基于改進SSD 框架的遙感影像飛機目標(biāo)檢測方法*

王 冰，周 焰，張懷念，趙 凱

（空軍預(yù)警學(xué)院預(yù)警情報系，武漢 430019）

0 引言

遙感影像飛機目標(biāo)檢測能夠通過獲取地面飛機動態(tài)信息，為后續(xù)的空中目標(biāo)識別提供情報，在軍事與民用領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。近年來，深度學(xué)習(xí)依靠強大的自動提取特征能力，成為處理飛機目標(biāo)檢測問題的重要途徑。文獻［1-3］基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成圖像特征的自動提取與目標(biāo)檢測，能夠較為準(zhǔn)確地檢測到飛機目標(biāo)。

目前基于深度學(xué)習(xí)的飛機目標(biāo)檢測方法主要有兩類。第1 類方法的代表為Faster R-CNN［4］、SPP-Net［5］等，這類方法的檢測精度較高，但必須將候選框輸入CNN 中再檢測，導(dǎo)致檢測速度較慢。第2 類方法的代表為YOLO［6］（You Only Look Once）、單一目標(biāo)多尺度檢測框架［7］（Single Shot MultiBox Detector，SSD）等，它的思想是利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征后，將特征圖均勻分割成網(wǎng)格，在網(wǎng)格上使用候選框檢測目標(biāo)。由于減少了輸入候選框到CNN 中再檢測的環(huán)節(jié)，SSD 方法的檢測速度相對較高，是飛機目標(biāo)檢測的首選框架，但存在的問題是對不同目標(biāo)的特征提取無差異，未針對飛機目標(biāo)的特征與尺寸設(shè)計網(wǎng)絡(luò)。

針對以上的問題，設(shè)計并構(gòu)建了飛機目標(biāo)Inception 網(wǎng)絡(luò)（AFInceptionNet）以及飛機目標(biāo)候選框生成網(wǎng)絡(luò)（Aircraft Target Region Proposal Network，AFRPN）。用以上網(wǎng)絡(luò)改進SSD 檢測框架，提出了AFSSD 飛機目標(biāo)檢測方法。

1 SSD 檢測框架

SSD 檢測框架是一種可以一次檢測多個目標(biāo)的檢測模型，主要由特征提取網(wǎng)絡(luò)、候選框生成網(wǎng)絡(luò)這兩部分組成。在模型的訓(xùn)練與檢測時，將圖像輸入到模型中，特征提取網(wǎng)絡(luò)提取圖像的特征圖并傳遞給候選框生成網(wǎng)絡(luò)，后者直接在特征圖上完成候選框的訓(xùn)練與檢測，舍棄了再將候選框輸入到CNN中訓(xùn)練與檢測的過程。所以SSD 框架大大提升了檢測的速度。

SSD 框架獲取大于IOU 閾值的候選框，通過非極大值抑制，得到可信度分數(shù)最高的候選框作為檢測結(jié)果。

在訓(xùn)練階段，需依據(jù)交并比與人工標(biāo)注的真值框進行匹配，并將候選框劃分為正樣本與負樣本兩類，為訓(xùn)練檢測框架做準(zhǔn)備。匹配過程包括3 個階段：1）依次判斷與每個真值框具有最大交并比的候選框，即是否大于SSD 檢測框架所設(shè)定的IOU 閾值。若滿足此判斷條件，則劃分到正樣本類別中，并將其與該真值框匹配；2）將階段1）中未匹配的候選框，通過階段1）的再次篩選，直到剩余的候選框全部小于IOU 閾值；3）將未匹配的候選框劃分到負樣本的類別中。

在得到正、負樣本后，SSD 檢測框架依據(jù)最小化損失函數(shù)的原則，訓(xùn)練候選框。在綜合了可信度分數(shù)損失函數(shù)與候選框位置的損失函數(shù)后，總損失函數(shù)為：

圖1 SSD 檢測框架的結(jié)構(gòu)

2 AFSSD 檢測方法

2.1 檢測方法的結(jié)構(gòu)

圖2 AFSSD 檢測方法的結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 飛機目標(biāo)特征提取網(wǎng)絡(luò)

視覺模式是計算機視覺領(lǐng)域中圖像所表達的場景或者具體對象，不同的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征圖對應(yīng)不同的視覺模式。本文將梯度下降應(yīng)用于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）輸入圖像的值，然后利用VGG16［8］與InceptionV3 網(wǎng)絡(luò)［9］對卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的過濾器進行可視化［10］，得到使卷積層特征圖具有最大響應(yīng)的視覺模式。

圖3 使卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)不同卷積層的特征圖得到最大響應(yīng)的視覺模式

圖3 給出了使不同卷積層的特征圖得到最大響應(yīng)的視覺模式。分析圖3 可以看出：CNN 的1-4層卷積層對應(yīng)顏色特征、簡單的邊緣紋理特征，如自然圖像中的條紋、波浪、斑點、裂痕等；緊隨連接LeNet-5 結(jié)構(gòu)的卷積層對應(yīng)的是眼睛、羽毛、鱗片、樹枝、葉片、稻田、耕地等特征；在之后連接Inception結(jié)構(gòu)對應(yīng)的是具有對稱性的目標(biāo)，且目標(biāo)周圍是與其形成反差的背景，如地面、機場跑道等。

雖然飛機目標(biāo)的外形輪廓較為復(fù)雜，但組成飛機的各個部分的幾何特點較為簡單。飛機以機身為對稱軸，左右兩翼對稱地分布于機身兩側(cè)，具有較好的對稱性。

依據(jù)CNN 卷積層特征圖具有最大響應(yīng)的視覺模式以及飛機目標(biāo)的幾何特征，設(shè)計AFInception-Net 飛機目標(biāo)特征提取網(wǎng)絡(luò)，專門提取遙感影像中飛機目標(biāo)的特征。該AFInceptionNet 網(wǎng)絡(luò)由C1～C3層、C4～C6 層、P1～P2 層和5 個Inception 層I1～I5 組成。其中，C1～C3、C4～C6 層主要提取機場場景中的顏色與紋理特征，P1～P2 層起到降維的作用，I1～I5層用來提取在機場的多種邊緣、紋理特征中具有對稱性的飛機目標(biāo)的特征。AFInceptionNet 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)及具體參數(shù)如下頁圖4 所示，參數(shù)為該層特征圖的長、寬、通道數(shù)。

2.3 飛機目標(biāo)候選框生成網(wǎng)絡(luò)

首先基于K-均值方法［11］對飛機尺寸聚類，將得到的聚類中心作為代表性的飛機尺寸，然后優(yōu)化SSD 檢測框架中候選框長寬比的設(shè)定，并將代表性的飛機尺寸作為優(yōu)化后的候選框，建立AFRPN 飛機目標(biāo)候選框生成網(wǎng)絡(luò)。

圖4 AFInceptionNet 網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

2.3.1 K-均值對飛機尺寸聚類

圖5 原始飛機目標(biāo)尺寸分布

圖6 K-均值聚類后飛機目標(biāo)尺寸分布

表1 具有代表性的飛機目標(biāo)尺寸與比例

2.3.2 優(yōu)化候選框

圖7、圖8 分別給出了真值框與AFRPN 候選框生成網(wǎng)絡(luò)生成候選框的過程。如圖8 所示，在訓(xùn)練與檢測階段，AFRPN 在圖像上遍歷地產(chǎn)生5 種候選框，實現(xiàn)對不同尺寸飛機目標(biāo)的有效檢測。

圖7 標(biāo)注了真值框的飛機目標(biāo)

圖8 生成不同尺寸候選框的示意圖

3 仿真實驗

實驗選取了DOTA 數(shù)據(jù)集［12］與NWPU VHR-10數(shù)據(jù)集［13］中包含飛機的影像，經(jīng)過裁剪與旋轉(zhuǎn)后構(gòu)建了用于訓(xùn)練的飛機目標(biāo)檢測數(shù)據(jù)集。數(shù)據(jù)集共包含遙感影像1 000 張、飛機對象2 967 個。RSODDataset 數(shù)據(jù)集［14］作為測試數(shù)據(jù)。訓(xùn)練和測試所用的硬件為NVIDIA GEFORCE GTX 1 050 GPU，內(nèi)存為12.0 GB，深度學(xué)習(xí)框架為TensorFlow。訓(xùn)練的優(yōu)化方式為隨機梯度下降法，學(xué)習(xí)率為0.004，動量為0.95，權(quán)值衰減為0.000 04，每次處理2 幅影像，最大迭代次數(shù)為10 000 次。

為考察AFSSD 的檢測性能，設(shè)被正確分類的飛機目標(biāo)為TP，未被正確分類的飛機目標(biāo)為FP，被誤分為飛機目標(biāo)的背景為FN，被正確分類的背景為TN。則召回率與準(zhǔn)確率之間關(guān)系的計算公式為

圖9、圖10 給出運用AFSSD 與其他4 種檢測方法得到的“準(zhǔn)確率-召回率”曲線、“虛警率-召回率”曲線。由圖9、圖10 可知，在相同的召回率的條件下，AFSSD 飛機檢測方法具有更高準(zhǔn)確率以及更低的虛警率。

圖9 5 種檢測方法的“準(zhǔn)確率-召回率”曲線

圖10 5 種檢測方法的“虛警率-召回率”曲線

表2 候選框設(shè)計對檢測精度的影響

4 結(jié)論

為了解決SSD 檢測框架對不同目標(biāo)的特征提取無差異的問題，本文首先基于使卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的特征圖得到最大響應(yīng)的視覺模式，結(jié)合遙感影像中飛機目標(biāo)的幾何特征，建立了AFInceptionNet 飛機目標(biāo)特征提取網(wǎng)絡(luò)；然后使用K-均值方法對飛機尺寸聚類，將聚類中心作為代表性的飛機目標(biāo)尺寸，構(gòu)建了AFRPN 飛機目標(biāo)候候選框生成網(wǎng)絡(luò)；用AFInceptionNet 與AFRPN 改進SSD 檢測框架，提出了AFSSD 飛機目標(biāo)檢測方法。針對該方法的檢測性能開展對比實驗，仿真結(jié)果表明，該候選框生成網(wǎng)絡(luò)能夠有效檢測不同尺寸的飛機目標(biāo)；該檢測方法可以準(zhǔn)確地檢測出遙感影像中的飛機目標(biāo)，并且相比于SSD 檢測框架提高了檢測精度，為下一步的飛機目標(biāo)類型識別提供了解決思路。

圖11 5 種檢測方法的檢測結(jié)果