面向視覺檢測的深度學(xué)習(xí)圖像分類網(wǎng)絡(luò)及在零部件質(zhì)量檢測中應(yīng)用

劉桂雄 何彬媛 吳俊芳 林鎮(zhèn)秋

摘要：基于深度學(xué)習(xí)圖像分類是視覺檢測應(yīng)用的基本任務(wù)。該文系統(tǒng)總結(jié)基于模型深度化圖像分類網(wǎng)絡(luò)、基于模型輕量化圖像分類網(wǎng)絡(luò)及其他優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)主要思想、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)技術(shù)、技術(shù)指標(biāo)、應(yīng)用場景，指出網(wǎng)絡(luò)模型深度化、輕量化分別有助于提高圖像分類準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性。最后，面向零部件質(zhì)量檢測需求，應(yīng)根據(jù)其類型多少、結(jié)構(gòu)復(fù)雜程度、特征異同等特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)時(shí)性要求，選擇合適的圖像分類網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建零部件質(zhì)量智能檢測系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：圖像分類;深度學(xué)習(xí);視覺檢測;零部件質(zhì)量檢測

中圖分類號：TP301.6 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2019）07-0001-10

收稿日期：2019-05-04;收到修改稿日期：2019-06-02

基金項(xiàng)目：廣州市產(chǎn)學(xué)研重大項(xiàng)目（201802030006）;廣東省現(xiàn)代幾何與力學(xué)計(jì)量技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放課題（SCMKF201801）

作者簡介：劉桂雄（1968-），男，廣東揭陽市人，教授，博導(dǎo)，主要從事先進(jìn)傳感與儀器研究。

0 引言

圖像分類是根據(jù)圖像所反映的不同特征信息，確定特定視覺目標(biāo)類的概率來標(biāo)記輸入圖像。它是目標(biāo)檢測、語義分割等的基礎(chǔ)模型，是機(jī)器視覺檢測應(yīng)用基本任務(wù)，是專家學(xué)者研究熱點(diǎn)之一[1]。圖像分類根據(jù)顏色、紋理、形狀、空間關(guān)系等特征將區(qū)分不同類別圖像，主要流程包括圖像預(yù)處理、圖像特征描述與提取[2]分類器設(shè)計(jì)與訓(xùn)練[3]、分類結(jié)果評價(jià)等。通常在圖像特征描述與提取前，會進(jìn)行圖像濾波[4]、尺寸歸一化[5]等預(yù)處理，圖像濾波目的在于增強(qiáng)圖像中目標(biāo)與背景對比度，尺寸歸一化有助于圖像批量特征提取。不同類別的圖像特征具有多樣性、復(fù)雜性，同一類別的圖像特征則存在平移、旋轉(zhuǎn)、尺度變換、顏色空間變換等情況。因此，有效的圖像特征描述與提取方法應(yīng)具備類內(nèi)圖像特征不變性描述能力、類間圖像特征分辨與提取能力，是圖像分類任務(wù)的難點(diǎn)。分類器根據(jù)所提取圖像特征學(xué)習(xí)的分類函數(shù)或構(gòu)造的分類模型，傳統(tǒng)分類器包括邏輯回歸[6]、K鄰近[7]與決策樹[8]等。經(jīng)典圖像分類方法按照上述流程分步進(jìn)行，最常用方法為基于視覺詞袋（bags of visual words，BoW）方法[9]，將圖像塊仿射不變描述符的矢量量化直方圖[10]完成圖像特征提取，再輸入到樸素貝葉斯分類器（naive bayesclassifier，NBC）[11]或支持向量機(jī)（support vectormachine，SVM）[12]完成分類。經(jīng)典圖像分類算法所采用特征均為圖像底層視覺特征，對具體圖像及特定的分類方式針對性不足，對于類別間差異細(xì)微、圖像干擾嚴(yán)重等問題，其分類精度將大大降低，在復(fù)雜場景中經(jīng)典圖像分類方法難以達(dá)到好效果。

隨著視覺檢測技術(shù)發(fā)展與計(jì)算能力巨大提升，深度網(wǎng)絡(luò)已在圖像分類、視覺檢測任務(wù)上應(yīng)用與發(fā)展。近年來，各種深度學(xué)習(xí)圖像分類方法已經(jīng)被廣泛探討[13-18]。美國印第安納大學(xué)2007年詳細(xì)介紹幾種主要先進(jìn)分類方法和提高分類精度的技術(shù)，討論影響分類性能一些重要問題，認(rèn)為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等非參數(shù)分類器成為多元數(shù)據(jù)分類的重要方法[13]。南京大學(xué)2017年從強(qiáng)監(jiān)督、弱監(jiān)督兩個(gè)角度對比不同深度學(xué)習(xí)算法，討論深度學(xué)習(xí)作為圖像分類未來研究方向所面對挑戰(zhàn)[14]。美國賓夕法尼亞州立大學(xué)2018年研究視覺分析與深度學(xué)習(xí)的圖像分類方法，總結(jié)圖像分類網(wǎng)絡(luò)經(jīng)典架構(gòu)并展望基于深度學(xué)習(xí)的圖像分類方法應(yīng)用前景[17]。目前基于深度學(xué)習(xí)圖像分類框架的圖像識別算法已廣泛應(yīng)用于醫(yī)療CT圖像診斷[19]、汽車輔助駕駛[20-21]、制造產(chǎn)品質(zhì)量檢測[22-24]等。在復(fù)雜多變的工業(yè)圖像檢測環(huán)境下，不同圖像分類場景具有不同檢測需求，如制造零部件質(zhì)量檢測有類內(nèi)差小[25]、圖像對比度低[26]等特點(diǎn)。經(jīng)典圖像分類方法難以滿足復(fù)雜的工業(yè)檢測應(yīng)用要求，深度學(xué)習(xí)圖像分類方法具備特征不變形描述能力、高維特征提取能力，能較好地解決上述問題。

本文系統(tǒng)總結(jié)面向視覺檢測的深度學(xué)習(xí)圖像分類網(wǎng)絡(luò)，對比各種基于深度學(xué)習(xí)的圖像分類網(wǎng)絡(luò)在ILSVRC競賽ImageNet2012[27]數(shù)據(jù)集中的分類性能，指出不同分類方法適用的視覺檢測任務(wù)場景，并結(jié)合基于深度學(xué)習(xí)零部件質(zhì)量檢測技術(shù)加以分析與應(yīng)用。

1 基于視覺檢測的深度學(xué)習(xí)圖像分類網(wǎng)絡(luò)

基于視覺檢測的深度學(xué)習(xí)圖像分類網(wǎng)絡(luò)按模型結(jié)構(gòu)可分為模型深度化圖像分類網(wǎng)絡(luò)[28]、模型輕量化圖像分類網(wǎng)絡(luò)[29]，兩者區(qū)別主要在于使用更深層卷積層以提取深層圖像特征還是通過減小網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量、存儲空間滿足工業(yè)應(yīng)用要求[30]。

1.1 圖像分類網(wǎng)絡(luò)性能評價(jià)指標(biāo)

基于深度學(xué)習(xí)圖像分類方法是通過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（convolutional neural networks，CNN）基本模型實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確分類，由輸入層、卷積層、池化層、全連接層、輸出層構(gòu)成[31]。通過多層卷積運(yùn)算對圖像逐層提取特征，獲取更高階的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)再通過分類器實(shí)現(xiàn)圖像多分類。主要通過圖像分類準(zhǔn)確率與模型復(fù)雜度評價(jià)深度學(xué)習(xí)圖像分類方法。

在圖像分類任務(wù)中，通常采用Top-1錯(cuò)誤率、Top-5錯(cuò)誤率對分類準(zhǔn)確率進(jìn)行評價(jià)[31]。Top-1錯(cuò)誤率是用預(yù)測概率最大那一類作為分類結(jié)果，預(yù)測結(jié)果中概率最大的那個(gè)類錯(cuò)誤，則認(rèn)為分類錯(cuò)誤，即Top-1錯(cuò)誤率代表預(yù)測概率最大的那一類不是正確類別的比率;同理，Top-5錯(cuò)誤率是用預(yù)測概率最大的前5名作為分類結(jié)果，前5名中不出現(xiàn)正確類即為分類錯(cuò)誤，即Top-5錯(cuò)誤率代表預(yù)測概率最大的5個(gè)類別中不包含正確類別的比率。

模型復(fù)雜度主要由時(shí)間復(fù)雜度、空間復(fù)雜度組成。時(shí)間復(fù)雜度決定模型的訓(xùn)練、預(yù)測時(shí)間，如果復(fù)雜度過高，則會導(dǎo)致模型訓(xùn)練和預(yù)測耗費(fèi)大量時(shí)間，既無法快速地驗(yàn)證模型構(gòu)建方案、改善模型，也難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)預(yù)測?？臻g復(fù)雜度主要由CNN結(jié)構(gòu)決定，CNN規(guī)模越大，模型參數(shù)越多，訓(xùn)練模型所需的數(shù)據(jù)量就越大，在提高圖像特征提取能力的同時(shí)，也會占用更多運(yùn)算空間且易導(dǎo)致數(shù)據(jù)過擬合問題[32]。隨著硬件水平以及計(jì)算能力的快速發(fā)展，已經(jīng)開始研究模型復(fù)雜度對訓(xùn)練和預(yù)測的影響問題，如應(yīng)用到一些對實(shí)時(shí)性要求高的項(xiàng)目中，需要研究更輕量化的網(wǎng)絡(luò)。時(shí)間復(fù)雜度可以通過浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)（floating-point operations，F(xiàn)LOPS）計(jì)算，即：

空間復(fù)雜度由網(wǎng)絡(luò)各層卷積核參數(shù)、輸出特征圖參數(shù)共同決定，即：式中：M——每個(gè)卷積核輸出特征圖尺寸;

K——每個(gè)卷積核尺寸;

C_l——第l個(gè)卷積層卷積核個(gè)數(shù);

C_l-1——第l-1個(gè)卷積層卷積核個(gè)數(shù);

D——網(wǎng)絡(luò)層數(shù)。

1.2 基于模型深度化的圖像分類網(wǎng)絡(luò)

基于網(wǎng)絡(luò)深度化的圖像分類模型是通過增加網(wǎng)絡(luò)深度提高圖像特征提取與表征能力，融合顏色、形狀等低層特征和語義特征等高層特征，在高特征維度中將不同類別圖像分離開來，提升圖像分類效果。

1）AlexNet

Alex Krizhevsky等[33]2012年設(shè)計(jì)出深層卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)AlexNet，AlexNet是具有歷史意義的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在其被提出之后，更多更深的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)被提出，并成為圖像分類方法的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)模型。圖1為AlexNet模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，整體結(jié)構(gòu)分為上下兩個(gè)部分的網(wǎng)絡(luò)，分別對應(yīng)兩個(gè)GPU（特定的網(wǎng)絡(luò)層需要兩塊GPU進(jìn)行交互以提高運(yùn)算效率）。以一個(gè)GPU為例，網(wǎng)絡(luò)總共的層數(shù)為8層，包括5層卷積和3層全連接層，將224×224×3圖像輸入到第一層卷積層，每一層卷積層的輸出作為下一層卷積層的輸入，經(jīng)過5層卷積層后輸入到全連接層，每一層全連接層神經(jīng)元個(gè)數(shù)為4096，最終由softmax分類器輸出圖像在1000類別預(yù)測中的分類概率。

AlexNet通過多層網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)深層次圖像特征提取以完成分類任務(wù)，較傳統(tǒng)方法分類準(zhǔn)確率有很大提高，且通用性強(qiáng)。AlexNet每層使用線性整流函數(shù)（rectified linear unit，ReLU）作為激活函數(shù)，因其梯度下降速度更快，使得訓(xùn)練模型所需的迭代次數(shù)大大降低，同時(shí)使用隨機(jī)失活（dropout）操作，在一定程度上避免因訓(xùn)練產(chǎn)生的過擬合現(xiàn)象，計(jì)算量大大降低。在ILSVRC2012競賽中AlexNet奪得冠軍，其準(zhǔn)確率遠(yuǎn)超第二名（Top-5錯(cuò)誤率為15.4%，第二名為26.2%），但受限于當(dāng)時(shí)計(jì)算性能，AlexNet在網(wǎng)絡(luò)深度、特征提取效果上未能達(dá)到最理想水平。

2）ZFNet

紐約大學(xué)Matthew Zeiler等[34]2013年在AlexNet基礎(chǔ)上進(jìn)行微小改進(jìn)從而設(shè)計(jì)出ZFNet網(wǎng)絡(luò)，提出圖像反卷積方法實(shí)現(xiàn)卷積特征可視化，證明淺層網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到的是圖像邊緣、顏色和紋理特征，而深層網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到的是圖像抽象特征，指出網(wǎng)絡(luò)有效原因與性能提升方法。圖2為ZFNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，ZFNet基本保留AlexNet骨干結(jié)構(gòu)，由于AlexNet第一層卷積核尺寸、步長過大，提取的特征混雜大量高頻與低頻信息而缺少中頻信息，故ZFNet將第1層卷積核的大小由11×11調(diào)整為7×7，步長（stride）從4改為2。

ZFNet設(shè)計(jì)反卷積網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)卷積特征可視化，發(fā)現(xiàn)第一層的卷積核對特征提取影響大，提出第一層卷積核進(jìn)行規(guī)范化方法，如果RMS（root meansquare）超過0.1，就把卷積核的均方根固定為0.1。同時(shí)，ZFNet論證更深網(wǎng)絡(luò)模型在圖像平移、旋轉(zhuǎn)等條件下分類魯棒性更好，層次越高的特征圖，其特征不變性越強(qiáng)。ZFNet是ILSVRC2013分類任務(wù)冠軍，Top-5錯(cuò)誤率為14.7%。ZFNet以實(shí)踐方法展示網(wǎng)絡(luò)不同層級的特征提取結(jié)果與性能，但沒有從理論角度解釋網(wǎng)絡(luò)原理與設(shè)計(jì)規(guī)則。

3）VGGNet

針對AlexNet的大卷積核問題，牛津大學(xué)計(jì)算機(jī)視覺組和Google DeepMind項(xiàng)目研究員共同探索卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度與其性能之間的關(guān)系[35]，提出用若干較小尺寸卷積核代替大尺寸卷積核，能夠有效提高特征提取能力，從而提升圖像分類準(zhǔn)確性。Karen Simonyan等[36]2014年提出VGG網(wǎng)絡(luò)模型，其將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度推廣至16～19層，以VGG16為例，圖3為VGG16網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，圖像輸入后經(jīng)過第一段卷積網(wǎng)絡(luò)，包括兩個(gè)卷積層與一個(gè)最大池化層后輸出，再進(jìn)入與第一段結(jié)構(gòu)相同的第二段卷積網(wǎng)絡(luò)，之后通過反復(fù)堆疊的3×3小型卷積核和2x2最大池化層，最后通過全連接層輸出到softmax分類器。

VGGNet在AlexNet基礎(chǔ)上采用多個(gè)小卷積核代替大卷積核，增強(qiáng)圖像特征非線性表達(dá)能力、減少模型參數(shù)。如一個(gè)7×7卷積核可看作是3層3x3卷積核的疊加，但一個(gè)7×7卷積核有49個(gè)模型參數(shù)，只能提供一層特征圖像、一種感受野，而3層3x3卷積核只有27個(gè)模型參數(shù)，提供3層不同尺度下的特征圖像。VGGNet是ILSVRC2014競賽的亞軍，在Top-5中取得6.8%的錯(cuò)誤率，VGGNet表明增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)有利于提高圖像分類的準(zhǔn)確度，但過多層數(shù)會產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)退化問題[37]，影響檢測結(jié)果，最終VGGNet的層數(shù)確定在16層和19層兩個(gè)版本。同時(shí)由于網(wǎng)絡(luò)層數(shù)過多而造成參數(shù)過多，會使得模型在不夠復(fù)雜的數(shù)據(jù)上傾向于過擬合。

4）GoogLeNet

AlexNet與VGGNet均從增加網(wǎng)絡(luò)深度來提取不同尺度下圖像特征進(jìn)而提高圖像分類性能，而Szegedy C等[38]2015年提出的GoogLeNet模型除考慮深度問題，還采用模塊化結(jié)構(gòu)（Inception結(jié)構(gòu)）方便模型的增添與修改。GoogLeNet將全連接甚至是卷積中的局部連接，全部替換為稀疏連接以達(dá)到減少參數(shù)的目的。圖4為Inception v1結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖，該模塊共有4個(gè)分支，第一個(gè)分支對輸入進(jìn)行1×1卷積，它可以降低維度、減少計(jì)算瓶頸、跨通道組織信息，從而提高網(wǎng)絡(luò)的表達(dá)能力;第二個(gè)分支先使用1×1卷積，然后連接3×3卷積，相當(dāng)于進(jìn)行了兩次特征變換;第三個(gè)分支先是1×1的卷積，然后連接5×5卷積;最后一個(gè)分支則是3×3最大池化后直接使用1×1卷積。

GoogLeNet最大特點(diǎn)是引入Inception結(jié)構(gòu)，優(yōu)勢是控制計(jì)算量和參數(shù)量的同時(shí)，也具有非常好的分類性能。Inception結(jié)構(gòu)中間層接另兩條分支來利用中間層的特征增加梯度回傳，使得其參數(shù)量僅為Alexnet的1/12，模型計(jì)算量大大減小;其次網(wǎng)絡(luò)最后采用平均池化（average pooling）來代替全連接層將準(zhǔn)確率提高0.6%，圖像分類精度上升到一個(gè)新的臺階。Inception模塊提取3種不同尺度特征，既有較為宏觀的特征又有較為微觀的特征，增加特征多樣性，Top-5錯(cuò)誤率為6.67%。 GoogLeNet網(wǎng)絡(luò)雖然在減少參數(shù)量上做出一定貢獻(xiàn)，但大參數(shù)量仍限制其在工業(yè)上應(yīng)用。

5）ResNet

為了解決網(wǎng)絡(luò)層數(shù)過多而造成梯度彌散或梯度爆炸問題，Kaiming He等[39，2016年提出ResNet（residual neural network）網(wǎng)絡(luò)，通過殘差塊模型解決“退化”問題，該模型是ILSVRC 2015冠軍網(wǎng)絡(luò)。ResNet提出的殘差塊（residual block）結(jié)構(gòu)主要思想是在網(wǎng)絡(luò)中增加直連通道，即高速路神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（highwaynetwork）思想。圖5為ResNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，圖像輸人后，維度匹配的跳躍連接（short connection）為實(shí)線，反之為虛線，維度不匹配時(shí)，可選擇兩種同等映射方式：直接通過補(bǔ)零來增加維度、乘以W矩陣投影到新的空間，使得理論上網(wǎng)絡(luò)一直處于最優(yōu)狀態(tài)，性能不會隨著深度增加而降低。

當(dāng)模型變復(fù)雜時(shí)，會出現(xiàn)準(zhǔn)確率達(dá)到飽和后迅速下降產(chǎn)生更高訓(xùn)練誤差、隨機(jī)梯度下降（stochasticgradient descent，SGD）優(yōu)化變得更加困難等現(xiàn)象。Residual結(jié)構(gòu)用于解決上述問題，使得網(wǎng)絡(luò)模型深度在很大范圍內(nèi)不受限制（目前可達(dá)到1000層以上），ResNetTop-5錯(cuò)誤率為4.49%，同時(shí)參數(shù)量比VGGNet低，效果非常突出。ResNet是目前深度化模型代表，但是深度化使得網(wǎng)絡(luò)龐大，所占存儲空間更多。

綜合以上分析，基于模型深度化圖像分類網(wǎng)絡(luò)采用增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)提高圖像特征提取效果，引入殘差塊模型解決層數(shù)過多帶來的“退化”問題，提取并融合深層網(wǎng)絡(luò)圖像抽象特征與淺層網(wǎng)絡(luò)圖像邊緣、顏色和紋理特征，有效提高圖像分類高準(zhǔn)確率，但網(wǎng)絡(luò)深度化模型復(fù)雜、占用空間大，適合用于圖像特征復(fù)雜、圖像分類實(shí)時(shí)性要求不高的場合。

1.3 基于模型輕量化的圖像分類網(wǎng)絡(luò)

與圖像分類網(wǎng)絡(luò)深度化方法不同，基于模型輕量化的圖像分類網(wǎng)絡(luò)主要是解決模型存儲問題和模型預(yù)測速度問題，使得圖像分類網(wǎng)絡(luò)兼顧分類準(zhǔn)確率的同時(shí)提高效率，實(shí)現(xiàn)分類網(wǎng)絡(luò)移動端應(yīng)用。圖像分類輕量化方法有對參數(shù)和激活函數(shù)進(jìn)行量化以減少占用空間、設(shè)計(jì)更高效的特征提取方式和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等。

1）ShuffleNet

ShuffleNet網(wǎng)絡(luò)是由Face++團(tuán)隊(duì)Zhang X等2017年提出的輕量化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其主要思路是使用點(diǎn)態(tài)組卷積層（group convolution，Gconv）與通道混合（channel shuffle）來減少模型使用的參數(shù)量[40]。圖6為ShuffleNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖，在ResNet基礎(chǔ)上將1×1卷積核換成1×1Gconv，其次在第一個(gè)1×1Gconv之后增加1個(gè)通道混合以實(shí)現(xiàn)分組卷積信息交換，最后在旁路增加平均池化層，以減小特征圖分辨率帶來的信息損失。

ShuffleNet采用ResNet的思想，在提取圖像深層次特征同時(shí)通過減少模型參數(shù)量實(shí)現(xiàn)卷積層信息交換。在ImageNet 2012數(shù)據(jù)集上時(shí)間復(fù)雜度為38 MFLOPs，但通道混合在工程實(shí)現(xiàn)時(shí)會占用大量內(nèi)存及出現(xiàn)指針跳轉(zhuǎn)而導(dǎo)致耗時(shí)。

2）DenseNet

Gao H等[41]2017年通過脫離加深網(wǎng)絡(luò)層數(shù)（ResNet）和加寬網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)（Inception）來提升網(wǎng)絡(luò)性能的定式思維，從圖像特征角度提出DenseNet網(wǎng)絡(luò)。DenseNet網(wǎng)絡(luò)通過特征重用和旁路設(shè)置，減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量及在一定程度上緩解梯度消失問題產(chǎn)生。圖7為DenseNet網(wǎng)絡(luò)構(gòu)圖，第i層輸入不僅與i-1層輸出相關(guān)，還有之前所有層輸出有關(guān)，對于一個(gè)L層網(wǎng)絡(luò)，DenseNet共包含L×（L+1）12個(gè)連接，相比ResNet，這是一種密集連接，而且DenseNet是直接連接來自不同層特征圖，能夠?qū)崿F(xiàn)特征重用與融合。

DenseNet作為另一種有較深層數(shù)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，具有如下特點(diǎn)：相比ResNet參數(shù)數(shù)量更少;通過旁路加強(qiáng)特征重用與新特征提取;網(wǎng)絡(luò)更易于訓(xùn)練，并有一定正則效果;緩解梯度消失與模型退化問題。250層DenseNet參數(shù)大小僅為15.3MB，在ImageNet 2012數(shù)據(jù)集中Top-5錯(cuò)誤率為529%。

3）MobileNet v2

Sandler M等[42]2018年研究更高效的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)MobileNet v2，以深度可分離的卷積作為高效的構(gòu)建塊，提出倒置殘差結(jié)構(gòu)（inverted residual structure，IRS），提高梯度在乘數(shù)層上傳播能力、內(nèi)存效率。圖8為MobileNet v2倒置殘差結(jié)構(gòu)圖，方塊的高度代表通道數(shù)，中間的深度卷積較寬，先使1×1卷積層升維，再使用3X3卷積層ReLU對特征濾波，最后用1×1卷積層+ReLU對特征再降維，呈現(xiàn)倒立狀態(tài)，理論上保持所有必要信息不丟失，獲得更優(yōu)精確度。

MobileNet v2網(wǎng)絡(luò)在參數(shù)為MobileNet v170%的情況下減少兩倍運(yùn)算數(shù)量，在Google Pixel手機(jī)上測試結(jié)果比MobileNet v1快30%～40%。該網(wǎng)絡(luò)能保持類似精度條件下顯著減少模型參數(shù)和計(jì)算量，使得實(shí)時(shí)性與精度得到較好平衡。

基于模型輕量化的圖像分類網(wǎng)絡(luò)突破深層化網(wǎng)絡(luò)模型復(fù)雜度高、網(wǎng)絡(luò)退化的問題，通過設(shè)計(jì)更高效的卷積方式以減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、自動化神經(jīng)架構(gòu)搜索網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算效率而不損失網(wǎng)絡(luò)性能，使得圖像分類網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)工業(yè)檢測或移動端的實(shí)時(shí)應(yīng)用。

1.4 其他分類網(wǎng)絡(luò)

除基于模型深度化、輕量化的圖像分類網(wǎng)絡(luò)外，一些圖像分類網(wǎng)絡(luò)通過多模型融合進(jìn)一步降低模型復(fù)雜度、提高模型分類準(zhǔn)確性。

1）Inception v2、v4

Szegedy C 2017年在Inception v1基礎(chǔ)上研究，指出利用中間層特征增加梯度回傳可以提取多層圖像特征，但沒有真正解決大參數(shù)量導(dǎo)致訓(xùn)練速度問題。Szegedy C等[43]，在 Inception v2中提出BN（batch normalization）在用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)某層時(shí)會對每一個(gè)小批量數(shù)據(jù)內(nèi)部進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，使輸出規(guī)范化到N（0，1）正態(tài)分布，減少內(nèi)部神經(jīng)元分布的改變，使得大型卷積網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練速度加快很多倍，同時(shí)收斂后分類準(zhǔn)確率也可以得到大幅提高，一定程度上可以不使用dropout降低收斂速度的方法，卻起到正則化作用，提高模型泛化性。Inception v4將Inception模塊結(jié)合殘差連接（residual connection），極大地加速訓(xùn)練，同時(shí)極大提升性能[44]。

2）DPN

多模型融合通過結(jié)合多個(gè)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢提高圖像分類網(wǎng)絡(luò)性能。Chen Y等[45]2017年提出DPN（dualpath networks）融合ResNet與DenseNet的核心思想，利用分組操作使得DPN模型、計(jì)算量更小，訓(xùn)練速度更快。DPN結(jié)合ResNet特征重用與DenseNet提取新特征優(yōu)勢，通過雙路徑網(wǎng)絡(luò)共享公共特性，同時(shí)保持雙路徑體系結(jié)構(gòu)探索新特性的靈活性，DPN在ImageNet數(shù)據(jù)集上達(dá)到與ResNet-101相當(dāng)?shù)姆诸愋ЧA(chǔ)上，其模型尺寸、計(jì)算成本、內(nèi)存消耗僅為后者的26%、25%、8%。

表1為各種圖像分類網(wǎng)絡(luò)性能對比表?？梢钥闯?，基于模型深度化、寬度化的圖像分類網(wǎng)絡(luò)分別在分類準(zhǔn)確率、模型復(fù)雜度性能上表現(xiàn)優(yōu)異，在工業(yè)應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)應(yīng)用場景、任務(wù)要求選擇圖像分類網(wǎng)絡(luò)。

2 圖像分類網(wǎng)絡(luò)在零部件質(zhì)量檢測中應(yīng)用

零部件質(zhì)量圖像檢測過程中，首先對獲取的零部件裝配圖像進(jìn)行特征提取，其次根據(jù)零部件類型、缺陷等進(jìn)行分類識別，最后根據(jù)零部件圖像分類結(jié)果完成質(zhì)量評價(jià)。結(jié)合零部件質(zhì)量檢測應(yīng)用需求，發(fā)揮圖像分類網(wǎng)絡(luò)在特征提取、識別分類中的優(yōu)勢，能夠有效完成零部件圖像特征提取、零部件質(zhì)量檢測任務(wù)[46-47]。

2.1 零部件圖像特征提取

圖像特征提取是分類的基礎(chǔ)。在零部件質(zhì)量檢測過程中，由于零部件種類各異，不同零部件圖像有不同特點(diǎn)，需根據(jù)具體檢測對象選擇合適的特征提取網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而完成質(zhì)量檢測任務(wù)。傳統(tǒng)零部件圖像特征提取采用提取圖像角點(diǎn)特征實(shí)現(xiàn)圖像分類。郭雪梅等[48]2017年提出面向標(biāo)準(zhǔn)件裝配質(zhì)量的PI-SURF檢測區(qū)域劃分技術(shù)，利用SURF（speeded-uprobust features）提取特征描述感興趣點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)箱裝配標(biāo)準(zhǔn)件分類;黃堅(jiān)等[49]2017年分析Harris、Shi-Tomasi、Fast方法角點(diǎn)特征提取機(jī)理與判定條件，提出多角點(diǎn)結(jié)合的機(jī)箱標(biāo)準(zhǔn)件圖像特征提取方法。圖9為零件圖像特征提取示例，傳統(tǒng)圖像特征提取方法能夠很好地學(xué)習(xí)零部件顏色、紋理等特征，在類型差異大、顏色對比鮮明的零部件特征提取效果較好，但對對比度低、類內(nèi)差小零部件則需要提取其深層抽象特征。

深度學(xué)習(xí)圖像分類網(wǎng)絡(luò)能從淺層網(wǎng)絡(luò)提取圖像邊緣、顏色和紋理特征，從深層網(wǎng)絡(luò)提取圖像抽象特征。李宜汀等[50]2019年提出基于Faster R-CNN（faster regions with convolutional neural network）的缺陷檢測方法，提取零件圖像稀疏濾波與VGG-16雙重深度特征，實(shí)現(xiàn)零件缺陷分類?；谀Ｐ蜕疃然膱D像分類網(wǎng)絡(luò)能夠滿足多層圖像特征提取要求，分類準(zhǔn)確性高。

2.2 零部件質(zhì)量檢測

根據(jù)圖像分類網(wǎng)絡(luò)提取的圖像特征，網(wǎng)絡(luò)完成零部件分類識別，結(jié)合零部件質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)完成零部件質(zhì)量檢測。Deng等[51]2018年提出PCB自動缺陷檢測系統(tǒng)，通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成缺陷分類，降低PCB缺陷檢測的誤檢率與漏檢率。筆者團(tuán)隊(duì)前期研究機(jī)箱裝配質(zhì)量智能檢測方法[52]，目前正在研究基于深度學(xué)習(xí)圖像分類網(wǎng)絡(luò)在機(jī)箱裝配質(zhì)量檢測應(yīng)用，圖10為機(jī)箱裝配零部件質(zhì)量檢測流程圖，待測機(jī)箱裝配圖像輸入后通過CNN網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行零部件特征提取，根據(jù)各層提取信息完成零部件分類，最后結(jié)合制定的裝配標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)機(jī)箱裝配質(zhì)量檢測。

零部件質(zhì)量檢測首先提取圖像淺層及深層特征;其次利用分類器對零部件分類，分類有時(shí)需滿足檢測具體要求，如有無缺陷、遮擋等;最后根據(jù)質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對分類結(jié)果做出評判。零部件質(zhì)量檢測屬于對象復(fù)雜、特征多的圖像識別檢測任務(wù)，且需要滿足一定實(shí)時(shí)性要求，應(yīng)選擇網(wǎng)絡(luò)層數(shù)較深且模型復(fù)雜度較小的網(wǎng)絡(luò)以滿足其準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性。

3 結(jié)束語

圖像分類是機(jī)器視覺檢測應(yīng)用的基本任務(wù)，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)模型特點(diǎn)可分為深度化圖像分類網(wǎng)絡(luò)、輕量化圖像類網(wǎng)絡(luò)和其他改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)?；谏疃葘W(xué)習(xí)圖像分類網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于零部件質(zhì)量檢測領(lǐng)域，總結(jié)如下：

1）基于模型深度化圖像分類網(wǎng)絡(luò)采用增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)，提取深層網(wǎng)絡(luò)圖像抽象特征與淺層網(wǎng)絡(luò)圖像邊緣、顏色和紋理特征，實(shí)現(xiàn)圖像分類高準(zhǔn)確率。深度化圖像分類網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)是分類準(zhǔn)確性高，適合用于圖像特征復(fù)雜的檢測任務(wù)。

2）基于模型輕量化圖像分類網(wǎng)絡(luò)突破深層化網(wǎng)絡(luò)瓶頸問題——網(wǎng)絡(luò)退化、模型復(fù)雜度高，通過設(shè)計(jì)更高效的卷積方式以減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、自動化神經(jīng)架構(gòu)搜索網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化計(jì)算效率而不損失網(wǎng)絡(luò)性能，適用于實(shí)時(shí)工業(yè)檢測或移動端。

3）一些圖像分類網(wǎng)絡(luò)通過多模型融合方法，發(fā)揮不同網(wǎng)絡(luò)在不同層級圖像特征提取優(yōu)勢，結(jié)合參數(shù)量小、計(jì)算速度快優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)一步降低模型復(fù)雜度，提高模型分類準(zhǔn)確性。

4）零部件質(zhì)量檢測任務(wù)包括零部件圖像特征提取、零部件分類識別、結(jié)合質(zhì)量評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的零部件質(zhì)量評價(jià)。應(yīng)用過程中應(yīng)根據(jù)零部件類型復(fù)雜、特征多等特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)時(shí)性要求，構(gòu)建零部件質(zhì)量智能檢測系統(tǒng)。

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（編輯：李剛）