基于深度學(xué)習(xí)的交通標(biāo)志快速識別方法

李澔＊

（北京建筑大學(xué)測繪與城市空間信息學(xué)院，北京 102616）

1 概述

交通標(biāo)志通過文字或符號來傳遞限制、引導(dǎo)、指示或警告等信息。在日常生活中，交通標(biāo)識保障了道路中車輛和行人的生命安全，保證道路順暢，提醒駕駛員前方存在的安全隱患。隨著汽車數(shù)量增長，導(dǎo)致交通擁擠、交通事故不斷增加。在實(shí)際交通道路中，駕駛?cè)藛T可能由于自身問題，如疲勞駕駛、酒后駕駛等因素對實(shí)際路況做出錯(cuò)誤判斷，還可能因?yàn)橥饨绛h(huán)境問題，如道路遮擋、環(huán)境能見度低等問題導(dǎo)致交通事故。許多政府和汽車廠商為了提高交通出行的安全性，同時(shí)降低交通事故的發(fā)生率，都在推廣智能交通系統(tǒng)。交通標(biāo)識快速識別是智能交通系統(tǒng)重要組成部分并且也是汽車自動(dòng)駕駛的主要內(nèi)容。由于交通標(biāo)識通過文字，符號，圖形傳遞信息，在一定范圍內(nèi)具有準(zhǔn)確、特征鮮明、輪廓清晰明顯的特性，所以可以通過圖像特征提取和圖形識別技術(shù)對交通標(biāo)志進(jìn)行識別和分類[1，2]。

近幾年隨著機(jī)器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)等技術(shù)的不斷發(fā)展，基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法更加適合識別交通標(biāo)志，可以增加交通標(biāo)識的識別正確率。因此本文主要基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Network，CNN）的LeNet-5 算法[3]對其模型進(jìn)行改進(jìn)，使之更適合對交通標(biāo)志的識別，并且通過比利時(shí)交通數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，最后得到一個(gè)可以識別交通標(biāo)志圖像的算法。

2 LeNet-5 算法

文中是基于LeNet-5 算法，并對其做出改進(jìn)，該算法是一種非常高效的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于識別手寫字體標(biāo)識[4，5]。LeNet-5 算法可以很好的提取高維圖像的信息特征，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括1 個(gè)輸入層、2 個(gè)卷積層、2 個(gè)池化層、2 個(gè)全連接層，1 個(gè)輸出層，共有8 層。雖然LeNet-5模型層次簡單但是它包含深度學(xué)習(xí)中主要的基本模塊，并且其模型訓(xùn)練的數(shù)據(jù)都為灰度圖像，需要提取的特征也較少。但是，本文中所研究的交通標(biāo)志圖像，其圖像中的特征信心更加豐富，部分交通標(biāo)志相似程度較大，而其部分圖像中有局部被遮擋，因此需要對LeNet-5 模型做進(jìn)一步的改進(jìn)，提高模型提取圖像特征的能力，由于其訓(xùn)練數(shù)據(jù)集數(shù)據(jù)量大，因此本文基于LeNet-5 算法進(jìn)行改進(jìn)，增加其算法的識別精度和訓(xùn)練效率。

3 基于LeNet-5 算法改進(jìn)

3.1 改進(jìn)后的的模型

為提高Lenet-5 算法的識別精度和特征提取能力，在該算法中每層卷積中增加卷積核的數(shù)量，并且加入隨機(jī)抽樣算法和自適應(yīng)矩估計(jì)優(yōu)化算法[6]，防止模型出現(xiàn)過擬合并且增加模型收斂速度，提高學(xué)習(xí)效率。

文中基于LeNet-5 改進(jìn)后的層次結(jié)構(gòu)如圖1 所示,整體上通過兩個(gè)卷積層,兩個(gè)池化層,兩個(gè)全連接層,一個(gè)輸入層和一個(gè)輸出層組成。數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)基本是RGB的彩色圖像，共有三個(gè)通道，所以基于LeNet-5 改進(jìn)參數(shù)設(shè)置，每一個(gè)卷積層，池化層，全鏈接層都有不同的參數(shù)，算法中第一、二層卷積分別使用42、84 個(gè)5*5 大小的卷積核對輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行卷積，采取邊緣填充策略確保信息完整，算法的池化層中通過2*2 大小的窗口進(jìn)行最大池化，降低數(shù)據(jù)的維數(shù)，避免過擬合。本文方法在卷積層中增加了卷積核的個(gè)數(shù)，以便識別出圖像中更多的特征信息，同時(shí)采用最大池化加快迭代速度。

圖1 本文改進(jìn)后的算法結(jié)構(gòu)

3.2 基于隨機(jī)抽樣法防止過擬合

本文基于LeNet-5 模型改進(jìn)的算法具有一定的網(wǎng)絡(luò)模型深度，可以更好地提取圖像中的特征。但是，隨著網(wǎng)絡(luò)模型的深度增加，訓(xùn)練的參數(shù)增多，迭代次數(shù)不斷增加，在訓(xùn)練模型的時(shí)候非常容易出現(xiàn)過擬合的情況。在訓(xùn)練過程中，模型識別驗(yàn)證數(shù)據(jù)集的精度會(huì)達(dá)到一個(gè)最大值，網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)往往達(dá)到了局部最優(yōu)，在這之后識別精度會(huì)出現(xiàn)下降，這時(shí)候就出現(xiàn)過擬合。

在分類問題中，如果模型太過簡單或是訓(xùn)練集數(shù)據(jù)量太少，這時(shí)會(huì)導(dǎo)致欠擬合出現(xiàn)，使得模型識別圖像特征時(shí)不準(zhǔn)確，有較大誤差；如果模型較為復(fù)雜，層次較深，同時(shí)訓(xùn)練集的數(shù)據(jù)不夠充分，就會(huì)出現(xiàn)過擬合，在訓(xùn)練時(shí)對測試集和驗(yàn)證集識別時(shí)會(huì)有較高的準(zhǔn)確率，但是識別新的數(shù)據(jù)圖像時(shí)識別準(zhǔn)確率較低。在正確擬合中，雖然在識別分類時(shí)會(huì)出現(xiàn)一些偏差，但是可以使模型有更大的泛化能力，即對未知數(shù)據(jù)的識別分類精度會(huì)更高。在深度學(xué)習(xí)中，我們都是通過訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)來學(xué)習(xí)模型，所以對未知數(shù)據(jù)的識別，即泛化能力，更加重要，而不是僅僅與訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)完全擬合。

本文改進(jìn)后的算法中選擇隨機(jī)抽樣法來解決過擬合問題。在改進(jìn)后的模型進(jìn)行訓(xùn)練時(shí)，通過隨機(jī)抽樣函數(shù)隨機(jī)剔除一部分神經(jīng)元，被扔掉的神經(jīng)元不在網(wǎng)絡(luò)中計(jì)算，也不更新權(quán)值，如圖2 所示。在模型最后對輸入的圖像進(jìn)行分類時(shí)，每一次都不會(huì)只依靠特定的神經(jīng)元進(jìn)行分類，從而防止過擬合。本文在模型的最后兩層全鏈接中均加入隨機(jī)抽樣函數(shù)，每一層隨機(jī)剔除上一層中一半神經(jīng)元。

圖2 全連接層中隨機(jī)抽樣法示意圖

3.3 自適應(yīng)矩估計(jì)優(yōu)化算法

在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中為了減小損失函數(shù)，通常使用優(yōu)化算法來改善訓(xùn)練策略。目前常用的優(yōu)化算法通常是梯度下降算法。梯度下降算法雖然計(jì)算復(fù)雜度低，只需計(jì)算目標(biāo)函數(shù)的一階雅可比，但是梯度下降法過于貪心不能保證收斂到全局最優(yōu)解，反而增加了迭代次數(shù)。針對上述問題，本文采用自適應(yīng)矩估計(jì)優(yōu)化算法。該算法訓(xùn)練時(shí)不同參數(shù)都會(huì)有相對應(yīng)的學(xué)習(xí)率，其本質(zhì)是利用梯度來更新模型中的參數(shù)。自適應(yīng)矩估計(jì)優(yōu)化算法與其他梯度下降的優(yōu)化算法相比，其學(xué)習(xí)效率更加有效，收斂速度的更快。

自適應(yīng)矩估計(jì)優(yōu)化算法會(huì)保存一個(gè)先前指數(shù)衰減的平方梯度νt，即二階矩估計(jì)，還會(huì)保存先前梯度的指數(shù)衰減均值mt，即一階矩估計(jì)，并計(jì)算的νt和mt偏差，其公式如下：

βt1表示一階矩估計(jì)的指數(shù)衰減因子，其默認(rèn)取值為0.9；βt2表示二階矩估計(jì)的指數(shù)衰減因子，其默認(rèn)取值為0.9；ò 表示一個(gè)無窮小量。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

算法測試環(huán)境為Windows10 64 位系統(tǒng)，CPU 為Intel Core i7-9700K，顯卡為Nvidia GeForce RTX 2060，內(nèi)存為32GB，深度學(xué)習(xí)框架為tensorflow1.9.0[7]。

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用比利時(shí)交通數(shù)據(jù)集(BelgiumTSC)[8]，其中包括62 類交通標(biāo)志。比利時(shí)交通數(shù)據(jù)集中分為訓(xùn)練數(shù)據(jù)集和測試數(shù)據(jù)集，訓(xùn)練集中有62 類交通標(biāo)志，共有4575 張交通標(biāo)志圖像，測試集中有53 類交通標(biāo)志，共有2516 張交通標(biāo)志圖像。

主要技術(shù)流程如圖3 所示，首先獲取數(shù)據(jù)集，下載比利時(shí)交通標(biāo)志數(shù)據(jù)集，并其進(jìn)行預(yù)處理；其次進(jìn)行環(huán)境搭建，配置GPU 驅(qū)動(dòng)同時(shí)安裝tensorflow框架，并測試環(huán)境；然后根據(jù)本文第3 節(jié)內(nèi)容，對LeNet-5 算法進(jìn)行改進(jìn)，加入隨機(jī)抽樣算法防止出現(xiàn)過擬合，并且使用自適應(yīng)矩估計(jì)優(yōu)化算法加快損失函數(shù)收斂；最后進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，分析算法的精確率和損失函數(shù)，同時(shí)通過測試集對改進(jìn)后的算法進(jìn)行交通標(biāo)志識別測試。

圖3 整體技術(shù)流程

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在訓(xùn)練中，輸入圖像時(shí)采用分批次輸入，每次輸入25 張交通標(biāo)志圖像。在訓(xùn)練模型的參數(shù)設(shè)置中，訓(xùn)練的迭代總次數(shù)為1500 次，在每一次的迭代中都會(huì)將訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)放入算法中訓(xùn)練模型。如圖4 所示，迭代次數(shù)在1 到270 之間隨著迭代次數(shù)的增加模型識別交通標(biāo)志的精確度迅速提高，隨著迭代次數(shù)增加，精確度不斷提升，在迭代次數(shù)在990 次之后漸漸變得平緩，最終識別精度確定在95.4%左右。

圖4 改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)分類精確度隨迭代次數(shù)變化圖

損失函數(shù)隨著迭代次數(shù)增加的變化趨勢，如圖5 所示。隨著迭代次數(shù)的增加，損失函數(shù)整體上不斷減小，最終趨于收斂。從圖5 中可以看到，迭代次數(shù)在0 到735 之間，損失函數(shù)下降速度較快，但是波動(dòng)也很快，在迭代次數(shù)達(dá)到1215 次之后，下降的速度趨于平緩，最后收斂于3.16 左右。

圖5 改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)交叉熵?fù)p失函數(shù)隨迭代次數(shù)變化圖

BelgiumTSC 的測試集中共用53 類交通標(biāo)志的圖像，共有2516 張圖像，通過本文改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行識別，正確識別2293 張圖像，識別的總精度為91.14%。其中有十五類交通標(biāo)志識別率達(dá)到100%，其余類別的交通標(biāo)志正確識別率如圖6 所示，其中交通標(biāo)志類別為“2”的識別率最低，只有14.29%。

圖6 改進(jìn)后識別交通標(biāo)志的精度

在識別率達(dá)到100%的這十五類交通標(biāo)志中，有八類標(biāo)志的訓(xùn)練集中訓(xùn)練數(shù)據(jù)小于50 張，剩下七類交通標(biāo)志的訓(xùn)練集數(shù)量都非常充足。訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)對模型識別精度的影響非常大，在某兩類交通標(biāo)志相似度非常高時(shí)。模型很難提從訓(xùn)練數(shù)據(jù)少的交通數(shù)據(jù)集中提取特征。雖然模型的損失函數(shù)趨于收斂，但是某些相似度高的交通標(biāo)志無法正確識別，會(huì)導(dǎo)致?lián)p失函數(shù)過大，這需要相應(yīng)補(bǔ)充該類別的訓(xùn)練數(shù)據(jù)。

5 結(jié)論

本文基于LeNet-5 算法改進(jìn)網(wǎng)絡(luò)具有很好的穩(wěn)定性，在訓(xùn)練時(shí)的識別精度較高，其收斂速度快，訓(xùn)練效率高。針對交通標(biāo)志的圖像特征，在算法中加入于隨機(jī)抽樣算法防止過擬合現(xiàn)象，使用自適應(yīng)矩估計(jì)算法優(yōu)化模型，使得改進(jìn)后的算法更適合于交通標(biāo)志的識別。通過訓(xùn)練后的模型對比利時(shí)交通數(shù)據(jù)集中的測試集進(jìn)行分類，分類后的總體效果帶到預(yù)期效果，其正確分類率達(dá)到91.14%，基于LeNet-5 改進(jìn)后網(wǎng)絡(luò)在對交通標(biāo)識識別方面具有良好的穩(wěn)定性和可靠性。在之后的研究中，將進(jìn)一步研究提高模型識別交通標(biāo)識的精度和速度，增強(qiáng)識別的穩(wěn)定性。