基于深度學(xué)習(xí)的水下生物目標(biāo)檢測方法綜述

于雨 郭保琪 初士博 李恒 楊鵬儒

摘要：水下生物目標(biāo)識別對水產(chǎn)養(yǎng)殖、瀕危生物保護(hù)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測具有重要意義。綜合分析了當(dāng)前各種深度學(xué)習(xí)方法在水下生物目標(biāo)檢測中的應(yīng)用情況。首先介紹了常用的水下生物目標(biāo)檢測數(shù)據(jù)集；然后，按照兩階段和單階段對當(dāng)前常用目標(biāo)檢測方法進(jìn)行分類、分析和總結(jié)，詳細(xì)闡述了各類檢測方法的實際應(yīng)用狀況，并重點對上述各類檢測方法優(yōu)化策略的優(yōu)勢與不足進(jìn)行了分析和總結(jié)；最后，對基于深度學(xué)習(xí)的水下生物目標(biāo)檢測提出今后的研究重點，為該領(lǐng)域的研究人員提供了資料性的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí)；目標(biāo)檢測；水下生物目標(biāo)檢測

中圖分類號：TP181?? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ?文章編號：1002-4026（2023）06-0001-07

Survey of underwater biological object detection methods based on deep learning

YU Yu1a，1b ， GUO Baoqi2， CHU Shibo1a，1b， LI Heng1a，1b，YANG Pengru1a，1b

（1.a. Institute of Oceanographic Instrumentation；b. National Marine Monitoring Equipment Engineerin

g Technology

Research Center ，Qilu University of Technology（Shandong Academy of Sciences），Qingdao 266100，China;

2. Qingdao Haida Xinxing Software Consulting Co.， Ltd.， Qingdao 266114， China）

Abstract∶Underwater biological object detection is crucial for aquaculture， endangered species protection，and ecological environment monitoring. This study comprehensively analyzes the applications of various deep learning methods in underwater biological object detection. The commonly used underwater biological object detection datasets are introduced. The state-of-the-art underwater biological object detection methods are classified， analyzed， and summarized by two stages and one stage. The actual applications of various detection methods are thoroughly described， and the advantages and disadvantages of their optimization strategies are analyzed and summarized. Future works in the field of underwater biological object detection based on deep learning are presented. This study provides a reference basis for researchers in the field of underwater biological object detection.

Key words∶deep learning;object detection;underwater biological object detection

水下生物目標(biāo)檢測對于水產(chǎn)養(yǎng)殖、瀕危生物保護(hù)、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測等有著重要的意義。傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測算法在準(zhǔn)確度、實時性等方面難以滿足水下復(fù)雜場景的應(yīng)用需求。隨著計算機(jī)視覺領(lǐng)域智能化的發(fā)展，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法取得了突破性的進(jìn)展，相繼出現(xiàn)了精度高但速度較慢的兩階段目標(biāo)檢測方法和實時性好但精度略低的單階段目標(biāo)檢測方法，并在水下生物目標(biāo)檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，成為該領(lǐng)域的研究熱點之一。

林森等［1］從水下圖像預(yù)處理、目標(biāo)檢測識別、跟蹤關(guān)鍵技術(shù)等多個視覺任務(wù)的角度對水下光學(xué)圖像中目標(biāo)探測關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了宏觀綜述。Fayaz等［2］按照R-CNN（region-based convolutional neural network）系列、YOLO（you only look once）系列及其他系列對水下目標(biāo)識別的相關(guān)方法進(jìn)行了綜述及實驗驗證。檀盼龍等［3］針對基于聲吶圖像的水下目標(biāo)識別問題，論述了圖像去噪、圖像分割以及水下目標(biāo)識別等方面的主要進(jìn)展。于紅等［4］系統(tǒng)闡述了數(shù)據(jù)集構(gòu)建、數(shù)據(jù)預(yù)處理、水產(chǎn)動物目標(biāo)識別、水產(chǎn)動物目標(biāo)跟蹤等技術(shù)研究進(jìn)展，并重點對其在海洋漁業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了詳細(xì)的描述。董金耐等［5］對水下光學(xué)目標(biāo)檢測圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行了總結(jié)與分析，以Faster RCNN和YOLO-v3為基礎(chǔ)對兩種典型的提高目標(biāo)檢測性能的方法進(jìn)行了實驗驗證。然而，針對基于深度學(xué)習(xí)的水下生物目標(biāo)檢測方法的綜述十分匱乏，不利于該領(lǐng)域的科學(xué)研究及工程應(yīng)用。基于此，本文對基于深度學(xué)習(xí)的水下生物目標(biāo)檢測方法進(jìn)行歸納和總結(jié)，梳理了基于深度學(xué)習(xí)的水下生物目標(biāo)檢測方法的優(yōu)化策略，并對比分析了優(yōu)化策略的優(yōu)勢與不足，最后對研究趨勢進(jìn)行了展望，并提出了今后的研究方向和重點。

1 數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)是基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)，ImageNet LSVRC（large scale visual recognition challenge）、PASCAL VOC（pascal visual object classes）、MS COCO（Microsoft common objects in context）等大規(guī)模開源數(shù)據(jù)庫的出現(xiàn)極大推動了相關(guān)算法的發(fā)展，并成為領(lǐng)域內(nèi)相關(guān)算法性能測試的基準(zhǔn)。在水下生物目標(biāo)識別領(lǐng)域，大多數(shù)研究都是根據(jù)研究任務(wù)構(gòu)建的小型數(shù)據(jù)集，缺乏大規(guī)模、高質(zhì)量標(biāo)注的開源數(shù)據(jù)集，一定程度上制約了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。學(xué)者們在構(gòu)建開源數(shù)據(jù)集方面進(jìn)行了一系列的嘗試，如表1所示。相關(guān)數(shù)據(jù)集的圖例如圖1所示。

2 基于兩階段的水下生物目標(biāo)檢測方法

兩階段的目標(biāo)檢測方法將檢測問題劃分為兩個階段：首先產(chǎn)生候選區(qū)域，其次進(jìn)行分類與預(yù)測位置的微調(diào)。這種檢測方法在檢測準(zhǔn)確率和定位精度上優(yōu)于單階段的目標(biāo)檢測方法。Girshick等［14］2013年提出了R-CNN算法，開創(chuàng)性地使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)目標(biāo)檢測任務(wù)，此算法也是兩階段目標(biāo)檢測算法的開篇之作。Girshick等［15］、Ren等［16］在其基礎(chǔ)之上相繼提出了Fast R-CNN、Faster R-CNN算法，形成了R-CNN系列算法。當(dāng)前，基于兩階段的水下生物目標(biāo)檢測仍屬于新興領(lǐng)域，大多數(shù)研究者仍聚焦于對Faster R-CNN等經(jīng)典算法的改進(jìn)。

袁紅春等［17］提出了一種基于Faster R-CNN二次遷移學(xué)習(xí)和帶色彩恢復(fù)的多尺度視網(wǎng)膜增強(qiáng)算法的方法。首先通過ImageNet預(yù)訓(xùn)練模型對Open Images高清魚類數(shù)據(jù)集進(jìn)行一次遷移學(xué)習(xí)初步訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，然后固定檢測模型低3層的卷積網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，再用水下拍攝的小規(guī)模魚類數(shù)據(jù)集進(jìn)行二次遷移學(xué)習(xí)微調(diào)網(wǎng)絡(luò)，最后通過MSRCR（multi-scale retinex with color restoration）算法對水下拍攝的圖像進(jìn)行處理以增強(qiáng)其與高清魚類圖像的相似性，解決水下圖像降質(zhì)問題。結(jié)果表明，該方法利用小規(guī)模水下拍攝魚類數(shù)據(jù)集訓(xùn)練出的網(wǎng)絡(luò)查準(zhǔn)率可達(dá)到98.12%。

Liu等［18］在Faster R-CNN算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多處改進(jìn)。首先將骨干網(wǎng)絡(luò)替換為Transformer結(jié)構(gòu)，其次添加了路徑聚合網(wǎng)絡(luò)，使得深、淺層特征圖更好地疊加和融合，然后使用在線困難樣本挖掘技術(shù)平衡難易樣本數(shù)量，最終使用感興趣區(qū)域?qū)R替換感興趣區(qū)域池化，增加定位精度。相關(guān)改進(jìn)在URPC2018數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實驗驗證，平均準(zhǔn)確率達(dá)到80.54%。

Lin等［19］提出了一種適用于Faster R-CNN系列算法的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法RoIMix。RoIMix創(chuàng)新性地將多張圖片中提取的感興趣區(qū)域進(jìn)行融合，以模擬水下生物的重疊和遮擋，從而使得模型能夠更好地檢測密集物體。相關(guān)方法在URPC2018數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實驗驗證，平均準(zhǔn)確率在Faster R-CNN算法73.74%的基礎(chǔ)上提升到74.92%。此外，相關(guān)方法也在PASCAL VOC（07+12）數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了訓(xùn)練，在VOC 2007測試集上進(jìn)行了測試，平均準(zhǔn)確率在Faster R-CNN算法80.0%的基礎(chǔ)上提升到80.8%。與URPC2018數(shù)據(jù)集上的實驗結(jié)果相比，相關(guān)方法在PASCAL VOC（07+12）數(shù)據(jù)集上的效果并不明顯。顯然，RoIMix更適用于具備重疊、遮擋和模糊特征的URPC2018數(shù)據(jù)集。

Shi等［20］在Faster R-CNN算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了多處改進(jìn)，將骨干網(wǎng)絡(luò)從VGG替換為ResNet（residual neural network），引入Bi-FPN（feature pyramid network）結(jié)構(gòu)以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)模型的特征提取能力和多尺度特征融合能力，使用EIoU（efficient intersection over union）替換原有的IoU（Intersection over Union），將K-means++聚類算法應(yīng)用于錨框生成，替代原有的默認(rèn)錨框。相關(guān)改進(jìn)在URPC2018數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實驗驗證，平均準(zhǔn)確率達(dá)到88.94%，優(yōu)于Faster-RCNN算法的80.68%及YOLO-v4算法的71.36%。

上述方法在Faster R-CNN模型基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法歸納總結(jié)如表2所示。

3 基于單階段的水下生物目標(biāo)檢測方法

單階段的目標(biāo)檢測方法不需要產(chǎn)生候選區(qū)域，直接將檢測問題轉(zhuǎn)化為端到端的回歸問題，與兩階段的目標(biāo)檢測方法相比，在檢測速度上有較大的優(yōu)勢，能夠更好地應(yīng)用于水下機(jī)器人等智能化設(shè)備的水下生物目標(biāo)檢測。單階段的目標(biāo)檢測方法主要是YOLO系列算法等［21-24］。單階段目標(biāo)檢測算法因為良好的性能和較高的精度，在水下生物目標(biāo)檢測領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

Wang等［25］對YOLO-v2算法進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，以用于魚類圖像的快速分類和識別。首先，將模型最后一個卷積層的網(wǎng)格數(shù)從7×7更改為9×9，提升對小型魚類目標(biāo)的檢測效果。其次，根據(jù)實際的應(yīng)用場景，大幅減少了模型最后一個卷積層的過濾器數(shù)量。使用Kaggle-NCFM數(shù)據(jù)集進(jìn)行了實驗驗證。相關(guān)算法的平均準(zhǔn)確率達(dá)到91.2%，檢測速度達(dá)到28.3 幀/s，能夠滿足對漁船捕撈的海洋生物種類進(jìn)行實時檢測和分類的需求。

Muksit等［26］對YOLO-v3算法進(jìn)行了加強(qiáng)。首先，通過對上采樣步長大小的改進(jìn)，減少了對于小尺寸魚類目標(biāo)的誤檢（YOLO-Fish-1）。其次，在YOLO-Fish-1的基礎(chǔ)上，通過增加空間金字塔池化，進(jìn)一步增強(qiáng)了模型在動態(tài)環(huán)境中檢測魚類外觀的能力（YOLO-Fish-2）。相關(guān)算法在基于DeepFish和OzFish數(shù)據(jù)集基礎(chǔ)上的自定義數(shù)據(jù)集進(jìn)行了實驗驗證，YOLO-Fish-1和YOLO-Fish-2分別取得了76.56%和75.70%的平均準(zhǔn)確率，與YOLO-v4算法水平相當(dāng)。

Chen等［27］在YOLO-v4算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)。首先，通過殘差塊與通道注意力機(jī)制相結(jié)合，對YOLO-v4骨干網(wǎng)絡(luò)CSPDarknet53（cross stage partial network darknet53）的特征提取能力進(jìn)行增強(qiáng)，以獲得加權(quán)多尺度特征。其次，通過特征金字塔對加權(quán)多尺度特征進(jìn)行反復(fù)的提取，以分離出最顯著的加權(quán)多尺度特征。最后，將最顯著的加權(quán)多尺度特征用于水下生物檢測。相關(guān)算法在Brackish數(shù)據(jù)集進(jìn)行了實驗驗證，與YOLO-v4算法相比平均精度提升了5.03%，檢測速度達(dá)到15 幀/s。

Isa等［28］重點對YOLO-v5算法的優(yōu)化器進(jìn)行了參數(shù)優(yōu)化。通過優(yōu)化算法對學(xué)習(xí)率及動量等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到的優(yōu)化模型在Brackish數(shù)據(jù)集上的平均準(zhǔn)確率達(dá)到了98.6%，檢測速度達(dá)到

106 幀/s。

Zhai等［29］在YOLO-v5s算法的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，以用于水下海參的識別。首先，使用帶色彩恢復(fù)的多尺度視網(wǎng)膜增強(qiáng)算法對圖像進(jìn)行預(yù)處理。其次，引入了卷積注意力模塊，并在YOLO-v5s的頭部網(wǎng)絡(luò)中添加了檢測層。最后，在自定義數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實驗驗證。實驗結(jié)果表明，改進(jìn)算法較YOLO-v5s算法在精度和召回率上分別提升了9%和11.5%。

Lei等［30］在YOLO-v5s模型的基礎(chǔ)上進(jìn)行三方面的改進(jìn)。將骨干網(wǎng)絡(luò)替換為Swin Transformer，改進(jìn)了多分辨率特征融合方法，并改進(jìn)了置信損失函數(shù)。在URPC數(shù)據(jù)集的基礎(chǔ)上，制作了包含海參、海膽、扇貝、海星等4類生物，總共6 034張圖片的自定義數(shù)據(jù)集。結(jié)果表明，改進(jìn)的YOLO-v5s模型的平均準(zhǔn)確率達(dá)到了87.2%，優(yōu)于SSD、YOLO-v4、YOLO-v5s和YOLO-v5x。

上述方法在YOLO模型基礎(chǔ)上的改進(jìn)方法歸納總結(jié)如表3所示。

4 基于深度學(xué)習(xí)的水下生物目標(biāo)檢測改進(jìn)策略

針對水下生物目標(biāo)檢測中常見的重疊與遮擋、小目標(biāo)檢測、成像模糊等問題，學(xué)者們在數(shù)據(jù)增強(qiáng)、框架結(jié)構(gòu)改進(jìn)、樣本平衡、錨框優(yōu)化等方面提出了相應(yīng)的改進(jìn)策略，以提升水下生物目標(biāo)檢測方法的整體性能，如表4所示。

5 總結(jié)與展望

本文綜合分析了當(dāng)前各種深度學(xué)習(xí)方法在水下生物目標(biāo)檢測中的應(yīng)用情況，對水下生物目標(biāo)檢測數(shù)據(jù)集及檢測方法進(jìn)行了綜述。希望能夠為研究人員提供資料性的參考依據(jù)以及研究思路和方法，促進(jìn)相關(guān)檢測方法的推廣和應(yīng)用。結(jié)合現(xiàn)有的研究現(xiàn)狀，基于深度學(xué)習(xí)的水下生物目標(biāo)檢測方法在以下三個方面亟待開展更深入的研究工作：

（1）構(gòu)建大規(guī)模、高質(zhì)量標(biāo)注的開源數(shù)據(jù)集。在水下生物目標(biāo)檢測領(lǐng)域，大多數(shù)研究都是根據(jù)研究任務(wù)構(gòu)建的小型數(shù)據(jù)集，缺乏大規(guī)模、高質(zhì)量標(biāo)注的開源數(shù)據(jù)集，一定程度上制約了相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。

（2）引入語義分割促進(jìn)目標(biāo)檢測性能。語義分割通常需要像素級別標(biāo)注的圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，在完成語義分割的同時提升分類及定位的精度。此外，分割任務(wù)可作為僅在訓(xùn)練階段使用的額外分支引入到原有的檢測算法中，并使用分割損失、檢測損失的多任務(wù)損失函數(shù)來訓(xùn)練模型。

（3）基于半監(jiān)督或弱監(jiān)督學(xué)習(xí)的水下生物目標(biāo)檢測。在半監(jiān)督或弱監(jiān)督學(xué)習(xí)中，通過弱標(biāo)注信息對模型進(jìn)行訓(xùn)練，讓模型學(xué)習(xí)到有效的水下生物特征，減少數(shù)據(jù)標(biāo)注的人工工作量。

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