基于YOLOv3和RGBD的車內(nèi)人耳識別與深度定位?

金銀強(qiáng) 王巖松 張偉偉 王孝蘭

（上海工程技術(shù)大學(xué)機(jī)械與汽車工程學(xué)院 上海 201620）

1 引言

常規(guī)的車內(nèi)噪聲控制一般采用隔振、減震、吸聲等被動控制方法。此類方法在針對中高頻噪聲時可以起到良好的效果，但無法完全解決低頻噪聲的問題［1］。利用兩列頻率相同、相位相反的聲波在空間上相互疊加干涉從而相互抵消的自適應(yīng)主動降噪（Adaptive Active Noise Cancellation，AANC）系統(tǒng)可有效降低低頻噪聲［2～3］。為實(shí)現(xiàn)耳側(cè)區(qū)域噪聲的時域重構(gòu)和聲品質(zhì)智能評價，需對車內(nèi)人耳進(jìn)行識別并進(jìn)行空間位置的準(zhǔn)確定位。前人已通過HOG+稀疏表示法、PCA+SVM法、LBP+BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法等實(shí)現(xiàn)了人耳識別［4～5］，但這些方法操作相對繁瑣且檢測速率和精度較低?；谏疃葘W(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法因其無需進(jìn)行人工的特征設(shè)計、良好的特征表達(dá)能力及優(yōu)良的檢測精度，已經(jīng)超越傳統(tǒng)檢測方法，成為當(dāng)前目標(biāo)檢測算法的主流［6］。

深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測算法依據(jù)其設(shè)計思想，主要可分為兩種，即兩步走（two-stage）算法：先產(chǎn)生候選區(qū)域然后再進(jìn)行CNN分類（RCNN系列等）；一步走（one-stage）算法：直接對輸入圖像應(yīng)用算法并輸出類別和相應(yīng)的定位（YOLO系列等）［7～8］。

RCNN系列先提取region proposal，之后再分類，是一種滑動窗口機(jī)制，每個feature map上都回歸出9個anchor，大約一共20k個anchor，在通過非極大值抑制等方法最終會得到300個region propos?al［9］。因RCNN每個位置都需精修，降低了實(shí)時性效率。

2015年Redmon和Divvala提出YOLO（You Look Only Once）目標(biāo)檢測算法。其將物體檢測作為回歸問題進(jìn)行求解，使用單個網(wǎng)絡(luò)完成整個檢測，大大提升了目標(biāo)檢測算法的速度。YOLO可以獲取到圖像的整體信息，相比于region proposal等方法，有著更廣闊的“感知野”，其識別效果也具有很強(qiáng)的泛化能力［10］。YOLOv2受到Faster RCNN方法的啟發(fā)，引入了anchor，同時使用了K-Means方法，并且去掉了全連接層，改成了全卷積結(jié)構(gòu)，在精度和速度之間做出了折中［11］。YOLOv3在YOLOv2的基礎(chǔ)上采用上采樣（upsample）和多個尺度融合做法，在多個scale的feature map上做檢測，對于小目標(biāo)的檢測效果提升比較明顯，將YOLO系列的缺點(diǎn)（精度較低，不擅長檢測小物體等）進(jìn)行了優(yōu)化，達(dá)到了較好的效果和較快的速度，成為最出色的目標(biāo)檢測算法之一［12］。

RGBD相機(jī)作為一款新興的視覺傳感器，可以同時獲取采集圖像的可見光色彩信息及深度信息。它具有精度高、價格低、尺寸小、易操作等優(yōu)點(diǎn)。深度相機(jī)可在戶內(nèi)和戶外任何有光的環(huán)境下提供復(fù)雜的實(shí)時物體深度信息，可通過立體的視覺感知周圍環(huán)境。

本文使用深度相機(jī)的RGB信息和D信息，結(jié)合YOLOv3算法訓(xùn)練人耳樣本，分別識別出人耳并計算出其空間深度坐標(biāo)，搭建一套完整的人耳識別與深度坐標(biāo)定位系統(tǒng)，為車內(nèi)主動降噪提供實(shí)時人耳深度坐標(biāo)信息。

2 YOLOv3算法

YOLOv3的特征提取使用了全新的網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)。從網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)來看，相對于YOLOv2中的Dark?net-19網(wǎng)絡(luò)，YOLOv3新增了殘差網(wǎng)絡(luò)，使用連續(xù)的1×1和3×3卷積層，將網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展為53層，稱其為Darknet-53［12］，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如表1。

表1 Darknet-53網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

Darknet-53網(wǎng)絡(luò)包含53個卷積層和5個最大池化層，在每一個卷積層后又增添了批量標(biāo)準(zhǔn)化操作（batch normalization），同時，去掉了dropout操作，以防止過擬合［13］。Darknet-53網(wǎng)絡(luò)比YOLOv2的Darknet-19在功能上有所增強(qiáng)，并且比ResNet-101和ResNet-152有更好的效果，表2為Darknet-53在ImageNet數(shù)據(jù)集下做的性能測試結(jié)果。

從表2中看得出，Darknet-53在檢測效果上比ResNet-101更好一些，且檢測速度也提高了1.5倍，Darknet-53雖然在性能上與ResNet-152基本相似，在檢測速度上卻提高了兩倍，相比Dark?net-19，Darknet-53網(wǎng)絡(luò)更為復(fù)雜，所以檢測準(zhǔn)確率有明顯的提升，雖然檢測速度不如Darknet-19快，但在實(shí)時性要求上仍然滿足要求。

表2 特征網(wǎng)絡(luò)對比表

YOLOv3把圖片伸縮成416×416的像素，使用尺度金字塔結(jié)構(gòu)，把圖片劃分為S×S個大小相同的單元格，在特征圖為13×13、26×26、52×52的三個尺度上進(jìn)行檢測，并使特征圖在相鄰的兩尺度上以兩倍的上采樣傳遞。每個單元格使用3個錨點(diǎn)預(yù)測3個邊界框。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在每一個單元格上為每一個邊界框預(yù)測4個值，即坐標(biāo)（x，y）與目標(biāo)的寬w和高h(yuǎn)，分別記為tx、ty、tw、th。目標(biāo)中心在單元格中相對于圖像左上角有偏移（cx，cy），anchor box具有高度ph和寬度pw，YOLOv3的邊界框的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖如圖1。

圖1 YOLOv3的邊界框的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

修正之后的邊界框?yàn)?/p>

損失函數(shù)作為預(yù)測值與真實(shí)值之間的誤差標(biāo)準(zhǔn)，反應(yīng)模型檢測效果好壞與網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)快慢，YO?LOv3損失函數(shù)主要分為坐標(biāo)損失，置信度損失及分類損失三大部分，其損失函數(shù)如下式所示：

式中S代表把圖片劃分成S×S個網(wǎng)格，B為每個網(wǎng)格中預(yù)測先驗(yàn)框個數(shù)，λcoord為坐標(biāo)的預(yù)測懲罰系數(shù)，取其值為5，λnoobj為不含運(yùn)動目標(biāo)時的置信度懲罰系數(shù)，設(shè)其值為0.5，為預(yù)測圖片出現(xiàn)在第i個網(wǎng)格中，由第j個預(yù)測框做預(yù)測。x、y、w、h、c分別代表預(yù)測框的坐標(biāo)、寬、高和置信度。

3 RBGD多源視覺傳感器

車內(nèi)人耳的定位方法與傳感器的選擇密切相關(guān)。定位傳感器可分為激光傳感器和視覺傳感器。激光傳感器對車內(nèi)場景有很好的建模效果，但模型系統(tǒng)成本過高。視覺傳感器分為單目相機(jī)、雙目相機(jī)和RGBD相機(jī)，其中雙目相機(jī)和RGBD相機(jī)可以獲取目標(biāo)物體的深度信息。雙目相機(jī)在計算深度時配置較為復(fù)雜，模型搭建繁瑣，計算量較大。RGBD相機(jī)是可以同時獲取目標(biāo)RGB顏色信息和深度信息的傳感器，可主動計算出深度距離，重建效果好［14］。針對車內(nèi)人耳定位使用RGBD視覺傳感器獲取信息在整體考慮上較為合理。另外，RGBD相機(jī)的結(jié)構(gòu)小巧、使用方便、價格低廉，故本文選用RGBD相機(jī)作為車內(nèi)人耳數(shù)據(jù)采集與深度定位的傳感器。

RGBD相機(jī)通過紅外結(jié)構(gòu)光或Time-of-Flight原理進(jìn)行深度距離測量的［15］。首先脈沖發(fā)射器發(fā)射脈沖信號并記錄其到檢測目標(biāo)之間光的時間間隔，然后通過計算時差來獲得目標(biāo)的距離。RGBD相機(jī)通過物理的方法進(jìn)行測量，相對于雙目相機(jī)通過復(fù)雜軟件計算的方法，可減少大量的計算。

表3為本文選用的Intel RealSense D415深度相機(jī)的參數(shù)規(guī)格。該相機(jī)左右兩側(cè)的鏡頭分別為用來獲取環(huán)境中物體的深度信息的三維結(jié)構(gòu)光深度傳感器；中間為獲取環(huán)境中物體顏色信息的RGB彩色相機(jī)。從表中可以看出，其視野與快門類型適合車內(nèi)人耳定位應(yīng)用。

表3 RealSense D415參數(shù)規(guī)格

4 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方案

4.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

實(shí)驗(yàn)用計算機(jī)系統(tǒng)為Windows10，CPU型號為Intel Core i5-8400，內(nèi)存16GB，搭載NVIDIA Ge?Force GTX1070Ti顯卡，配置NVIDIA CUDA9.0和GPU加速庫CUDNN7.0和OpenCV3.2.0擴(kuò)展庫，使用Darknet深度學(xué)習(xí)框架，通過Python與C/C++混合編程，在Intel RealSense D415相機(jī)上實(shí)現(xiàn)人耳識別與深度定位。

4.1.2 訓(xùn)練數(shù)據(jù)集

針對本文研究的內(nèi)容，在CASIA--Webface人臉數(shù)據(jù)集中選取1000張側(cè)臉含人耳的圖像作為數(shù)據(jù)集一。在CAS-PEAL-R1人臉數(shù)據(jù)集隨機(jī)挑選姿態(tài)圖像庫中人臉旋轉(zhuǎn)+45°、90°、-45°拍攝的男、女露耳圖片2000張作為數(shù)據(jù)集二。除此之外，為了適應(yīng)更多車內(nèi)乘客的復(fù)雜姿態(tài)、佩戴等變化，制作了個人數(shù)據(jù)集作為數(shù)據(jù)集三。該數(shù)據(jù)集在一輛榮威350轎車上，挑選10名志愿者，年齡在20歲到30歲之間，其中男生、女生各5名。志愿者分別在佩戴帽子，墨鏡，藍(lán)牙耳機(jī)，三樣全部佩戴和不佩戴任何物品等五種條件下在車的主駕駛座，副駕駛座和后排的兩個座位上分別進(jìn)行身體前傾，頭部旋轉(zhuǎn)和身體左右傾斜運(yùn)動。從身體背部靠緊座椅后背前傾到方向盤處，每10°拍攝一張，共拍攝5張；面部與攝像頭光軸方向呈150°角到正對攝像頭每30°角拍攝一張照片供5張；人體正面朝前直立在座椅上，左右各傾斜范圍為25°，從遠(yuǎn)離攝像頭的位置到靠近攝像頭的位置每10°拍攝一張，共拍攝5張。以上拍攝使用CMOS相機(jī)分別在不同光照下進(jìn)行，共拍攝6000張圖片，照片大小為1008×756像素。

4.1.3 網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練

為了節(jié)省網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練與測試的時間，把原始圖像分辨率降采樣到416×416進(jìn)行訓(xùn)練。同時為了增強(qiáng)訓(xùn)練模型的魯棒性和泛化能力，對部分訓(xùn)練集圖像隨機(jī)調(diào)整亮度、曝光度、飽和度、色調(diào)、對比度等，并添加隨機(jī)噪聲，以擴(kuò)充數(shù)據(jù)多樣性。

在各訓(xùn)練集圖像中均勻選出5000張標(biāo)注的圖像作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，通過labelimg圖像標(biāo)注工具，對訓(xùn)練圖像中人耳部位進(jìn)行手工標(biāo)注，在原有圖片基礎(chǔ)上生成xml文件，然后在YOLOv3的Darknet-53網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行訓(xùn)練。其余的3000張圖像作為測試數(shù)據(jù)。

在訓(xùn)練時，使用小批量隨機(jī)梯度下降法對整個過程進(jìn)行優(yōu)化，且使用反向傳播法使訓(xùn)練參數(shù)持續(xù)更新，使損失函數(shù)收斂，訓(xùn)練時的學(xué)習(xí)批次為32，迭代30000次，初始學(xué)習(xí)率為0.001，動量為0.9，學(xué)習(xí)衰減步長和衰減因子分別為40和0.1，非極大值抑制為0.5。

4.1.4 不同遮擋情況下的人耳識別

在實(shí)際的檢測過程中，車內(nèi)乘客的人耳往往存在被遮擋的情況，且遮擋比例不能確定，在這些情況下，為了驗(yàn)證YOLOv3網(wǎng)絡(luò)人耳識別模型是否具有強(qiáng)大的學(xué)習(xí)能力和較高的識別精度，在測試集圖像中抽取1000張照片，按照整個人耳比例的10%到50%用黑色方框進(jìn)行填充，每種比例的遮擋使用200張照片處理，從而模擬實(shí)際車內(nèi)人耳被部分遮擋的情況，處理后的測試集圖像如圖2，將這些數(shù)據(jù)在訓(xùn)練好的YOLOv3網(wǎng)絡(luò)里進(jìn)行人耳識別試驗(yàn)，驗(yàn)證YOLOv3算法在遮擋干擾下的識別準(zhǔn)確率。

圖2 遮擋0%～50%條件下的人耳測試圖像

4.1.5 人耳深度檢測

訓(xùn)練好人耳后，使用Intel RealSense RGBD相機(jī)在車內(nèi)采集10名志愿者上身視頻。分別在主駕駛室、副駕駛室、和后排兩座上做身體前傾，頭部扭轉(zhuǎn)，身體左右搖擺運(yùn)動。每人12段視頻，每段10秒鐘，共采集120段視頻。如圖3所示，Intel Re?alSense D415深度相機(jī)使用界面分為RGB圖像輸出窗口和深度圖像輸出窗口。

圖3 Intel RealSense D415窗口界面

使用YOLOv3人耳檢測模型對已經(jīng)采集的視頻RGB圖像每一幀進(jìn)行人耳識別，并把識別框像素的x，y坐標(biāo)記錄下來傳遞到相應(yīng)的深度圖像中，深度圖像可根據(jù)相應(yīng)接收到的人耳位置的像素坐標(biāo)信息，輸出該點(diǎn)的深度信息。對120段視頻做人耳識別準(zhǔn)確率試驗(yàn)和深度相機(jī)檢測的深度距離與實(shí)際距離做誤差分析。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.2.1 網(wǎng)絡(luò)分析

為了驗(yàn)證訓(xùn)練后的檢測可靠性和有效性，使用loss函數(shù)作為參考。圖4為YOLOv3網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中l(wèi)oss值的收斂曲線圖，橫坐標(biāo)代表訓(xùn)練迭代次數(shù)，最大迭代次數(shù)為30000次。訓(xùn)練迭代5000次后，隨著迭代次數(shù)的增加，loss曲線逐漸趨于平穩(wěn)，最后下降到約0.12時基本保持穩(wěn)定，說明此算法在訓(xùn)練過程中表現(xiàn)出良好的收斂特性，網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練結(jié)果比較理想。

圖4 loss收斂曲線圖

由于YOLOv3為目標(biāo)檢測算法，實(shí)驗(yàn)采用適用于目標(biāo)檢測領(lǐng)域的P（準(zhǔn)確率）、R（召回率）、AP（平均準(zhǔn)確率）IOU（交并比）和FPS（平均每幀處理時間）作為評判指標(biāo)。對于準(zhǔn)確率P和召回率R值的計算公式如下：

TP表示被模型檢測正確的有人耳正樣本數(shù)，F(xiàn)N表示被模型檢測錯誤的有人耳正樣本數(shù)，F(xiàn)P表示被模型檢測錯誤的無人耳負(fù)樣本數(shù)。AP可通過P和R計算P-R曲線面積得到。IOU是檢測出人耳的邊界框與實(shí)際人耳邊界框重疊的部分除以兩個區(qū)域的集合部分得出的結(jié)果，計算公式如下：

Spt為訓(xùn)練樣本集中標(biāo)注的準(zhǔn)確人耳邊框區(qū)域面積，Sgt為訓(xùn)練中預(yù)測出的人耳邊界框面積。

由實(shí)驗(yàn)可得模型檢測的準(zhǔn)確率P為96.7%，召回率R為89.9%，AP為95.2%，IOU為95.3%，平均每秒處理幀數(shù)（FPS）為7fps，說明YOLOv3算法在識別人耳時具有較高的識別性能，優(yōu)于其他傳統(tǒng)的人耳識別模型，圖5為YOLOv3識別人耳的效果圖。

圖5 YOLOv3人耳識別效果圖

4.2.2 部分遮擋人耳檢測分析

對不同程度遮擋情況下的人耳圖像進(jìn)行識率實(shí)驗(yàn)，表4為在不同程度遮擋情況YOLOv3與其他算法的識別率對比。

表4 不同遮擋情況下識別率對比

在0%～30%的遮擋條件下，YOLOv3算法準(zhǔn)確率穩(wěn)定在92%以上，具有相對較高的識別能力，檢測率優(yōu)于其他傳統(tǒng)算法。人耳被擋到40%～50%時，由于失去了過多的人耳特征，各個檢測算法都出現(xiàn)了識別準(zhǔn)確率大幅度降低現(xiàn)象，在此情況下，YOLOv3算法仍然在識別準(zhǔn)確率上比其他傳統(tǒng)算法表現(xiàn)優(yōu)異，這也從側(cè)面體現(xiàn)了YOLOv3的網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)在學(xué)習(xí)能力和檢測能力上更加智能。

4.2.3 人耳深度定位分析

在使用YOLOv3識別人耳后，可檢測出RGBD相機(jī)拍攝的RGB圖像里的人耳，并把其像素坐標(biāo)傳遞給深度圖像，即可在深度圖像中獲得人耳處的深度信息，圖6（a）為RGB圖上識別出人耳的示意圖，圖6（b）為其對應(yīng)的深度圖。通過檢測深度與實(shí)際深度的誤差分析試驗(yàn)可得，誤差在±3.5cm以內(nèi)，可滿足實(shí)時輸出深度信息的要求。

圖6 RGB圖像和深度圖像

5 結(jié)語

本文使用YOLOv3算法作為識別車內(nèi)人耳的工具，結(jié)合RGBD深度相機(jī)共同完成了車內(nèi)人耳識別與深度定位系統(tǒng)。YOLOv3在人耳遮擋10%～30%時識別率高于90%，F(xiàn)PS可達(dá)7fps，在識別精度和檢測速度上均可滿足實(shí)時性。使用Intel Real Sense D415深度相機(jī)，根據(jù)YOLOv3算法識別出的人耳邊界框的中心像素坐標(biāo)，在深度圖像中找出相應(yīng)位置，并輸出其深度坐標(biāo)，誤差可控制在±3.5cm以內(nèi)，為車內(nèi)主動降噪系統(tǒng)提供有效的坐標(biāo)信息，為后續(xù)采集人耳附近的噪聲信息提供了有利的數(shù)據(jù)支撐，具有較好的工程應(yīng)用價值。但本文還有一些特殊情況，如車內(nèi)多人干擾、夜間光照不足、人耳被長發(fā)遮擋等，需要未來進(jìn)一步研究與改進(jìn)。