一種改進(jìn)的SSD算法

祁世風(fēng) 蔣 勇 高 琳 廖小華

（西南科技大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院 四川綿陽 621010）

目標(biāo)檢測在輸入圖像中找出感興趣目標(biāo)，并確定其位置和類別。目前，目標(biāo)檢測廣泛應(yīng)用于自動(dòng)駕駛、智能視頻監(jiān)控、醫(yī)療輔助診斷等領(lǐng)域中，已經(jīng)成為計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)研究熱點(diǎn)［1－3］。

目標(biāo)尺度變化問題是目標(biāo)檢測亟待解決的關(guān)鍵問題之一［4－5］。為檢測不同尺度的目標(biāo)，目前存在兩種基本方法：（1）使用圖像金字塔［6］。首先對原圖像進(jìn)行不同尺度的縮放以構(gòu)成圖像金字塔，然后將這些圖像輸入網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行檢測。這種方法雖然能取得不錯(cuò)的檢測效果，但需要多次縮放圖像，繁瑣耗時(shí)，不利于實(shí)際應(yīng)用。（2）利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建圖像特征金字塔。Hong等［7］首先在圖像上提取不同尺度的特征構(gòu)成特征金字塔，然后將提取到的特征進(jìn)行組合以完成對目標(biāo)的預(yù)測。這種方法雖然能夠充分提取到目標(biāo)的位置信息，但由于搭建特征金字塔的過程中頻繁使用下采樣運(yùn)算，使得細(xì)節(jié)信息丟失比較嚴(yán)重，影響檢測結(jié)果。Liu等［8］在不同層次的特征圖上預(yù)測不同尺度的目標(biāo)，然后綜合不同尺度上的檢測結(jié)果得到最終檢測結(jié)果。Lin等［9］從目標(biāo)的上下文信息角度考慮，加強(qiáng)淺層特征和深層特征之間的信息融合，通過將高級(jí)語義特征與低級(jí)語義特征相結(jié)合，在不同尺度特征上生成了更多的語義特征，從而更好地完成目標(biāo)檢測任務(wù)。He等［10］提出了空間金字塔池化（spatial pyramid pooling），利用膨脹卷積有效地解決了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圖像重復(fù)提取特征的問題。Liu等［11］受Szegedy等［12］的啟發(fā)，提出了多分支卷積層，將SSD算法的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)改進(jìn)為三分支結(jié)構(gòu)，而每個(gè)分支又由普通卷積和相同膨脹率的膨脹卷積串聯(lián)構(gòu)成，以此實(shí)現(xiàn)多尺度目標(biāo)檢測。

在SSD算法中，雖然淺層特征有助于檢測小目標(biāo)，但與深層特征相比，淺層特征存在語義信息少、感受野小等問題，導(dǎo)致小目標(biāo)的檢測效果并不理想，并且在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中經(jīng)過多層池化操作容易出現(xiàn)小目標(biāo)特征消失的現(xiàn)象。此外，SSD算法只是在不同的特征圖上進(jìn)行預(yù)測，沒有充分考慮到上下文信息。針對上述問題，文中提出了一種改進(jìn)的SSD算法，該算法首先使用膨脹卷積對卷積層進(jìn)行二次特征提取，然后引入密集連接以獲得目標(biāo)上下文信息，通過與多種主流算法在UA-DETRAC［13］數(shù)據(jù)集上的對比實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了改進(jìn)算法的有效性。

1 目標(biāo)檢測算法

1.1 算法概述

為了提取有效的目標(biāo)特征以及捕捉充足的目標(biāo)上下文信息，本文對SSD算法主要進(jìn)行了以下3點(diǎn)改進(jìn)：（1）去掉conv7_2之后的所有卷積層，并選取conv4_3，conv7，conv6_2和conv7_2等層作為輸入層；（2）在4層輸入層上分別添加3層不同膨脹率的膨脹卷積，各膨脹卷積層之間采用級(jí)聯(lián)的方式從而進(jìn)一步增大卷積層的感受野；（3）在輸入層與膨脹卷積層之間使用密集連接，使得中間特征的神經(jīng)元可以編碼不同尺度的上下文信息，充分捕捉目標(biāo)的多級(jí)特征。在輸入層和膨脹卷積層中通過密集連接的方式（dense connection dilated convolution，DCD）構(gòu)成了DCD模塊，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。數(shù)據(jù)集輸入網(wǎng)絡(luò)后，首先對數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)處理，然后將處理后的圖像輸送到DCD模塊實(shí)現(xiàn)多尺度特征提取，最后送入檢測器進(jìn)行目標(biāo)定位和目標(biāo)分類。

圖1 本文目標(biāo)檢測算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Framework model of object detection algorithm

1.2 二次特征提取

針對SSD算法中存在淺層特征感受野小、特征提取不夠充分的問題，本文在4層卷積層上分別級(jí)聯(lián)3層不同膨脹率的膨脹卷積實(shí)現(xiàn)二次特征提取，提高目標(biāo)的檢測精度。

膨脹卷積可以在保持圖像分辨率的前提下增大感受野，感受野越大，表明包含了更多的全局信息和豐富的語義信息。當(dāng)膨脹率為d，卷積核大小為k×k時(shí)，膨脹卷積感受野r可以由下式計(jì)算：

使用膨脹卷積可以獲得較大的感受野，而級(jí)聯(lián)多個(gè)膨脹卷積層可以產(chǎn)生更大的感受野。假設(shè)兩個(gè)膨脹卷積的感受野尺寸分別為r1，r2，則通過級(jí)聯(lián)后，其感受野的大小可以由以下公式計(jì)算：

在本文中使用3×3大小的卷積核，膨脹率分別為3，6，12，采用級(jí)聯(lián)方式之后膨脹卷積層感受野擴(kuò)大至43×43。通過級(jí)聯(lián)膨脹卷積，有效利用不同的感受野提取不同尺度的特征。

1.3 上下文信息

在一般情況下，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為了更高效地捕捉深層特征，采取加深網(wǎng)絡(luò)或者加寬網(wǎng)絡(luò)來使得模型能夠很好地學(xué)習(xí)輸入圖像特征。但隨著網(wǎng)絡(luò)的加深和加寬，網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到的特征也會(huì)變得越來越抽象，忽略圖像中的細(xì)節(jié)信息。DenseNet［14］從特征信息的角度考慮，通過密集連接實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)中層與層之間最大程度的信息傳輸，有效利用了特征并取得了較好的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

為了最大化獲取目標(biāo)的上下文信息，采用密集連接向后傳遞信息，具體連接方式如圖1下半部分所示：（1）每一層膨脹卷積層（最后一層除外）的輸出傳送到其后面的所有膨脹卷積層；（2）DCD的輸入層（conv4_3，fc7，conv6_2，conv7_2）也按同樣方式往后傳遞信息；（3）增加連接層（concat），將本層特征與前層特征進(jìn)行融合。

密集連接能夠有效獲取目標(biāo)上下文信息，在減輕計(jì)算量的同時(shí)避免了信息丟失，這種方法對于遮擋、光照不均等情況具有顯著的檢測效果。

1.4 模型優(yōu)化

在搭建網(wǎng)絡(luò)模型時(shí)，在每一層膨脹卷積層以及連接層之前添加了1×1卷積進(jìn)行降維。同時(shí)使用Relu層和Batch_norm層進(jìn)行歸一化，在減少網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練時(shí)長的同時(shí)有助于提高網(wǎng)絡(luò)的檢測精度。

此外，為了減少網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中由于參數(shù)過量導(dǎo)致過擬合問題的發(fā)生，不同輸入層連接的DCD模塊使用相同的結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)權(quán)重共享。通過權(quán)重共享，減少了網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量，同時(shí)使得不同尺度的目標(biāo)經(jīng)歷了具有相同表達(dá)能力的網(wǎng)絡(luò)，充分利用了每一個(gè)特征。

最后，使用多任務(wù)損失函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化學(xué)習(xí)。損失函數(shù)由類別置信度損失Lconf和定位損失Lloc組成，其定義如下：

其中，x是輸入的圖像數(shù)據(jù)，c是置信度預(yù)測值，l是定位預(yù)測值，g是真實(shí)值，N是匹配的預(yù)測框的個(gè)數(shù)，經(jīng)過交叉驗(yàn)證后，權(quán)重系數(shù)α設(shè)置為1。定位損失采用smoothL1函數(shù)對正樣本進(jìn)行誤差計(jì)算，置信度誤差采用softmax loss函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。

2 實(shí)驗(yàn)

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

在UA-DETRAC數(shù)據(jù)集（簡稱UA數(shù)據(jù)集）上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。UA-DETRAC數(shù)據(jù)集是在中國北京和天津兩座城市共24個(gè)不同的位置錄制而成，一共包含了82 085張不同角度、不同天氣及不同遮擋情況的圖像，數(shù)據(jù)集包含四類目標(biāo)，分別是汽車（car）、公交車（bus）、貨車（van）和其他車型（others）。在實(shí)驗(yàn)中，從該數(shù)據(jù)集中選取65 668張作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，16 417張作為測試數(shù)據(jù)，并參照Pascal VOC 2007的數(shù)據(jù)格式制作成了對應(yīng)的數(shù)據(jù)集。

2.2 軟硬件以及參數(shù)設(shè)置

軟硬件平臺(tái)為：操作系統(tǒng)Ubuntu 16.04，Intel Xeon E5-1630V3＠3.7 GHz四核處理器，16 GB內(nèi)存，Nvidia GTX 1080Ti 11 GB顯卡，在Caffe框架下使用Python編程語言實(shí)現(xiàn)。

通過大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)膨脹率大于12時(shí)，特征會(huì)大幅度弱化并造成檢測精度急劇下降的現(xiàn)象，因此本文使用膨脹率分別為3，6，12的3×3卷積核。

訓(xùn)練過程中，采用隨機(jī)梯度下降法迭代更新權(quán)重參數(shù)，同時(shí)使用L2正則化減少過擬合，初始學(xué)習(xí)率為0.001，權(quán)重衰減系數(shù)為0.000 5，迭代次數(shù)設(shè)置為120 000次。

2.3 評價(jià)指標(biāo)

在實(shí)驗(yàn)中，以平均精度（average precision，AP）以及平均精度均值（mean average precision，mAP）作為評價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

其中，PrecisionC是指類別為C的目標(biāo)檢測精度，TP表示正確檢測出來的目標(biāo)總數(shù)，F(xiàn)P表示被錯(cuò)誤檢測出來的目標(biāo)總數(shù)，NC是指包含C類目標(biāo)的圖像總數(shù)，APC是用來分析C類目標(biāo)檢測效果的C類目標(biāo)的平均檢測精度，S表示類別數(shù)量，mAP為所有類別目標(biāo)的平均精度之和的平均值，其值越高表示模型的檢測效果越好。

2.4 驗(yàn)證DCD模塊的有效性

為了驗(yàn)證DCD模塊的有效性，本文分別做了含有DCD模塊（＋DCD）和沒有DCD（－DCD）模塊的實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 DCD模塊有效性驗(yàn)證Table 1 DCD module validation

從表1的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，添加DCD模塊之后的算法，各類目標(biāo)AP值以及mAP值均高于不含DCD模塊的算法，表明DCD模塊中的級(jí)聯(lián)膨脹卷積可以利用逐漸遞增的感受野提取目標(biāo)多尺度特征，提高了特征的表達(dá)能力，使得網(wǎng)絡(luò)提取的特征更為全面。

2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本文算法的有效性和保證實(shí)驗(yàn)的公平性，將UA數(shù)據(jù)集調(diào)整成320×320和512×512大小的圖像進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并分別與當(dāng)前目標(biāo)檢測領(lǐng)域內(nèi)的主流算法進(jìn)行了對比。對比算法包括Faster RCNN［15］，RefineDet［16］，SSD及YOLOv3［17］，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2、表3所示。

表2 不同算法在320×320圖像上的檢測精度Table 2 Detection accuracy of different algorithms on 320×320 images

從表2、表3的對比數(shù)據(jù)可得，本文算法的mAP值均高于其他算法。在320×320大小的數(shù)據(jù)集上mAP值達(dá)到了88.6%，超越了其他四類算法。提高圖像分辨率能夠明顯提升檢測精度，高分辨率圖像中的目標(biāo)在一定程度上被放大，所以更容易被網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到。對比表1和表2的數(shù)據(jù)可以看出，F(xiàn)aster R-CNN算法的mAP值出現(xiàn)了變化，從28.7%提高到72.5%；RefineDet算法和SSD算法的mAP值也提高了7%～12%。反觀本文算法檢測精度保持平穩(wěn)，表明本文算法在多尺度檢測問題上具有更強(qiáng)的魯棒性且對于輸入圖像尺度的變化不敏感。圖2展示了各類算法在320×320模型上的測試結(jié)果。

表3 不同算法在512×512圖像上的檢測精度Table 3 Detection accuracy of different algorithms on 512×512 images

圖2 中，SSD算法和YOLOv3算法在檢測過程中沒有準(zhǔn)確地檢測到目標(biāo)，RefineDet算法存在重復(fù)檢測和誤檢的現(xiàn)象。本文算法利用級(jí)聯(lián)膨脹卷積層的方式獲取了目標(biāo)的多尺度特征，從而能更準(zhǔn)確地檢測到目標(biāo)。

圖2 多尺度測試結(jié)果對比圖Fig.2 Comparison of the detection results of the multi-scale object

此外，本文還做了在遮擋、光照等情況下的對比實(shí)驗(yàn)。由于道路周邊的綠色植被和建筑物容易對目標(biāo)造成遮擋現(xiàn)象，這種現(xiàn)象會(huì)使目標(biāo)信息部分丟失，從而影響檢測的準(zhǔn)確性。

圖3 所示為在遮擋情況下的檢測結(jié)果，F(xiàn)aster R-CNN算法、RefineDet算法和YOLOv3算法均出現(xiàn)了誤檢現(xiàn)象，本文算法使用密集連接的方法為目標(biāo)增加了上下文信息，在遮擋情況下依然能檢測到目標(biāo)。圖3展示的是各類算法在512×512模型上的測試結(jié)果。

圖3 遮擋情況下的測試結(jié)果對比圖Fig.3 Comparison of test results under occlusion

在復(fù)雜環(huán)境下，光照不均勻使場景圖像出現(xiàn)光照過強(qiáng)和光照過暗的現(xiàn)象而無法辨認(rèn)圖像細(xì)節(jié)信息，導(dǎo)致目標(biāo)檢測難度劇增。圖4中，F(xiàn)aster R-CNN算法出現(xiàn)了漏檢和誤檢的現(xiàn)象，公交站牌被檢測為others；SSD算法同樣出現(xiàn)了漏檢問題。本文算法通過密集連接膨脹卷積為目標(biāo)添加了上下文信息，在光照不均勻的影響下仍然可以檢測到目標(biāo)。

圖4 光照不均勻條件下的測試結(jié)果對比圖Fig.4 Comparison of test results under uneven illumination conditions

3 結(jié)論

本文利用膨脹卷積和密集連接對SSD目標(biāo)檢測算法進(jìn)行改進(jìn)，實(shí)現(xiàn)了一種用于目標(biāo)檢測的深度學(xué)習(xí)算法。在UA數(shù)據(jù)集上與當(dāng)前主流算法的對比測試表明，本文的改進(jìn)算法能更好地適應(yīng)目標(biāo)的尺度變化，對遮擋及光照不均勻等復(fù)雜情況也具有一定的適應(yīng)性。但是，文中搭建的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對于輕量級(jí)要求還有一定的差距，如何在保證檢測精度的前提下優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)模型、減少網(wǎng)絡(luò)參數(shù)是今后研究的方向。