I AE S In t er na t io na l J o urna l o f   Art if icia l In t ellig ence   ( I J - AI )   Vo l.  1 5 ,   No .   2 ,   A p r il 2 0 2 6 ,   p p .   1 6 4 6 ~ 1 6 6 3   I SS N:  2 2 5 2 - 8 9 3 8 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /ijai.v 15 .i 2 . p p 1 6 4 6 - 1 6 6 3          1646     J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ij a i . ia esco r e. co m   Unified  vo ting - ba sed ensem ble  lear ning  f o r ric e leaf   disea se  detec tion usin g  i mpro v ed pret ra ined mo dels       G o v ind a ra j a n Sub bu ra m a n,  M a ry   Vennila   Selv a du ra i   D e p a r t me n t   o f   C o mp u t e r   S c i e n c e ,   P r e si d e n c y   C o l l e g e ,   U n i v e r si t y   o f   M a d r a s,  C h e n n a i ,   I n d i a       Art icle  I nfo     AB S T RAC T   A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ap r   1 0 ,   2 0 2 5   R ev is ed   J an   1 3 ,   2 0 2 6   Acc ep ted   Feb   6 ,   2 0 2 6       As   a   sta p le  fo o d   fo a   larg e   p o rti o n   o t h e   g l o b a l   p o p u latio n ,   rice   is   p a rti c u larly   su sc e p t ib le  to   lea d ise a se th a a d v e rse ly   a ffe c it y ield   a n d   o v e ra ll   q u a li t y .   Th is  stu d y   u ti li z e fo u p re train e d   c o n v o lu t io n a n e u ra l   n e two rk   (CNN m o d e ls  to   c o n stru c a   u n ifi e d   v o ti n g - b a se d   e n se m b le   a p p ro a c h   f o rice   lea d ise a se   c l a ss ifi c a ti o n .   Th e   m o d e ls  in c lu d e   VG G 1 6 ,   De n se Ne t1 2 1 ,   I n c e p ti o n V 3 ,   a n d   Xc e p ti o n .   T h e   d a tas e u se d   i n   th is  st u d y   wa c o ll e c ted   fro m   Ka g g le  a n d   f u rth e e n rich e d   wi th   ima g e o b tain e d   fr o m   G o o g le   so u rc e s.  It  c o m p rise a   to tal  o 4 , 0 0 0   ima g e c a teg o rize d   in t o   six   c las se s:  b a c teria lea b li g h t,   b r o wn   sp o t,   lea b las t,   lea sc a ld ,   n a r ro b r o wn   sp o t,   a n d   h e a lt h y   lea v e s .   It  w a sp li i n t o   trai n in g   ( 3 2 7   ima g e s/c las s),  v a li d a ti o n   (1 4 0   ima g e s/c las s),  a n d   tes ti n g   ( 2 0 0   ima g e s/c las s).  Im a g e we re   n o rm a li z e d   to   [0 , 1 a n d   a u g m e n te d   th ro u g h   ro tati o n ,   fli p p in g ,   sh if ti n g ,   sh e a r,   z o o m ,   b rig h t n e ss ,   a n d   c h a n n e l   a d j u stm e n ts  t o   imp ro v e   g e n e ra li z a ti o n .   In d i v id u a ll y ,   t h e   fin e - t u n e d   m o d e ls  a c h iev e d   a c c u ra c ies   o 9 1 . 3 %   ( V GG 1 6 ),   9 5 . 6 %   (De n se Ne t1 2 1 ),   9 2 . 1 %   (I n c e p ti o n V3 ),   a n d   8 9 . 8 %   (Xc e p t io n ).   T h e   e n se m b le  lev e ra g e d   m a jo ri ty   v o ti n g   (9 3 . 6 % ),   we ig h te d   v o ti n g   (9 6 . 5 % ),   a n d   so ft  v o ti n g   (9 7 % ),   y ield i n g   a n   a b so lu te  g a i n   o 1 . 4 %   o v e t h e   b e st  in d i v id u a l   m o d e a n d   4 . 8 %   o v e t h e   a v e ra g e   o a ll   m o d e ls.  T o   o u r   k n o wle d g e ,   t h is  i s   th e   first   e n se m b le  c o m b in in g   th e s e   fo u r   a rc h it e c t u re with   u n if ied   v o ti n g   f o r   id e n ti f y in g   d ise a se in   rice   lea v e s ,   d e li v e ri n g   a   sc a lab le  a n d   c o m p u tatio n a ll y   e fficie n so l u ti o n   su it a b le  i n   a d v a n c e   d ia g n o sis  a n d   ti m e ly   e x e c u ti o n   i n   a g ricu lt u ra l   se tt in g s with   li m it e d   r e so u rc e s.   K ey w o r d s :   Data   au g m en tatio n   tec h n iq u es     E n s em b le  d ee p   lear n in g   I m ag p r ep r o ce s s in g   tech n iq u es   Plan t d is ea s clas s if icatio n   R ice  leaf   d is ea s es   T r an s f er   lear n i n g   m o d els   Vo tin g   en s em b le  m eth o d s   T h is i a n   o p e n   a c c e ss   a rticle   u n d e r th e   CC B Y - SA   li c e n se .     C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Go v in d ar ajan   Su b b u r am an   Dep ar tm en t o f   C o m p u ter   Scie n ce ,   Pre s id en cy   C o lleg e,   Un i v er s ity   o f   Ma d r as   C h en n ai,   I n d ia   E m ail:  cscr esear ch 2 0 2 4 @ g m a il.c o m       1.   I NT RO D UCT I O N   R ice  is   o n o f   th wo r ld s   m o s v ital  cr o p s ,   s u s tain in g   lar g p o r tio n   o f   t h g lo b al  p o p u l atio n   an d   h o ld in g   s ig n if ica n ec o n o m ic  an d   cu ltu r al  im p o r tan ce .   At   p r esen t,  it  co n s titu tes  th s t ap le  f o o d   f o r   o v er     2 . 7   b illi o n   p eo p le,   an d   th is   n u m b er   is   p r o jecte d   to   in cr ea s s u b s tan tially ,   r ea ch in g   n ea r ly   3 . 9   b illi o n   b y   2 0 2 5   [ 1 ] .   Desp ite  r ice  p lan d is ea s es  ca u s in g   an   an n u al  3 7 lo s s   in   p r o d u ctio n   d u e   to   in s u f f icien d is ea s id en tific atio n   an d   m an a g em en k n o wled g e,   ef f ec tiv d ia g n o s tic  an d   m an ag em en ap p licat io n s   r em ain   s ca r ce   [ 2 ] .   Am o n g   th v ar i o u s   d is ea s es  th at  af f ec r ice  cu ltiv atio n ,   b r o wn   s p o t,  b last ,   an d   b ac ter ia leaf   b lig h ar th m o s wid esp r ea d   an d   ca u s t h g r ea test   ec o n o m ic  lo s s es.  T h ese  d is ea s es  s ev er ely   h in d er   r ice  p lan g r o wth   an d   p r o d u ctiv ity ,   o f ten   r esu l tin g   in   s u b s tan tial  ec o n o m ic   an d   en v ir o n m en tal  lo s s es.  E ar ly   an d   ac cu r ate  d etec tio n   o f   th ese  d is ea s es  with in   s h o r tim f r am is   ess en tial,  as  it  ca n   h elp   m in im iz cr o p   d a m ag an d   s af eg u ar d   f ar m er s   f r o m   s u b s t an tial  f in an cial  s etb ac k s   [ 3 ] .   On o f   I n d ia' s   m o s p o p u lar   s tap le  cr o p s   is   r ice,   an d   th c o u n tr y ' s   ag r icu ltu r al  in d u s tr y   ac c o u n ts   f o r   ab o u t 1 9 . 9 % o f   g r o s s   d o m esti p r o d u ct.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Un ified   vo tin g - b a s ed   en s emb l lea r n in g   fo r   r ice  lea f d is ea s d etec tio n   …  ( Go vi n d a r a ja n   S u b b u r a ma n )   1647   R ice  cr o p   y ield   an d   q u ality   ar o f ten   r ed u ce d   b y   p lan d is ea s es,  ca u s in g   ec o n o m ic  lo s s es  to   f ar m er s .   Sin ce   d is ea s id en tific atio n   b ased   o n   v is u al  ex p er ien ce   is   u n r eliab le,   an   au to m ate d   an d   ac cu r ate  ea r l y   d iag n o s is   s y s tem   is   ess en tial   [ 4 ] .   C r o p   h ea lth   p lay s   v i tal  r o le  in   s u p p o r tin g   g lo b al   f o o d   s u p p ly   an d   s u s tain ab le  f ar m in g   p r ac tices.  Ho wev er ,   v ar i o u s   f ac to r s   ca n   lead   to   th r a p id   s p r ea d   o f   d is ea s es  in   cr o p s ,   ca u s in g   s ig n if ican s o cial  an d   ec o n o m ic  ch allen g es.  T h e s d is ea s es  n o o n ly   h in d er   p lan g r o wth   an d   d ev elo p m e n b u also   r ed u ce   cr o p   y ield   an d   q u ality ,   m a k in g   th em   a   m ajo r   co n tr ib u to r   to   p r o d u ctiv ity   lo s s .   E ar ly   d etec tio n   o f   s u ch   illn e s s es  an d   th tim ely   u s o f   a p p r o p r iate  p esti cid es  ar e   cr u cial  to   p r e v en s o il   p o llu tio n   a n d   m itig ate  its   im p ac [ 5 ] .   T im ely   d is ea s d iag n o s is   in   cr o p s   is   cr u cial  f o r   s u s tain ab le  ag r ic u ltu r al   d ev elo p m e n t,  as  it  lo wer s   in p u co s ts   an d   p r ev en ts   y ield   lo s s .   I n   r ice  p r o d u ctio n ,   ea r ly   d etec tio n   o f   p ests   an d   d is ea s es  r ed u ce s   d ep en d en cy   o n   ch em ical  tr ea tm en ts   an d   c o n tr ib u tes  to   im p r o v ed   p r o d u ctiv ity .   T r ad itio n al  m eth o d s ,   s u ch   as  m an u al  o b s er v atio n ,   ar n eith e r   f ea s ib le  n o r   ef f ec tiv f o r   lar g e - s ca le  f ar m in g .   Ho wev e r ,   ad v an ce m e n ts   in   in f o r m atio n   t ec h n o lo g y   h av s ig n if ican tl y   co n tr ib u ted   to   im p r o v i n g   cr o p   p r o d u ctiv ity   wh ile   o p tim izin g   f er tili ze r   u s e.   C o n v o lu tio n al  n eu r al  n etwo r k s   ( C NNs),   cr u cial  ar ea   o f   ar tific ial  in tellig en ce ,   p r o v id e   u s ef u m eth o d   f o r   cl ass if y in g   p lan d is ea s es,  an d   im ag p r o ce s s in g   m eth o d s   h av g r ea p o ten tial  t o   s o lv p r o b le m s   in   th ag r icu ltu r al  in d u s tr y   [ 6 ]   W h il d e ep   l ea r n in g   h a s   s ig n if i ca n tl y   im p r o v ed   v i s u a p l an d i s ea s r e co g n it io n ,   th s c ar c ity   o f   s o m d i s e as in s t an c e s   le ad s   to   d a ta   im b a lan ce   r e la ti v e   t o   h e al th y   s am p le s .   D at co l l ec t ed   u n d er   n a tu r al   co n d i tio n s   ty p ic al ly   ex h ib it   l im i ted   s am p le s   o f   r ar d is ea s cl a s s e s ,   le ad in g   to   cl a s s   i m b al an c i s s u es   i n   m ac h in le ar n i n g   s y s te m s .   T h i s   i m b a lan ce   ca u s e s   s u p e r v i s ed   le ar n i n g   m o d e l s   to   o v er f i t,  a s   d e ci s i o n   b o u n d ar ie s   b e co m b i a s ed   t o war d   th d o m in an c la s s e s   [ 7 ] ,   [ 8 ] .   B y   b r o ad en in g   th tr ain in g   d at a s e t 's   d iv er s ity ,   d a ta   au g m en ta tio n   ap p r o a ch e s   ca n   b u s e d   to   i m p r o v m o d e g e n er al iz at io n   an d   o v er co m th i s   d if f icu lty .   U s in g   tr an s f o r m a t io n s   lik e   r o t at io n   ( u p   to   4 0 °),   w id th   an d   h e ig h t   s h if t s   ( u p   to   3 0 %) ,   s h ea r   tr an s f o r m a tio n   ( 0 . 2 ) ,   zo o m in g   ( u p   to   3 0 %),   b r ig h tn e s s   ad j u s tm en ( b et we en   0 . 7   an d   1 . 3 ) ,   ch an n e s h i f t in g   ( u p   to   3 0 . 0 ) ,   h o r i zo n t al   f lip p in g ,   an d   n ea r e s t - n e ig h b o r   f i l l in g   f o r   em p ty   r eg io n s ,   th e s e   te ch n iq u e s   cr e at e   d if f e r en v er s io n s   o f   ex i s t in g   i m ag e s .   T h e s e   t ec h n iq u es   ar cr u c ia f o r   b a lan cin g   d ata s et s ,   p r ev en tin g   o v er f i t tin g ,   an d   en ab l in g   m o d el s   to   le ar n   m o r r o b u s a n d   u n b ia s ed   d ec i s io n   b o u n d ar i es  f o r   im p r o v ed   d i s ea s c la s s i f i ca tio n .     Dee p   lear n in g   m et h o d s   h av e   b ee n   in v esti g ated   r ec e n tly   f o r   r ice  lea f   d is ea s d etec tio n ,   with   v er y   en co u r a g in g   r esu lts .   Go g o i   et   a l.   [ 9 ]   f o r   in s tan ce ,   r ep o r ted   an   ac cu r ac y   o f   9 3 . 9 9 o n   a   d ataset  in clu d in g   8 , 8 8 3   im a g es  u s in g   th r ee - s tag C NN   wi th   tr an s f er   lear n in g   u s in g   E f f icien tNetB 5 .   L ev er ag in g   Mo b ileNet  b ac k b o n e,   W an g   et   a l.   [ 1 0 ]   c r ea ted   an   atten tio n - b ased   d ep th wis s ep ar ab le  n e u r al   n etw o r k   o p tim ized   with   B ay esian   ap p r o ac h es,  wh ich   ac h iev ed   9 4 . 6 5 ac cu r ac y   o n   p u b lic   r ice  illn ess   d atase with   f o u r   d is ea s e   class if icatio n s .   Du r in g   d if f er en s tu d y ,   Kr is h n am o o r th y   et  a l.   [ 4 ]   u s ed   I n ce p tio n R esNetV2   an d   tr an s f e r   lear n in g   t o   class if y   p ad d y   d is ea s o f   th e   leav es  with   9 5 . 6 7 ac cu r ac y .   T h ese  wo r k s   h ig h lig h p o ten tial  o f   d ee p   lear n in g   m o d els;   h o we v er ,   m o s r ely   o n   s in g le  p r e tr ain ed   m o d els  with o u en s em b le  s tr ateg ies.  T o   ad d r ess   th is   g ap ,   o u r   s tu d y   in t eg r ates  th m u ltip le  p r etr ain ed   C NNs  with   u n if ied   v o tin g   to   ac h iev r o b u s r ice  leaf   d is ea s class if icat io n .   W h ile  cu r r en r esear ch   p r im ar ily   f o cu s es  o n   s in g le  m ac h in lear n in g   m o d els  f o r   p lan d is ea s d etec tio n   [ 1 1 ] ,   Fig u r 1   illu s t r ates  th co m p ar is o n   b etwe en   tr ad itio n al  an d   en s em b le  clas s if icatio n   m eth o d s   u s ed   in   th is   s tu d y .   Fig u r 1 ( a )   s h o ws th at  tr ad itio n al  class if ic atio n   s tr u g g les with   co m p lex ,   m u lti - d is ea s d ata,   lead in g   to   lo wer   ac cu r ac y .   Fig u r 1 ( b )   illu s tr ates  h o en s em b le  class if icatio n   en h an ce s   r eliab ilit y   an d   g en er aliza tio n   b y   in teg r atin g   m u ltip le  m o d els.  Ho wev er ,   d ee p   lear n in g   m eth o d s   s till   f ac in ter p r etab ilit y   ch allen g es  in   u n d er s tan d i n g   d is ea s p atter n s .   Fo r   th p u r p o s o f   en h an cin g   th ac cu r ate  d etec tio n   o f   n u m er o u s   r ice  illn ess   o f   th leav es  an d   h ig h lig h th p r im ar y   ca u s es  o f   th eir   o cc u r r en ce ,   t h is   s tu d y   p r esen ts   n o v el  ap p r o ac h   th at  in co r p o r ates  en s em b le  lear n in g   tech n iq u es.  E n s em b le  lear n in g   e n h an ce s   p r e d ictiv e   p er f o r m an ce   b y   in te g r atin g   m u ltip le  m o d els,  an d   in   th is   s tu d y ,   d ee p   lear n i n g   en s em b le  is   co n s tr u cted   u s in g   VGG1 6 ,   Den s eNe t1 2 1 ,   I n ce p tio n V3 ,   an d   Xce p tio n .   T o   en s u r r o b u s an d   ac cu r ate   r esu lts ,   u n if ied   v o tin g   tech n iq u es,  m ajo r ity   v o tin g ,   s o f v o tin g ,   an d   weig h ted   v o tin g ,   a r u tili ze d   to   co n s o lid at p r ed ictio n s   f r o m   in d iv id u al  m o d els,  h ar n ess in g   th eir   co m b in e d   s tr en g th s   f o r   i m p r o v e d   class if icatio n   p er f o r m an ce .   T h k ey   c o n tr ib u tio n s   o f   th is   r esear ch   in clu d e:     C o m p iled   b alan ce d   d ataset  o f   4 , 0 0 0   r ice  leaf   im ag es  f r o m   Kag g le  an d   Go o g le,   co v er in g   s ix   ca teg o r ies.     F in e - tu n ed   f o u r   p r etr ain ed   C NN  m o d els  ( VGG1 6 ,   Den s eNe t1 2 1 ,   I n ce p tio n V3 ,   an d   Xce p tio n )   f o r   d is ea s class if icatio n .     T o   en h a n ce   m o d el  g en er aliza tio n   an d   a d d r ess   d ata  im b ala n ce ,   d ata  au g m en tatio n   was  ap p lied   u s in g   tr an s f o r m atio n s   s u c h   as  r o tatio n   ( u p   t o   4 0 °),   wid th   an d   h e ig h s h if ts   ( u p   to   3 0 %),   s h ea r   ( 0 . 2 ) ,   zo o m     ( u p   to   3 0 %),   b r i g h tn ess   ad ju s tm en ( 0 . 7 1 . 3 ) ,   ch a n n el  s h if tin g   ( u p   to   3 0 . 0 ) ,   h o r izo n tal   f lip p in g ,   an d   n ea r est - n eig h b o r   f illi n g .     P r o p o s th f ir s t u n if ied   v o tin g   en s em b le  f o r   r ice  leaf   d is ea s d etec tio n   u s in g   t h ese  f o u r   m o d els.     Ou r   en s em b le  ( s o f v o tin g )   ac h iev ed   9 7 % a cc u r ac y ,   o u t p er f o r m in g   i n d iv id u al  m o d els.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 5 ,   No .   2 ,   Ap r il 2 0 2 6 1 6 4 6 - 1 6 6 3   1648     T h p r o p o s ed   f r am ewo r k   d em o n s tr ated   s u p er io r   p er f o r m an c e,   s h o wca s in g   th ef f ec tiv en es s   o f   en s em b le  lear n in g   an d   u n if ied   v o tin g   s ch em f o r   ac cu r ate  class if icatio n   o f   r ice  d is ea s es o f   th leav e s .           ( a)   ( b )     F i g u r e   1 .   C o m p a r i s o n   o f   c l a s s i f i c a t i o n   a p p r o a c h e s   f o r   ( a )   t r a d i t i o n a l   c l a s s i f i c a t i o n   a n d   ( b )   e n s e m b l e   c l a s s i f i c a t i o n       2.   RE L AT E WO RK S   T h is   s ec tio n   p r esen ts   s u m m ar y   o f   ea r lier   s tu d ies  f o cu s ed   o n   th d etec tio n   o f   r ice  leaf   d i s ea s es.  T o   p r ec is ely   d etec v ar io u s   r ice  leaf   d is ea s es,  p r io r   r esear ch   h as  u s ed   v ar iety   o f   m ac h in e   lear n in g   an d   d ee p   lear n in g   tech n iq u es.  On a p p r o ac h   co m b in ed   m u ltip le  C NN  ar ch itectu r es  in to   an   en s em b le  f r am ewo r k   t o   im p r o v e   class if icatio n   p er f o r m an ce   an d   d em o n s tr ated   t h f ea s ib ilit y   o f   r ea l - tim d e p lo y m en t   th r o u g h   s m ar tp h o n ap p licatio n s   [ 1 2 ] .   An o th er   s tu d y   in tr o d u ce d   l ar g e - s ca le  d ataset  o f   r ice  leaf   im ag es  an d   ap p lied   en s em b le  C NN  m o d els,  s h o win g   th at  lig h tweig h ar c h itectu r es  ca n   b o p tim ized   f o r   u s in   m o b ile  an d   r eso u r ce - co n s tr ain ed   e n v ir o n m en ts   [ 1 3 ] .   C o m p ar ativ an a ly s es  h av also   b ee n   ca r r ie d   o u u s in g   s tan d ar d   C NN  m o d els.  Fo r   in s tan ce ,   e x p er im en ts   with   I n ce p tio n V3 ,   VGG1 6 ,   Alex Net,   Mo b ileNetV2 ,   an d   R esNet1 8   o n   m o r th a n   7 , 0 0 0   im ag es  ac h iev ed   h ig h   class if icatio n   ac cu r ac y   [ 1 4 ] .   Similar ly ,   s ev er al  C NN  m o d els ,   in clu d in g   VGG1 6 ,   R esNet5 0 ,   an d   Den s eNe t1 2 1   wer ev al u ated   ac r o s s   m u ltip le  d atasets   co n tain in g   th r ee   to   f iv d is ea s ca teg o r ies,  with   Den s eNe t1 2 1   f o u n d   to   b t h m o s ef f ec tiv [ 1 5 ] .   Hy b r id   f r am ewo r k s   h a v also   g ain ed   atten tio n .   An   en s em b l o f   C NN  an d   s u p p o r v ec to r   m ac h in e s   ( SVM)   was  d e v elo p ed   to   class if y   f iv m ajo r   r ice   d is ea s es,  ac h iev in g   co m p etitiv e   p er f o r m a n ce   [ 1 6 ] .   T r a n s f er   lear n in g   with   p r e - t r ain ed   m o d els  h as   b ee n   wid ely   ex p l o r ed   as  well.   Fo r   ex am p le,   Xce p tio n Net,   R esNet5 0 ,   Den s eNe t,  VG G1 9 ,   an d   Sq u ee ze Net   wer test ed   o n   m u lti - class   d ataset  o f   ten   d is ea s es,  with   Xce p tio n Net  s h o win g   t h b est  r e s u lts   [ 1 7 ] .   An o t h er   f r am ewo r k   in te g r ated   VGG1 6   with   lig h g r ad ien b o o s tin g   m ac h in ( L ig h tGB M )   f o r   f o u r - class   r ice  d is ea s e   class if icatio n   an d   d ep lo y ed   t h s y s tem   v ia  clo u d - b ased   m o b ile  in ter f ac e   [ 1 8 ] .   Oth er   r es ea r ch   h as  a p p lied   ad v an ce d   a r ch itectu r es  an d   o p tim izatio n   m eth o d s .   I n ce p tio n R esNetV2   was   em p lo y ed   f o r   au to m atic  d is ea s class if icatio n   u s in g   tr an s f er   le ar n in g ,   y ield in g   h ig h   ac cu r ac y   o n   a   d ataset  o f   th r ee   d is ea s ty p es  [ 4 ] .   m o r e   co m p lex   p ip elin e   in teg r ated   p r ep r o ce s s in g ,   s eg m en tatio n   with   Seg Net,   an d   m u lti - f ea tu r e   e x tr ac tio n ,   f o llo wed   b y   d ee p   r ec u r r en n eu r al  n etwo r k   ( Dee p   R NN)   class if ie r   o p tim ized   with   m etah eu r is tic  alg o r ith m   f o r   im p r o v e d   d is ea s r ec o g n itio n   [ 1 9 ] .   T ab le   1   p r o v id es   a   co m p a r ativ o v er v iew  o f   e x is tin g   ap p r o ac h es ,   d etailin g   th m o d els  im p lem e n ted ,   th s ize  o f   th d atasets ,   th en s em b le  tech n i q u es  ap p lie d ,   an d   th ac cu r ac y   r esu lts   r ep o r ted   in   ea c h   s tu d y .   W h ile   in d iv id u al   an d   h y b r id   m eth o d s   h av e   s h o wn   p o ten tia l,  th er e   r em ain s   n ee d   f o r   m o r r o b u s t   an d   a d ap tab le   m o d els  f o r   r ice   leaf   d is ea s d etec tio n .   Ma n y   e x is tin g   s tu d ies  ar e   lim ited   t o   a   f ew  d is ea s ty p es   an d   s tr u g g le  with   g en er aliza t io n   ac r o s s   d if f er en en v i r o n m en tal  co n d itio n s .   T h r ec o m m en d ed   en s em b le  m eth o d   e n h an ce s   th e   p r ec is io n   an d   r esil ien ce   o f   r ice  leaf   d i s ea s d etec tio n   b y   i n teg r atin g   th k e y   f ea tu r es  o f   VGG1 6 ,   Den s eNe t1 2 1 ,   I n ce p tio n V3 ,   an d   Xce p tio n .   T h m o d el  is   ex p o s ed   to   v ar iety   o f   tr ain in g   s am p les   th r o u g h   th u s o f   v a r io u s   d ata  au g m en tatio n   ap p r o ac h es,  s u ch   as  r o tatio n ,   f lip p in g ,   a n d   zo o m i n g ,   wh ich   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Un ified   vo tin g - b a s ed   en s emb l lea r n in g   fo r   r ice  lea f d is ea s d etec tio n   …  ( Go vi n d a r a ja n   S u b b u r a ma n )   1649   en h an ce s   th m o d el' s   g en er aliza tio n   an d   ab ilit y   to   c o r r ec tly   id en tify   v ar ie d   illn ess   p atter n s .   T h r o u g h   u n if ied   v o tin g   ap p r o ac h ,   in clu d in g   m ajo r ity ,   s o f t,  an d   weig h ted   v o tin g ,   th m o d el  en h an ce s   p r e d ictio n   ac cu r ac y   b y   ag g r eg atin g   th o u tp u ts   f r o m   m u ltip le  m o d els,  en s u r in g   th e   f in al  d ec is io n   r ef lects  th co n s en s u s   o f   d iv er s e   ch ar ac ter is tics .   T h is   m eth o d   e n h an ce s   n o t   ju s th ac cu r ac y   o f   th m o d el  b u also   its   r o b u s tn ess   an d   ab ilit y   to   g en er alize ,   en a b lin g   m o r r eli ab le  d etec tio n   o f   r ice  leaf   d is ea s es u n d er   d iv er s e n v ir o n m e n tal  co n d itio n s .       T ab le  1 .   Su m m a r izes   co m p a r is o n   o f   c u r r en m eth o d s   u s ed   f o r   d etec tin g   r ice  leaf   d is ea s es .   A u t h o r   M o d e l s/ met h o d s   En se mb l e   V o t i n g   m e c h a n i sm   D a t a s e t   s i z e   A c c u r a c y   ( %)   D e n g   e t   a l .   [1 2 ]   D e n seN e t 1 2 1 ,   S E - R e sN e t 5 0 ,   R e sN e S t 5 0   Y e s   Y e s   ( 3 3 , 0 2 6   i m a g e s,   6   d i se a ses)   91   P a i   e t   a l .   [1 3 ]   M o b i l e N e t V 2 ,   G o o g L e N e t ,   Ef f i c i e n t N e t ,   R e sN e t 3 4 ,   D e n seN e t 1 2 1 ,   V G G 1 6   Y e s   Y e s   ( 1 8 , 5 6 3   i m a g e s,   6   d i se a ses)   9 3 . 4   D e b   e t   a l .   [1 4 ]   I n c e p t i o n V 3 ,   V G G 1 6 ,   A l e x N e t ,   M o b i l e N e t V 2 ,   R e sN e t 1 8   No   No   (7 , 0 9 6   i ma g e s ,   5   d i s e a ses)   9 6 . 2 3   I sl a e t   a l .   [1 5 ]   V G G 1 6 ,   R e sN e t 5 0 ,   D e n seN e t 1 2 1   No   No   ( D a t a se t 1 : 3 8 6   i ma g e s ,     5   d i s e a se s ;   D a t a set 2 :   1 2 0   i ma g e s,   3   d i se a ses ;   D a t a s e t 3 :   2 7 8   i ma g e s ,   3   d i s e a s e s)   9 1 . 6 7 ,   8 5 . 4 5 ,   8 9 . 8 5   H a r i d a sa n   e t   a l .   [1 6 ]   C N N + S V M   Y e s   No   ( P l a n t   d a t a se t ,   5   d i se a ses)   9 1 . 4 5   M a n d w a r i y a   a n d   Jo t w a n i   [1 7 ]   X c e p t i o n N e t ,   R e sN e t 5 0 ,   D e n seN e t 1 2 1 ,   V G G 1 9 ,   S e q u e e z e N e t   a n d   C N N   No   No   (4 , 1 9 3   i ma g e s ,   1 0   d i se a ses)   9 3 . 1 3   B h o w mi k   e t   a l .   [1 8 ]   V G G 1 6   ( t r a n sf e r   l e a r n i n g ) + L i g h t G B M   ( e n sem b l e )   Y e s   No   (3 , 3 5 5   i ma g e s ,   4   d i s e a ses)   9 6 . 4 9   K r i s h n a m o o r t h y   e t   a l .   [ 4 ]   I n c e p t i o n R e sN e t V 2   No   No   (5 , 2 0 0   i ma g e s ,   3   d i s e a ses)   9 5 . 6 7   B h o w mi k   [ 1 8 ]   S e g N e t , + D e e p   R N N   Y e s   No   ( 1 2 0   i ma g e s ,   3   d i s e a ses   9 0 . 5       3.   P RO P O SE M E T H O D   T h e   p r o p o s e d   a p p r o a c h   e m p l o y s   a n   e n s e m b le   l e a r n i n g   cl a s s if i e r   f o r   d e t e c t i n g   r ic e   l e a f   d i s ea s es .   T h p r o c e s s   i n v o l v es   s e v e r al   s ta g es ,   i n c l u d i n g   d a t a   c o l le c t i o n ,   im a g e   p r e p r o c e s s i n g   s u c h   as   r es i z i n g ,   a p p l ic a t i o n   o f   d a t a   a u g m e n t a ti o n   t e c h n i q u es,   t r a i n i n g ,   a n d   e v a l u at i n g   d e ep   l e a r n i n g   m o d e l s ,   a n d   f i n a l ly   c o m b i n i n g   t h e i r   p r e d i c t i o n s   t h r o u g h   a   u n i f i e d   v o t i n g - b a s e d   e n s e m b l e   s t r a te g y .   T o   e n h a n c e   t h e   o v e r a l l   p e r f o r m a n c e   o f   t h e   m o d e l ,   t h e   r i c e   l e a f   d is e as e   d a t as et   u n d e r w e n t   p r e p r o c e s s i n g   a n d   d a t a   a u g m e n t a t i o n .   T h e   f o l lo w i n g   s u b s e ct i o n s   d e s c r i b e   e a c h   s t e p   o f   t h e   p r o p o s e d   m e t h o d o l o g y ,   w h i c h   is   i ll u s t r a t e d   i n   F i g u r e   2 .           Fig u r 2 .   W o r k f lo o f   p r o p o s ed   en s em b le  lear n i n g   with   u n i f ied   v o tin g   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 5 ,   No .   2 ,   Ap r il 2 0 2 6 1 6 4 6 - 1 6 6 3   1650   3 . 1 .     Da t a s et   des cr iptio n   T h r ice  lea f   d is ea s d ataset  was  m ain ly   s o u r ce d   f r o m   Kag g le   an d   s u p p lem en ted   with   ad d itio n al   im ag es  f r o m   Go o g le,   c o m p r is in g   s ix   class es:  f iv d is ea s ty p es n ar r o b r o wn   s p o t,   le af   s ca ld ,   leaf   b last ,   b r o wn   s p o t,  an d   b ac te r ial  leaf   b lig h t an d   o n h ea lth y   ca teg o r y ,   as  illu s tr ated   in   Fi g u r 3 .   to tal  o f     4 , 0 0 0   im ag es   wer in cl u d ed   an d   d iv id e d   i n to   tr ain i n g ,   v alid atio n ,   a n d   test in g   s ets  u s in g   a   7 0 :3 0   r atio .   T r ain in g   s et  c o n tain ed   3 2 7   im ag es  p er   class ,   v alid atio n   s et  1 4 0   im a g es  p er   class ,   an d   test in g   s et  2 0 0   im ag es   p er   class .   I m ag es  we r r escal ed   ac co r d in g   to   t h in p u d i m en s io n s   r eq u ir e d   b y   ea c h   p r et r ain ed   ar ch itectu r e,   u s in g   2 2 4 ×2 2 4   p ix els  [ 2 0 ]   f o r   VGG1 6   an d   Den s eNe t1 2 1 ,   an d   2 9 9 × 2 9 9   p ix els f o r   I n ce p tio n V3   an d   Xce p tio n .           Fig u r 3 .   E x am p les o f   r ice  lea f   d is ea s im ag es       3 . 2 .     P re pro ce s s ing   a nd   a ug m ent a t io n   T h is   s tag aim s   to   p r ep ar im ag d ata  s o   th at  it  is   m o r co n s is ten an d   v ar ied   to   s u p p o r t   th m o d el   tr ain in g   p r o ce s s .     N o r m aliza tio n p ix el  v alu es  wer r escaled   b y   f ac to r   o f   1/ 2 5 5 ,   en s u r in g   th e y   f all  with in   t h [ 0 ,   1 ]   r an g e   f o r   s tab le  tr ain in g   an d   f aster   c o n v er g en ce .     Au g m en tatio n to   in cr ea s th v ar iety   o f   tr ain in g   s am p les  an d   lim it  o v er f itti n g ,   s ev er al  im ag e   tr an s f o r m atio n   m eth o d s   wer em p lo y ed .   T h ese  in clu d e d   co n tr o lled   r o tatio n s   o f   u p   t o   4 0 ° ,   h o r izo n tal  a n d   v er tical  tr an s latio n s   r ea ch in g   3 0 %,  g eo m etr ic  d is to r tio n   u s i n g   s h ea r   f ac to r   o f   0 . 2 ,   zo o m   o p er atio n s   u p   to   3 0 %,   in ten s ity   v ar iatio n   th r o u g h   b r ig h tn ess   s ca lin g   b etw ee n   0 . 7   a n d   1 . 3 ,   co l o r   c h an n e ad ju s tm en ts   u p   to   3 0 . 0 ,   an d   h o r iz o n tal  m ir r o r in g   o f   im ag es.     Sp litt in g th av ailab le  d ata  wer o r g an ized   in to   s ep ar a te  lear n in g ,   tu n in g ,   an d   ev al u atio n   g r o u p s   f o llo win g   p r ed e f in ed   r atio ,   wh er ea ch   class   co n tr ib u ted   3 2 7   im a g es  f o r   m o d el  lea r n in g ,   1 4 0   im ag es   f o r   p a r am eter   v alid atio n ,   an d   2 0 0   im a g es f o r   f i n al  ass ess m e n t.     3 . 3 .     B a s mo dels   I n   th is   s tu d y ,   f o u r   p r etr ain ed   d ee p   v is io n   ar c h itectu r es  wer ad ap ted   th r o u g h   f in e - t u n in g   to   class if y   r ice  leaf   co n d itio n s ,   an d   th k ey   ch ar ac ter is tics   o f   th ese  ch o s en   n etwo r k s   ar s u m m ar ized   in   T ab le  2 .   T r an s f er   lear n in g tr a n s f er   lear n in g   wa s   ap p lied   b y   s tar tin g   ea ch   n et wo r k   with   weig h ts   lear n e d   f r o m   I m a g eNe an d   th en   ad a p tin g   th e   m o d els  t o   th r ice  leaf   d is ea s d ata   th r o u g h   ad d itio n al  tr ai n in g .   Ar ch itec tu r al  m o d if icatio n s :   th ar ch itectu r e   in co r p o r ates  f ea tu r s u m m ar izatio n   s tag e,   f o llo wed   b y   n o n lin ea r   f u lly   co n n ec te d   lay er ,     r eg u lar izatio n   co m p o n e n with   0 . 4   d r o p   r ate,   a n d   f in al   class if icat io n   lay er   th at  o u tp u ts   p r o b ab ilit ies  f o r   s ix   class e s .       T ab le  2 .   C h ar ac ter is tics   o f   p r e tr ain ed   C NN  ar ch itectu r es   M o d e l   P a r a me t e r s   N o t a b l e   f e a t u r e s   I n p u t   si z e   V G G 1 6   ~ 1 3 8   M   D e e p   b u t   si m p l e   s e q u e n t i a l   a r c h i t e c t u r e   2 2 4 × 2 2 4   D e n seN e t 1 2 1   ~ 8   M   D e n se   c o n n e c t i v i t y ,   p a r a m e t e r   e f f i c i e n c y   2 2 4 × 2 2 4   I n c e p t i o n V 3   ~ 2 4   M   M u l t i - sca l e   f e a t u r e   e x t r a c t i o n   2 9 9 × 2 9 9   X c e p t i o n   ~ 2 2   M   D e p t h w i s e   s e p a r a b l e   c o n v o l u t i o n s   2 9 9 × 2 9 9   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Un ified   vo tin g - b a s ed   en s emb l lea r n in g   fo r   r ice  lea f d is ea s d etec tio n   …  ( Go vi n d a r a ja n   S u b b u r a ma n )   1651   3 . 4 .     E ns em ble  lea rning   s t ra t eg ies   T o   en h an ce   class if icatio n   ac cu r ac y   a n d   g en e r aliza tio n   in   r i ce   leaf   d is ea s d etec tio n ,   t h r e en s em b le   m eth o d s   wer a p p lied   with in   u n if ied   v o tin g   s tr ateg y ,   wh e r ea ch   m et h o d   co n tr i b u tes  to   th f in al  d ec is io n   th r o u g h   co m b in ed   p r ed ictio n s .   T h is   ap p r o ac h   im p r o v es  r o b u s tn ess   b y   lev er ag in g   th s tr en g th s   o f   m u ltip le  m o d els  in s tead   o f   r el y in g   o n   s in g le  class if ier .   As  r esu lt ,   th o v er all  p er f o r m an ce   in   i d en tify in g   r ice  lea f   d is ea s es b ec o m es m o r s tab le  an d   r eliab le.     3 . 4 . 1 .   M a j o rit y   v o t ing   Un d er   th is   ap p r o ac h ,   ea ch   tr a in ed   m o d el  p r o v id es  its   p r ed ictio n ,   an d   th o u tc o m is   d eter m in ed   b y   th lab el  th at  r ec eiv es th g r ea test   o v er all  s u p p o r [ 2 1 ]   as in   ( 1 ) .     ̂ =       =   ( , ) = 1   ( 1 )     W h er ̂   is   r ep r e s en ts   s elec ted   o u tp u ca te g o r y   [ 2 1 ]   is   d en o tes   to tal  n u m b er   o f   p ar ticip ati n g   m o d els   is   in d icate s   c lass   lab el ,   an d   ( , )   is   eq u als   1   wh en   t h   m o d el  p r e d icts   clas s   j,  an d   0   o t h er wis e.     3 . 4 . 2 .   So f t   v o t ing   I n   th is   a p p r o ac h ,   p r o b ab ilit y   s co r es  p r o d u ce d   b y   ea c h   m o d el   ar c o m b in e d   b y   co m p u tin g   th eir   m ea n   v alu es,  an d   th ca teg o r y   wi th   th s tr o n g est  o v er all  co n f id en ce   is   s elec ted .   B y   r ely in g   o n   co n f id e n ce   in f o r m atio n   r ath er   th an   o n ly   d is cr ete  lab els,  th en s em b l b en ef its   f r o m   th r eliab ilit y   o f   all  in d iv id u al   p r ed ictio n s   [ 2 1 ] ,   [ 2 2 ]   as d escr ib ed   in   ( 2 ) .     ̂ =    1 = 1 ( )   ( 2 )     W h er ( )   is   p r o b ab ilit y   o f   class     p r ed icted   b y   m o d el      3 . 4 . 3 .   Weig hte v o t ing   I n   th is   m eth o d ,   m o d el  weig h ts   wer d eter m in ed   ac co r d in g   to   v alid atio n   p er f o r m an ce   a n d   o v er all   ac cu r ac y .   Den s eNe t1 2 1   an d   I n ce p tio n V3 ,   wh ich   s h o wed   s u p er io r   r esu lts   am o n g   th e   s elec ted   m o d els,  wer e   ea ch   g iv e n   weig h t   o f   0 . 3 0 ,   wh ile  VGG1 6   an d   Xce p tio n   wer ass ig n ed   lo wer   weig h ts   o f   0 . 2 0   d u t o   th ei r   r elativ ely   wea k er   p er f o r m an ce .   T h f in al  class   p r ed icti o n   was  p r o d u ce d   b y   ca lcu latin g   weig h ted   co m b in atio n   o f   th class   p r o b ab ilit y   o u t p u ts   f r o m   all  m o d els,  allo win g   h i g h er - p er f o r m in g   m o d els  to   h a v g r ea ter   im p ac t w h ile  s till   b en e f itin g   f r o m   th d i v er s ity   o f   t h e   en s em b le  as in   ( 3 )   [ 2 2 ] .     ̂ =    = 1 ( )   ( 3 )     W h er e     is   w eig h as s ig n ed   to   m o d el    ( e. g . ,   b ased   o n   ac cu r ac y ) ( )   is   p r o b ab ilit y   o f   class     p r ed icted   b y   m o d el  .   T h s eq u e n ce   o f   s tep s   o u tl in ed   is   u s ed   to   ev alu ate   th ex p la n atio n s   f o r   u n if ie d   v o tin g   in     en s em b le  lear n in g .     Step   1 in p u t: m o d els  {M 1 ,   M 2 ,   . . . ,   M n },   test   d ataset  D,   tr u e   la b els Y  ( o p tio n al) ,   v o tin g   ty p e,   wei g h ts   W     Step   2 in itialize :   P   s o f t p r ed ictio n s   ( p r o b ab ili ties ) ,   C   m ajo r ity   p r ed ictio n s   ( class   lab els).     Step   3 co llect  p r ed ictio n s :   Fo r   ea ch   m o d el  :   Pre d ict  p r o b a b ilit ies   = .   ( ) .   C o m p u te  m ajo r ity   p r ed ictio n s   =    ( ) .   Sto r e     in     an d     in   .     Step   4 ag g r e g ate  p r e d ictio n s :   So f v o tin g c o m p u te  =    ( ) ,   th en        =    ( ) .   W eig h ted   v o tin g n o r m aliz e   ,   co m p u te   = [ ] . [ ] ,   an d      =    ( ) .   Ma jo r ity   v o tin g : f o r   ea ch   s am p le,   d eter m in t h m o s t f r e q u e n t c lass        f r o m   .     Step   5 f in al  p r e d ictio n s .     Step   6 en d   f o r       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 5 ,   No .   2 ,   Ap r il 2 0 2 6 1 6 4 6 - 1 6 6 3   1652   3 . 5 .     T ra ini ng   co nfig ura t io n   T h m o d els  wer tr ain ed   with   th Ad am   o p tim izatio n   alg o r ith m   u s in g   lear n in g   r ate  o f   0 . 0 0 0 0 5 ,   ca teg o r ical  cr o s s - en tr o p y   lo s s ,   b atch   s ize  o f   3 2 ,   a n d   to tal  o f   5 0   tr ain i n g   ep o ch s .   T o   im p r o v e   g en er aliza tio n ,   d r o p o u lay e r s   an d   d ata   au g m en tatio n   wer ap p lied   d u r in g   tr ai n in g .   T h e   ex p er im en tal   s etu p   u tili ze d   m u ltip le  h ar d war e   ac ce ler ato r s   to   en s u r ef f icien p r o ce s s in g ,   with   C PUs   h an d lin g   d ata  p r ep r o ce s s in g ,   T 4   GPUs   s u p p o r tin g   co m p u tatio n ally   in te n s iv o p er atio n s ,   an d   T PU  v 2 - 8   r eso u r ce s   u s ed   f o r   h ig h ly   p ar allel  wo r k lo a d s .       4.   E NS E M B L E   M O DE L VG G 1 6 ,   DE NSE N E T 1 2 1 ,   I NCE P T I O NV3 ,   AND  XC E P T I O N   T h is   r esear ch   aim ed   to   in v esti g ate  th ef f ec tiv en ess   o f   co m b i n in g   VGG1 6 ,   Den s eNe t1 2 1 ,   I n ce p tio n V3 ,   an d   Xce p tio n   i n to   s in g le  en s em b le  f r am e wo r k   to   en h a n ce   class if icatio n   p er f o r m an ce   an d   m o d el  r o b u s tn ess   b y   ex p lo itin g   th co m p lem en tar y   ca p ab ilit ies o f   ea ch   ar ch itectu r e.     4 . 1 .     VG G 1 6   VGG1 6   is   well - k n o wn   im a g r ec o g n itio n   a r ch itectu r e   d e v elo p ed   b y   an   ac a d em ic  r ese ar ch   team ,   ch ar ac ter ized   b y   s im p le  lay e r ed   s tr u ctu r t h at  r elies  o n   s m all  3 ×3   co n v o lu tio n   f ilter s .   I t a ch iev ed   s ig n if ican t   s u cc ess   in   th 2 0 1 4   I m ag eNe lar g s ca le  v is u al  r ec o g n itio n   ch allen g ( 2 0 1 4   I L SVR C ) ,   d em o n s tr atin g   t h e   p o wer   o f   d ee p   n etwo r k s   f o r   h ier ar ch ical  f ea tu r ex tr ac tio n   [ 2 3 ] .   W ith   1 6   weig h lay er s ,   VGG1 6   in f lu en ce d   th d ev elo p m en o f   d ee p er   n etwo r k s   an d   its   m o d u lar   d esig n   h as  in s p ir ed   m an y   s u b s eq u en m o d els  i n   co m p u ter   v is io n .   I n   th is   s tu d y ,   th m o d if ied   VGG1 6   n etwo r k   p r o ce s s es c o lo r   im ag es r esized   to   f ix ed   s q u ar e   r eso lu tio n   s u itab le  f o r   its   in p u lay er .   T h ar c h itectu r c o n tain s   th ir teen   co n v o lu tio n   s tag es  ar r an g ed   in   co n s ec u tiv b lo c k s ,   with   n o n lin ea r   ac tiv atio n   a p p lied   af te r   ea ch   s tag e.   T h e   n etwo r k   b e g in s   with   an   in itial   s tag th at  ap p lies   two   f ea tu r ex tr ac tio n   lay er s   u s in g   s m all  k er n el,   af ter   wh ich   s p atial  r eso lu tio n   is   r ed u ce d   th r o u g h   p o o lin g .   I n   t h n ex s tag e,   th d ep th   o f   th e   f ea tu r m ap s   is   ex p an d e d   wh ile  m ain tain in g   th s am e   k er n el  d im en s io n s ,   a g ain   f o llo wed   b y   d o wn s am p lin g   o p er a tio n .   T h e   th ir d   s tag f u r th er   d e ep en s   th n etwo r k   b y   in tr o d u cin g   th r ee   s u cc ess iv f ea tu r e   ex tr ac tio n   lay er s   b ef o r r e d u cin g   s p atial  s ize.   T h f in al  two   s tag es   f o llo s im ilar   d esig n   p atte r n ,   ea ch   em p lo y i n g   th r ee   f ea tu r ex tr ac tio n   lay er s   with   h ig h er   n u m b er   o f   ch an n els,  an d   ea ch   s tag co n clu d es  with   p o o lin g   o p e r atio n   to   p r o g r ess iv ely   co n d e n s th f ea tu r m ap s .   Fo llo win g   th e   f ea tu r e   ex tr ac ti o n   s tag es,  th e   m o d el  m o v es  i n to   a   s er ies  o f   d en s la y er s ,   wh er th e   f ir s two   h av h ig h   n u m b er   o f   u n its   with   n o n lin ea r   ac tiv atio n ,   an d   th f in al  lay er   r ed u ce s   th r ep r esen tatio n   to   s m aller   s et  o f   o u tp u u n its .   Fin ally ,   So f tMa x   o u tp u lay e r   is   ap p lied   to   p e r f o r m   class if icatio n   ac r o s s   th e   tar g et  ca teg o r ies,  as illu s tr ated   in   Fig u r 4 .     4 . 2 .     DenseNet 1 2 1   Den s eNe t1 2 1   u s es  d en s co n n ec tio n s   wh er ea ch   lay e r   co n n ec ts   to   all  p r ec ed in g   lay er s ,   im p r o v in g   in f o r m atio n   f lo w,   g r ad ien p r o p ag atio n ,   an d   tr ai n in g   e f f icien cy .   W ith   1 2 1   la y er s ,   Den s eNe t1 2 1   ef f icien tl y   ca p tu r es  f in e - g r ain e d   f ea tu r es  wh ile  k ee p in g   t h n u m b e r   o f   p ar am eter s   m a n ag ea b le,   m a k in g   it   well - s u ited   f o r   v is u al  r ec o g n itio n   ap p licatio n s   [ 2 3 ] .   I n   th is   r esear ch ,   th m o d if ied   Den s eNe t1 2 1   m o d el  ac ce p ts   co lo r   im ag es  r esized   to   f ix e d   r eso lu tio n   o f   2 2 4   b y   2 2 4   p ix els.  T h n et wo r k   b e g in s   with   co n v o lu ti o n al  o p e r atio n   u s in g   6 4   f ilter s   with   r elativ ely   la r g k er n el,   co m b in ed   with   a   d o wn s am p lin g   s tep   an d   n o n lin ea r   ac tiv atio n ,   f o llo wed   b y   p o o lin g   la y er   th at  f u r t h er   r ed u c es  th e   s p atial  d im en s io n s   o f   th e   f ea tu r e   m ap s .   T h e   m o d e l   co n tin u es  with   m u ltip le  d e n s ely   co n n ec ted   b lo ck s   in ter lea v ed   with   tr an s itio n   lay er s .   T h f ir s d en s b lo ck   co n s is ts   o f   f o u r   s eq u en tial  lay er s ,   ea ch   em p lo y i n g   co n v o lu ti o n s   with   s m all  an d   m ed iu m - s i ze d   k er n els,  alo n g   with   b atch   n o r m aliza tio n   a n d   n o n lin ea r   ac tiv atio n   f u n ctio n s .   T h is   is   f o llo wed   b y   tr a n s itio n   lay e r   with   1 ×1   co n v o l u tio n   o f   1 2 8   f ilter s   an d   2 ×2   a v er ag e   p o o lin g   f o r   d o w n s am p lin g .   Den s b lo ck s   2 ,   3 ,   an d   4   f o llo th e   s am s tr u ctu r e,   ea ch   with   f o u r   lay er s   o f   3 2   f ilter s ,   s ep ar ated   b y   tr an s itio n   lay er s .   Af ter   th f in al  d en s b lo ck ,   g lo b al  av e r ag p o o lin g   r ed u ce s   ea ch   f ea tu r e   m ap   t o   1 ×1 ,   f o llo we d   b y   f u lly   co n n ec ted   lay e r   with     1 , 0 2 4   n eu r o n s   an d   r ec tifie d   lin ea r   u n it  ( R eL U )   ac tiv atio n ,   an d   f in ally   So f tMa x   lay er   f o r   class if icatio n ,   as   s h o wn   in   Fig u r 5 .     4 . 3 .     I ncept io nV3   I n ce p tio n V3   is   an   ef f icien C NN  d ev elo p ed   b y   Go o g le,   k n o wn   f o r   its   in n o v ativ " in ce p tio n   m o d u le , wh ic h   p er f o r m s   p ar a llel c o n v o lu tio n s   with   m u ltip l k er n el  s izes f o r   m u lti - s ca le  f ea tu r ex tr ac tio n .   I t   o p tim izes  d ep th   an d   co m p u t atio n al  co s t,  ac h iev in g   h ig h   class if icatio n   ac cu r ac y   an d   ef f icien cy ,   s ettin g   b en ch m ar k s   in   co m p u ter   v is io n   [ 2 4 ] .   I n   th is   wo r k ,   th r e f in ed   I n ce p tio n V3   ar ch itectu r p r o ce s s es  co lo r   im ag es  r esized   to   h ig h er   s q u ar r eso lu tio n   s u itab le  f o r   its   in p u lay er .   T h d esig n   b eg in s   with   an   in itial  co n v o l u tio n   s tag a n d   th e n   a p p lies   s eq u en ce   o f   i n ce p tio n   u n its   th at  p r o ce s s   in f o r m ati o n   in   p ar allel  u s in g   f ilter s   o f   d if f er en s p atial  ex te n ts ,   co m b in ed   with   p o o lin g   o p er atio n s   to   lear n   f ea tu r es  at  m u ltip le  s ca les.  T h e   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Un ified   vo tin g - b a s ed   en s emb l lea r n in g   fo r   r ice  lea f d is ea s d etec tio n   …  ( Go vi n d a r a ja n   S u b b u r a ma n )   1653   f ir s in ce p tio n   m o d u le  in clu d e s   co n v o lu tio n s   with   6 4 ,   1 2 8 ,   a n d   3 2   f ilter s ,   f o llo wed   b y   m ax - p o o lin g ,   wh ile  th e   s ec o n d   m o d u le  ap p lies   co n v o lu tio n s   with   1 2 8 ,   1 9 2 ,   an d   9 6   f ilter s   b ef o r p o o lin g .   Su b s eq u en in ce p tio n   m o d u les  ex p an d   in   co m p lex ity ,   in co r p o r atin g   wid er   f ilte r   co n f ig u r atio n s   f o r   r ich e r   f ea tu r ex tr ac tio n .     T o   r e d u ce   s p atial  d im en s io n s ,   two   r e d u ctio n   m o d u les  ar e   e m p lo y ed :   th e   f ir s ap p lies   d o wn - s am p lin g   u s in g   3 ×3   co n v o lu tio n s   an d   m a x - p o o lin g   af ter   th in itial  in ce p t io n   m o d u les,  wh ile  th s ec o n d   f u r th er   r e d u ce s   d im en s io n s   at  d ee p er   le v els  o f   th n etwo r k .   Af ter   th in ce p tio n   s tag es,  th lear n ed   f ea tu r r ep r esen tatio n s   ar e   p ass ed   to   a   h ig h - ca p ac ity   d e n s s tag f o r   f u r th er   ab s tr ac t io n ,   f o llo wed   b y   r e g u lar iz atio n   s tep   to   lim it  o v er f itti n g .   T h m o d el  th en   p r o d u ce s   p r o b ab ilit y - b ased   o u tp u ts   to   d is tin g u is h   am o n g   th d if f er en leaf   co n d itio n s ,   as illu s tr ated   in   Fi g u r 6 .     4 . 4 .     Xce ptio n   Xce p tio n ,   also   k n o wn   as  ex t r em in ce p tio n ,   is   an   ad v a n c ed   v is io n   m o d el  d ev el o p ed   t o   ac h iev s tr o n g   r esu lts   in   wid r an g o f   v is u al  r ec o g n itio n   ap p licatio n s   [ 2 4 ] .   I b u ild s   u p o n   th I n ce p tio n V3   d esig n   b y   ad o p tin g   r e f in ed   s tr u ctu r th at  s ep ar ates  s p atial  an d   ch an n el - wis p r o ce s s in g .   T h is   ap p r o ac h   lead s   t o   lo wer   co m p u tatio n al  d em a n d s   an d   im p r o v e d   ac cu r ac y ,   as illu s tr ated   in   Fig u r 7 .             Fig u r 4 .   Ar c h itectu r o f   th i m p r o v e d   VGG1 6   m o d el     Fig u r 5 .   Stru ctu r o f   th en h a n ce d   Den s eNe t1 2 1   m o d el     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 2 5 2 - 8 9 3 8   I n t J Ar tif   I n tell Vo l.  1 5 ,   No .   2 ,   Ap r il 2 0 2 6 1 6 4 6 - 1 6 6 3   1654         Fig u r 6 .   Stru ctu r o f   th en h a n ce d   I n ce p tio n V3   m o d el     Fig u r 7 .   Stru ctu r o f   th en h a n ce d     Xce p tio n   m o d el       T h im p r o v ed   Xce p tio n   m o d el  ac ce p ts   in p u im ag es  o f   s ize  2 9 9 ×2 9 9 ×3   ( h eig h t,   wid th ,   an d   R GB   ch an n els).   T h m o d el  b eg i n s   with   two   in itial  f ea tu r e x tr ac tio n   s tag es,  wh er e   th f ir s r ed u ce s   s p atial  r eso lu tio n   u s in g   s m aller   n u m b er   o f   f ilter s   an d   n o n lin e ar   ac tiv atio n ,   f o llo wed   b y   s ec o n d   s tag th at  in cr ea s es  ch an n el  d e p th   wh il p r eser v in g   f in e r   s p atial  d eta il.  T h d esig n   is   o r g a n ized   in to   th r ee   s u cc ess iv e   p r o ce s s in g   p h ases   th at  h a n d le   ea r ly   f ea tu r ex tr ac tio n ,   in ter m ed iate  r ep r esen tatio n   lear n in g ,   an d   f in al  f ea t u r e   r ef in em en t.  T h ea r ly   f ea t u r e   ex tr ac tio n   p h ase  is   m ad u p   o f   r ep ea ted   co m p u tatio n al  b lo ck s   th at  s ep ar ate   ch an n el - wis an d   s p atial  f ilter in g ,   with   s h o r tcu t   co n n ec tio n s   in clu d e d   to   s u p p o r s tab le  a n d   ef f icien t   lear n in g .   T h is   s tag co n s is ts   o f   th r ee   m ain   b lo ck s   with   1 2 8 ,   2 5 6 ,   an d   7 2 8   f ilter s ,   r esp ec tiv ely .   T h e   im m ed iat e   r ep r esen tatio n   lear n in g   c o m p r is es  eig h id e n tical  b lo c k s ,   ea ch   c o n tain in g   th r ee   d ep th wis s ep ar ab le  co n v o l u tio n s   with   7 2 8   f ilter s   an d   R eL ac tiv atio n s ,   wi th o u an y   d o w n - s am p lin g .   I n   th f in al  f ea tu r e   r ef in em en t,   d ep th wis s ep ar ab le  co n v o lu tio n s   with   1 , 0 2 4   f ilter s   ar a p p lied ,   ac co m p an ied   b y   r esid u al   co n n ec tio n s ,   an d   th r esu ltin g   f ea tu r m ap s   ar th en   r ed u ce d   to   1 ×1   d im en s io n   u s in g   g lo b al  av er ag p o o lin g .   T h f in al  s tag es  em p l o y   d en s r ep r esen tatio n   lay er   f o r   ad v an ce d   f ea tu r ab s tr ac tio n ,   ap p ly   r eg u lar izatio n   to   lim it o v er f itti n g ,   a n d   p r o d u ce   p r o b a b ilit y - b ased   o u tp u ts   to   d i s tin g u is h   am o n g   t h v ar i o u s   r i ce   leaf   co n d itio n s .     4 . 5 .     E ns em ble  wo rk f lo wit h uni f ied v o t ing   T h p r o p o s ed   en s em b le  wo r k f lo is   illu s tr ated   in   F ig u r 8 .   I n   th is   f r am ewo r k ,   p r e p r o ce s s ed     r ice  leaf   im ag es  ar e   f ir s f ed   in to   f o u r   p r etr ain ed   d ee p   lear n in g   m o d els   VGG1 6 ,   Den s eNe t1 2 1 ,   I n ce p tio n V3 ,   an d   Xce p tio n   to   e x tr ac f ea tu r es  an d   g en er ate  in itial  class   p r ed ictio n s .   T h p r ed ictio n s   f r o m   ea ch   in d i v id u al   m o d el  ar s u b s eq u en tly   c o m b in ed   with in   u n if ied   v o tin g   f r am ewo r k ,   wh ich   in teg r at es  th r ee   en s em b le  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n t J Ar tif   I n tell     I SS N:   2252 - 8 9 3 8       Un ified   vo tin g - b a s ed   en s emb l lea r n in g   fo r   r ice  lea f d is ea s d etec tio n   …  ( Go vi n d a r a ja n   S u b b u r a ma n )   1655   s tr ateg ies:   m ajo r ity   v o tin g ,   s o f v o tin g ,   a n d   weig h ted   v o tin g .   I n   th e   m ajo r ity   ap p r o ac h ,   th o u tp u   co r r esp o n d s   to   th class   s u p p o r ted   b y   th h i g h est  n u m b er   o f   m o d els,  wh ile  th s o f ap p r o ac h   r elies  o n   th e   av er ag e   co n f i d en ce   s co r es  f r o m   all  m o d els  to   d eter m i n th s elec ted   class .   I n   weig h ted   v o tin g ,   m o d els  ar e   ass ig n ed   p er f o r m an ce - b ased   weig h ts ,   an d   th f in al  p r ed ict io n   is   d e r iv ed   f r o m   th e   weig h ted   co m b in atio n   o f   th eir   o u tp u ts ,   allo win g   t h en s em b le  to   u tili ze   th e   s tr en g th s   o f   ea ch   m o d el  f o r   m o r r eliab le   an d     ac cu r ate  class if icatio n .     I n   th p r o p o s ed   weig h ted   v o ti n g   s tr ateg y ,   th weig h ts   [ 0 . 3 ,   0 . 3 ,   0 . 2 ,   0 . 2 ]   wer ass ig n ed   t o   th f o u r   p r etr ain ed   m o d els  ( VGG1 6 ,   Den s eNe t1 2 1 ,   I n ce p tio n V 3 ,   an d   Xce p tio n )   b ased   o n   th eir   in d iv id u al  p er f o r m an ce   ac c u r ac ies  an d   co m p lem en tar y   s tr en g t h s .   Den s eNe t1 2 1   ( 9 5 . 6 %)   an d   I n ce p tio n V3   ( 9 2 . 1 %)   d em o n s tr ated   r elativ ely   h ig h er   an d   m o r e   s tab le  class if ic atio n   p er f o r m a n ce ,   an d   th er e f o r wer ass ig n ed   s lig h tly   h ig h er   weig h ts   ( 0 . 3   e ac h ) .   VGG1 6   ( 9 1 . 3 %)  an d   Xce p tio n   ( 8 9 . 8 %)  ac h iev ed   co m p etitiv b u s lig h tly   lo wer   ac cu r ac ies,  s o   th ey   wer e   ass ig n ed   s m aller   weig h ts   ( 0 . 2   ea ch ) .             Fig u r 8 .   E n s em b le  wo r k f lo o f   p r etr ai n ed   m o d els with   u n if ied   v o tin g   f o r   r ice  leaf   d is ea s class if icatio n       T h is   weig h tin g   en s u r es  th at   m o d els  with   s tr o n g e r   p r e d i ctiv ca p ab ilit ies  h av p r o p o r tio n ally   g r ea ter   in f lu e n ce   o n   th f in al  d ec is io n ,   wh ile  s till   r etain in g   th d iv er s ity   b en e f its   o f   in clu d i n g   all  f o u r   m o d els.  E n s em b le  lear n in g   im p r o v es  g en er aliza tio n   b y   ag g r eg ati n g   p r e d ictio n s   f r o m   m u ltip l m o d els,  th er eb y   r ed u cin g   th e   r is k   t h at  th e   f in a o u tp u is   o v er ly   d ep e n d en t   o n   th e   b iases   o r   wea k n ess es  o f   an y   s in g le  m o d el .   Ma jo r ity   an d   s o f v o tin g   alr e ad y   p r o v i d r o b u s tn ess   b y   b a lan cin g   p r ed ictio n s ,   b u weig h ted   v o tin g   f u r th e r   en h an ce s   p er f o r m an ce   b y   em p h asizin g   s tr o n g er   m o d els.  T h is   r ed u ce s   th lik elih o o d   o f   o v er f itti n g ,   s in ce   th e   en s em b le  ca p tu r es  b r o ad er   r ep r esen tatio n   o f   f ea tu r es  lear n ed   ac r o s s   ar ch itectu r es  an d   av o id s   r ely in g   ex ce s s iv ely   o n   a   s in g le  m o d el  th at  m ay   h av e   o v e r f it  to   th tr ain in g   s et.   As  r esu lt,   th u n if ie d   v o tin g   en s em b le  ac h iev es m o r e   s tab le  an d   ac cu r ate  p r e d ictio n s   ac r o s s   d iv er s test   ca s es.     4 . 6 .     Unifie v o t ing   T h g o al  o f   u n i f ied   v o ti n g   in   en s em b le  lear n in g   is   to   c o m b i n o u tp u ts   f r o m   s ev er al  c o m p lem en tar y   ar ch itectu r es,  allo win g   th eir   in d iv id u al   s tr en g th s   to   co llecti v ely   en h an ce   o v er all   class if icatio n   ac cu r ac y .   T h is   ap p r o ac h   im p r o v es  ac cu r ac y   b y   r ed u cin g   t h lik elih o o d   o f   er r o r s   m a d b y   in d iv id u al  m o d els  an d   m itig ates  b iases   in h er en in   ea ch   m o d el,   as  it  ag g r e g ates  th eir   p r ed icti o n s   to   c o u n ter ac t   th wea k n ess es  o f   o n e   with   th e   s tr en g th s   o f   o th er s .   Un if ie d   v o tin g   en h an ce s   r o b u s tn ess   to   n o is an d   o u tlier s   b y   r ed u cin g   th in f lu en ce   o f   an o m alies  th r o u g h   th e   co m b i n ed   d ec is io n s   o f   all  m o d els.  Fig u r 9   d e p icts   th th r ee   m ain   ap p r o ac h es  f o r   co m b in in g   m o d el  p r ed ictio n s .   Fig u r 9 ( a)   d em o n s tr ates  th m ajo r ity - b ased   s tr ateg y ,   in   wh ich   th o u tc o m e   co r r esp o n d s   to   th lab el  m o s f r eq u en tly   s u p p o r ted   b y   t h p ar ticip atin g   m o d els.  Fig u r 9 ( b )   illu s tr ates     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.