.8M4.5本文算法97.01%96.81%95.49%96.14%22.1M3.8在农作物病虫害识别任务中本文提出的改进模型在所有评价指标上均取得了最优表现。传统的 ResNet 架构ResNet-34与ResNet-50受限于局部感受野其 F1-Score 仅徘徊在 86% ~ 88% 左右相比之下 ConvNeXt-Tiny 则展现出了更强的特征捕捉能力准确率达到 91%。本文模型通过引入 LWGA_Block 多尺度门控注意力机制在准确率97.01%和 F1分数96.14%都比原始模型高提升精度的同时也降低了空间和通道维度的冗余。与现有方法比较本文算法的参数量降低至 22.1M计算量降低至 3.8 GFLOPs具有更高的计算效率。⚡⚡消融实验针对农作物病虫害识别任务为了检验本文提出的轻量化多尺度门控注意力块LWGA_Block的有效性并深入探索该模块在 ConvNeXt 主干网络不同深度的特征提取能力我们在模型的不同阶段进行了消融实验。如下表所示我们分别展示了在从头训练状态下基准 ConvNeXt-Tiny 模型、分别在单一特征层Stage [1]、Stage [3]、Stage [5]引入注意力机制的变体模型以及在多深度组合特征层Stage [1, 3]、Stage [1, 3, 5]使用组合特征层Stage [1, 3, 5]可以得到最佳性能。模型准确率精确度召回率F1 分数原始的 ConvNeXt 模型0.92350.92040.91200.9162改进的 ConvNeXt模型Stage [1]0.93450.93120.92800.9296Stage [3]0.93820.93500.93250.9337Stage [5]0.94150.94020.93810.9391Stage [1, 3]0.95280.95100.94750.9492Stage [1, 3, 5]0.97010.96810.95490.9614⚡⚡可视化分析 (Visualization)画图篇参考文章画图篇 | 一文带你画深度学习模型Grad-CAM热力图、模型对比图、类别分布图、混淆矩阵图科研/本科论文必备含Grad-CAM热力图、类别分布图、对比图、混淆矩阵☑️混淆矩阵下图展示了本文提出的改进 ConvNeXt 模型在验证集上计算的混淆矩阵。混淆矩阵的统计结果有力地证明在部署了 LWGA_Block 模块后模型在每一个细分类别上都展现出了极其稳定的诊断性能。通过对混淆矩阵我们发现少数被错误分类的案例主要集中在病理特征极其相似的类别之间。☑️Grad-CAM 热力图对比为了可视化模型决策背后的核心病理依据透视网络是如何“观察”并鉴别不同病害特征的我们采用了梯度加权类激活映射 (Gradient-weighted Class Activation Mapping, Grad-CAM)技术。将复杂的特征权重转换为直观的类激活热力图从而极大地帮助农业专家或农户理解深度学习模型是从何种多尺度特征例如像素级孢子点、局部纹理、中程蔓延结构或全局轮廓中提取其诊断依据的。在测试阶段不同类别的病害叶片图像送入到 Grad-CAM 层通过对卷积层特征图梯度的反向传播计算最终生成病虫害区域的热力图。从热力图中可以发现特征是在病虫害区域附近提取的。热力图可视化结果证明了我们提出的模型符合农学专家诊断依据的特征提取因此自动识别方法是可信的。小结想做更复杂的改进比如加入注意力机制、多尺度特征融合可以参考专栏的文章四、系统设计与实现本科、硕搏专用通用的系统模板如下系统设计与实现参考文章基于ResNet LLM大语言模型的分类识别系统设计与实现Web前后端分离Djangovue3AI助手模块ResNet50算法LLM 联动Element Plus等技术全网独发PyQt5/PySide6系统设计与实现待更新总结本科做一下对比实验即可与现有方法对比 一个改进模型对比基本欧克了 系统设计与实现硕博发表论文需要做更多融合模块改进 对比实验 消融实验 模型剪枝/蒸馏 冲击 1 区 2区需要自研模块 系统设计与实现等深度学习模型改进算法内容持续更新中记得点赞收藏起来以免想看时候找不到。