COFFEE LEAF DISEASE CLASSIFICATION USING THREE LIGHTWEIGHT DEEP LEARNING MODELS: ROBUSTNESS EVALUATION AGAINST IMAGE DEGRADATION AND GRAD-CAM VISUALIZATION
DOI:
https://doi.org/10.51453/3093-3706/2026/1478Tóm tắt
This study evaluates three lightweight deep learning models, namely MobileNetV3-Small, MobileNetV3-Large, and EfficientNet-B0, for coffee leaf disease classification using the Ethiopian Coffee Leaf Disease dataset. The dataset includes four classes: Cerscospora, Healthy, Leaf rust, and Phoma, with 9,180 training images, 1,620 validation images, and 1,200 test images. All models were trained using transfer learning with ImageNet-pretrained weights, and the input images were resized to 224 × 224 pixels. Model performance was first assessed on the original test set and then further evaluated under two image degradation conditions, including blur and low-light. Grad-CAM was applied to the model with the highest overall performance to visualize image regions contributing to its predictions. The experimental results show that MobileNetV3-Large achieved the highest weighted-average F1-score on the original test images, reaching approximately 0.9992. Under degraded image conditions, the same model also obtained the highest weighted-average F1-scores, with 0.9114 under blur and 0.9464 under low-light. EfficientNet-B0 showed comparable performance on the original and low-light images but was more affected by blur. MobileNetV3-Small achieved high performance on the original images but showed a larger performance decrease under low-light conditions. Grad-CAM visualizations indicate that MobileNetV3-Large mainly focused on diseased leaf regions, while several blurred samples showed less distinct activation patterns, corresponding to some misclassification cases. The results indicate that, for lightweight deep learning models in coffee leaf disease classification, evaluation should consider not only classification performance on original images but also robustness under degraded image conditions and model interpretability.
Tải xuống
Tài liệu tham khảo
[1] S. P. Mohanty, D. P. Hughes, and M. Salathé, “Using Deep Learning for Image-Based Plant Disease Detection,” Front. Plant Sci., vol. 7, Sep. 2016, doi: 10.3389/fpls.2016.01419.
[2] A. Upadhyay et al., “Deep learning and computer vision in plant disease detection: a comprehensive review of techniques, models, and trends in precision agriculture,” Artif. Intell. Rev., vol. 58, no. 3, p. 92, Jan. 2025, doi: 10.1007/s10462-024-11100-x.
[3] J. G. M. Esgario, R. A. Krohling, and J. A. Ventura, “Deep learning for classification and severity estimation of coffee leaf biotic stress,” Comput. Electron. Agric., vol. 169, p. 105162, Feb. 2020, doi: 10.1016/j.compag.2019.105162.
[4] F. J. P. Montalbo and A. A. Hernandez, “Classifying Barako coffee leaf diseases using deep convolutional models,” Int. J. Adv. Intell. Inform., vol. 6, no. 2, pp. 197–209, Jul. 2020, doi: 10.26555/ijain.v6i2.495.
[5] M. Yebasse, B. Shimelis, H. Warku, J. Ko, and A. Et., “Coffee Disease Visualization and Classification,” Plants, 2021, doi: 10.3390/plants10061257.
[6] T. C. Pham, V. D. Nguyen, C. H. Le, M. Packianather, and V.-D. Hoang, “Artificial intelligence-based solutions for coffee leaf disease classification,” IOP Conf. Ser. Earth Environ. Sci., vol. 1278, no. 1, p. 012004, Oct. 2023, doi: 10.1088/1755-1315/1278/1/012004.
[7] A. Howard et al., “Searching for MobileNetV3,” arXiv.org. Accessed: May 21, 2026. [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/1905.02244v5
[8] M. Tan and Q. V. Le, “EfficientNet: Rethinking Model Scaling for Convolutional Neural Networks,” arXiv.org. Accessed: May 21, 2026. [Online]. Available: https://arxiv.org/abs/1905.11946v5
[9] J. V. Y. Bordin Yamashita and J. P. R. R. Leite, “Coffee disease classification at the edge using deep learning,” Smart Agric. Technol., vol. 4, p. 100183, Aug. 2023, doi: 10.1016/j.atech.2023.100183.
[10] D. Hendrycks and T. Dietterich, “Benchmarking Neural Network Robustness to Common Corruptions and Perturbations,” 2019, arXiv. doi: 10.48550/ARXIV.1903.12261.
[11] R. R. Selvaraju, M. Cogswell, A. Das, R. Vedantam, D. Parikh, and D. Batra, “Grad-CAM: Visual Explanations from Deep Networks via Gradient-based Localization,” 2016, doi: 10.48550/ARXIV.1610.02391.
[12] B. Yoseph, “ETHIOPIAN COFFEE LEAF DISEASE,” Kaggle. Accessed: May 21, 2026. [Online]. Available: https://www.kaggle.com/datasets/biniyamyoseph/ethiopian-coffee-leaf-disease
[13] N. Mansouri, H. Guessmi, and A. Alkhalil, “A deep learning model for detection and classification of coffee-leaf diseases using the transfer-learning technique,” Int. J. Adv. Intell. Inform., vol. 10, no. 3, pp. 379–396, Aug. 2024, doi: 10.26555/ijain.v10i3.1573.
[14] A. Topal, B. Tunga, and E. B. Tirkolaee, “DeepEMPR: coffee leaf disease detection with deep learning and enhanced multivariance product representation,” PeerJ Comput. Sci., vol. 10, p. e2406, 2024, doi: 10.7717/peerj-cs.2406.
[15] R. T. Araaf, A. Minn, and T. Ahamed, “Coffee Leaf Rust Disease Detection and Implementation of an Edge Device for Pruning Infected Leaves via Deep Learning Algorithms,” Sensors, vol. 24, no. 24, p. 8018, Jan. 2024, doi: 10.3390/s24248018.
[16] R. A. Krohling, G. J. M. Esgario, and J. A. Ventura, “BRACOL - A Brazilian Arabica Coffee Leaf images dataset to identification and quantification of coffee diseases and pests,” vol. 1, Nov. 2019, doi: 10.17632/yy2k5y8mxg.1.
Tải xuống
Đã Xuất bản
Cách trích dẫn
Số
Chuyên mục
Giấy phép
Tác phẩm này được cấp phép theo Giấy phép Quốc tế Creative Commons Attribution-ShareAlike 4.0 .
Bài báo được xuất bản ở Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào được cấp phép theo giấy phép Ghi công - Chia sẻ tương tự 4.0 Quốc tế (CC BY-SA). Theo đó, các tác giả khác có thể sao chép, chuyển đổi hay phân phối lại các bài báo này với mục đích hợp pháp trên mọi phương tiện, với điều kiện họ trích dẫn tác giả, Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào và đường link đến bản quyền; nêu rõ các thay đổi đã thực hiện và các nghiên cứu đăng lại được tiến hành theo cùng một bản quyền.
Bản quyền bài báo thuộc về các tác giả, không hạn chế số lượng. Tạp chí Khoa học Tân Trào được cấp giấy phép không độc quyền để xuất bản bài báo với tư cách nhà xuất bản nguồn, kèm theo quyền thương mại để in các bài báo cung cấp cho các thư viện và cá nhân.
Mặc dù các điều khoản của giấy phép CC BY-SA không dành cho các tác giả (với tư cách là người giữ bản quyền của bài báo, họ không bị hạn chế về quyền hạn), khi gửi bài tới Tạp chí Khoa học Đại học Tân Trào, tác giả cần đáp ứng quyền của độc giả, và cần cấp quyền cho bên thứ 3 sử dụng bài báo của họ trong phạm vi của giấy phép.