安全帽與反光衣的輕量化檢測：改進(jìn)YOLOv5s的算法

張學(xué)立，賈新春，王美剛，智瀚宇

山西大學(xué) 自動化與軟件學(xué)院，太原 030013

分析近年來施工安全事故數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)近90%的事故是由于違章作業(yè)造成的，其中因未佩戴安全帽和反光衣而引發(fā)的事故尤為常見[1]。安全帽與反光衣在工業(yè)生產(chǎn)和交通作業(yè)中能起到預(yù)防安全事故的重要作用，被廣泛地用于工地、鋼鐵、機(jī)械和造船等制造業(yè)，交通運(yùn)輸和戶外作業(yè)等場景中，是工作人員的安全保障。目前，在安全管理中依然采用傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和人工監(jiān)督，存在不能實(shí)時檢測，檢測效果低，而且成本高等問題。為了解決工業(yè)生產(chǎn)和交通中存在的安全問題，并且實(shí)現(xiàn)智能化的管理，對安全帽和反光衣進(jìn)行實(shí)時檢測顯得尤為重要。

隨著近幾年深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和GPU計(jì)算能力的發(fā)展，目標(biāo)檢測被廣泛應(yīng)用于智慧農(nóng)業(yè)、人臉識別、自動駕駛等領(lǐng)域[2]。如果將目標(biāo)檢測技術(shù)應(yīng)用到安全帽和反光衣的檢測中，可以有效降低安全事故的發(fā)生、人工成本，并且減少安全事故給企業(yè)和社會帶來的巨大損失?，F(xiàn)階段目標(biāo)檢測算法可以分為兩個主流方向，一類是基于回歸策略的單步檢測算法，如RetinaNet 算法[3]、YOLO系列算法[4-7]和SSD算法[8]類。此類算法的核心理論是將圖像輸入模型，直接返回目標(biāo)的邊界錨框、位置、類別信息。另一類是兩步檢測算法，主要有R-CNN[9-11]系列，這類算法先定位物體區(qū)域，再對區(qū)域進(jìn)行分類。目前，國內(nèi)外有許多學(xué)者對安全帽與反光衣進(jìn)行了相關(guān)研究。Wang等人[12]提出了一種基于改進(jìn)YOLOv3的安全帽和防護(hù)服檢測算法，調(diào)整了錨框的尺寸增強(qiáng)安全帽和防護(hù)服的檢測能力。Song 等人[13]將多目標(biāo)跟蹤算法DeepSort和YOLOv5相結(jié)合，在小目標(biāo)與密集目標(biāo)的環(huán)境下，提高了對安全帽的檢測速度與檢測準(zhǔn)確率。Jin等人[14]在YOLOv5s 骨干網(wǎng)中加入DWCA 注意力機(jī)制，加強(qiáng)了特征學(xué)習(xí)，提高了對安全帽的檢測準(zhǔn)確率。Zhang等人[15]在YOLOv5s 中增加了一層檢測頭，提高了模型對小目標(biāo)的識別能力。Sun 等人[16]在YOLOv5s 中加入MCA 注意力機(jī)制來降低頭盔小物體的漏檢率，提高檢測精度。并使用通道剪枝策略對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行壓縮。程換新等人[17]提出了一種基于改進(jìn)YOLOX的安全帽反光衣檢測算法，將BiFPN 模塊替換原加強(qiáng)特征提取網(wǎng)絡(luò)，并且使用Mosaic 方法訓(xùn)練，提高網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜場景下的檢測能力。

上述檢測方法雖然一定程度上提高了對安全帽與反光衣的檢測精度，但沒有改變檢測算法復(fù)雜、計(jì)算量大，對硬件設(shè)備要求高等問題，而且大多算法只是單一地對安全帽的檢測，忽略了對反光衣的識別，應(yīng)用范圍小。針對目前安全帽和反光衣檢測算法存在的問題，本文提出基于改進(jìn)YOLOv5s的輕量化檢測算法。在自制數(shù)據(jù)集上進(jìn)行訓(xùn)練，并且效果良好。在原有YOLOv5s的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上，引入Ghost_conv 代替原有的卷積模塊，極大地減少了模型參數(shù)與計(jì)算量；在網(wǎng)絡(luò)中增加了CA注意力機(jī)制模塊提高了檢測算法對感興趣區(qū)域的特征提??；使用C3CBAM 模塊代替部分C3 模塊，在不提高模型復(fù)雜度的情況下，保持了檢測精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所改進(jìn)的YOLOv5s 檢測算法在保證檢測準(zhǔn)確性的情況下，實(shí)現(xiàn)了模型的輕量化。

1 YOLOv5檢測算法

YOLOv5 是YOLO 算法檢測算法的第5 代版本，YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 YOLOv5s network structure

其中根據(jù)網(wǎng)絡(luò)深度和寬度的不同，可以分為YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l、YOLOv5x。YOLOv5s 網(wǎng)絡(luò)主要由3 部分構(gòu)成，Backbone（骨干網(wǎng)）、Neck（頸部）和Head（檢測頭）構(gòu)成。其中Backbone由CBS（Conv+BN+SiLU）、C3 模塊和快速空間金字塔池化SPPF（spatial pyramid pooling-fast）構(gòu)成，主要用于提取圖像特征；Neck由特征金字塔FPN（feature pyramid network）+路徑聚合網(wǎng)絡(luò)PAN（perceptual adversarial network）構(gòu)成，主要進(jìn)行特征融合；Head對圖像進(jìn)行最終的預(yù)測。

2 YOLOv5s算法優(yōu)化

2.1 Ghost模塊的引入

在實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境中，YOLOv5s 網(wǎng)絡(luò)模型性能容易受到硬件內(nèi)存與計(jì)算量的影響。為了適應(yīng)移動與嵌入型設(shè)備，引入了GhostNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以降低模型復(fù)雜度。GhostNet[18]是一種輕量化的網(wǎng)絡(luò)，與傳統(tǒng)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比，GhostNet 在不調(diào)整輸出特征圖的情況下具有更少的參數(shù)和更低的計(jì)算量。GhostNet 網(wǎng)絡(luò)主要由Ghost模塊構(gòu)成。

Ghost模塊[19]將傳統(tǒng)的卷積與簡單的線性運(yùn)算相結(jié)合，利用了特征提取與特征圖冗余的關(guān)系。

在網(wǎng)絡(luò)中Ghost 模塊代替了傳統(tǒng)了卷積過程，先對特征圖進(jìn)行普通卷積操作，進(jìn)行通道壓縮，然后進(jìn)行線性變換獲得更多的特征圖，然后將得到的特征圖進(jìn)行拼接操作，得到最終的特征圖[20]，結(jié)果如圖2所示，其中Φ表示線性變換。普通卷積浮點(diǎn)計(jì)算量FLOPs的公式如下：

圖2 Ghost模塊Fig.2 Ghost module

Ghost模塊的浮點(diǎn)計(jì)算量FLOPs公式如下：

式中，n為輸出通道的數(shù)量；h′輸出特征的高度；w′為輸出特征的寬度；c為輸入通道的數(shù)量；g為卷積核大小；s為Ghost模塊中生成的特征圖數(shù)量；d為線性操作卷積核的大小。

其中，s?c，由計(jì)算可得知，普通卷積的計(jì)算量大約為Ghost 模塊計(jì)算量的s倍。GhostBottleNeck（圖3）中第一個Ghost 模塊用于增加通道數(shù)目，第二個Ghost 模塊用于減少通道數(shù)目，使其與輸入通道數(shù)目相同。將C3模塊與GhostBottleNeck結(jié)合，得到C3Ghost模塊（圖4），降低了模型的參數(shù)量與計(jì)算量。

圖3 GhostBottleNeck模塊Fig.3 GhostBottleNeck module

圖4 C3Ghost模塊Fig.4 C3Ghost module

2.2 CA注意力機(jī)制的引入

注意力機(jī)制可以忽略不重要的信息，獲得特征圖中重要的屬性，從而提高檢測性能。這種機(jī)制能夠通過學(xué)習(xí)全局信息來選擇性地強(qiáng)調(diào)信息豐富的特征并抑制無用的特征。在工業(yè)生產(chǎn)和交通作業(yè)，周圍環(huán)境復(fù)雜多變，為了使網(wǎng)絡(luò)更能關(guān)注到安全帽與反光衣，忽略背景信息，引入了CA注意力機(jī)制。

CA（coordinate attention）[21]是一種輕量化的注意力機(jī)制模塊（圖5），可以使模型更加準(zhǔn)確地定位和識別感興趣的區(qū)域。將通道注意力分解為兩個1 維特征編碼過程，分別沿2 個空間方向?qū)μ卣鬟M(jìn)行聚合。這樣，既可以沿空間方向捕獲遠(yuǎn)程依賴關(guān)系，同時可以沿另一空間方向保留具體的位置信息，減輕由2D 全局池化引起的位置信息丟失[22]。然后將生成的特征圖分別編碼為一對方向感知和位置敏感的特征圖，可以將其互補(bǔ)地應(yīng)用于輸入特征圖，以增強(qiáng)關(guān)注對象的表示。不僅捕獲跨通道信息，還捕獲方向感知和位置敏感信息，這有助于模型更準(zhǔn)確地定位和識別感興趣的對象[23]。

圖5 CA注意力機(jī)制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.5 CA attention mechanism network structure

2.3 C3CBAM引入

CBAM[24]（convolutional block attention module）是一個輕量級的通用模塊（圖6），它可以無縫集成到任何CNN架構(gòu)中，計(jì)算量低，它由通道和空間的注意力機(jī)制模塊構(gòu)成[25]。CBAM 包含CAM（channel attention module）和SAM（spartial attention module）兩個子模塊，分別在通道和空間上，找到感興趣的區(qū)域，這樣既減少了參數(shù)量又降低了計(jì)算量，并且可以嵌入任意的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中去。

圖6 CBAM注意力機(jī)制模塊Fig.6 CBAM attention mechanism module

本文將CBAM 與YOLOv5s 中的BottleNeck 模塊相結(jié)合，構(gòu)成了CBAMBotteNeck（圖7），代替C3 中的BotteNeck，構(gòu)成C3CBAM，既減少了參數(shù)量，又維持了一定的特征提取能力。

圖7 CBAMBottleNeck模塊Fig.7 CBAMBottleNeck model

2.4 改進(jìn)后的YOLOv5s網(wǎng)絡(luò)模型

改進(jìn)后的YOLOv5s 網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)如圖8 所示，網(wǎng)絡(luò)的Backone 層和Neck 層中使用Ghost 模塊來代替?zhèn)鹘y(tǒng)卷積層，極大地降低了模型復(fù)雜度，減小了計(jì)算量。并且使用C3Ghost代替了主干網(wǎng)絡(luò)中的C3模塊。在網(wǎng)絡(luò)模型中添加6個CA（coordinate attention）注意力機(jī)制模塊，在不增加過多參數(shù)量的情況下，增強(qiáng)對了對感興趣特征圖區(qū)域的定位與識別，提高了識別精度。C3CBAM模塊替代了Neck層的C3模塊，在保持了對特征提取的同時，減少了參數(shù)量。

圖8 改進(jìn)后的YOLOv5s模型Fig.8 Improved YOLOv5s model

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

實(shí)驗(yàn)CPU為Intel?Xeon?Gold 6230R @ 2.10 GHz，GPU 為NVIDIA Quadro RTX8000，顯存為48 GB，ubuntu20.04 系統(tǒng)。使用Pytorch1.9.0 版本，編程語言python3.8.0，CUDA 版本為10.2。訓(xùn)練超參數(shù)設(shè)置為表1。共訓(xùn)練300 Epoch，批次大小設(shè)置為32，未添加預(yù)訓(xùn)練權(quán)重。

表1 超參數(shù)設(shè)置Table 1 Hyperparameter setting

3.2 數(shù)據(jù)集介紹

本文使用自己從網(wǎng)絡(luò)上收集的圖片，有三種圖片類型，分別為安全帽、反光衣和其他類衣服，共1 083 張。為了增加樣本數(shù)量，對圖像進(jìn)行了隨機(jī)翻轉(zhuǎn)和加噪等操作，數(shù)據(jù)集圖像增加到5 415張，并使用labelImg對數(shù)據(jù)集中的圖像進(jìn)行了標(biāo)注。其中訓(xùn)練集和測試集的比例為8∶2（訓(xùn)練集4 332張、測試集1 083張）。

3.3 評價(jià)指標(biāo)

本文的評價(jià)指標(biāo)主要有平均精度mAP（mean average precision）、參數(shù)量、浮點(diǎn)計(jì)算量FLOPs和模型大小。

式中，TP（true positive）表示正樣本被分類為正樣本；FP（false positive）表示負(fù)樣本被分類為正樣本；FN（false negative）表示正樣本被分類為負(fù)樣本。N表示樣本類別。P（precision）表示精確率，R（recall）表示召回率，AP（average precision）表示某個類比的平均精度。參數(shù)量與計(jì)算量FLOPs來衡量模型的復(fù)雜程度。

3.4 消融實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證本文所提出模型算法有效性，在自制數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了消融實(shí)驗(yàn)如表2 所示。在加入Ghost 模塊后YOLOv5s的參數(shù)量下降了3.33×106、計(jì)算量下降了7.8 GFLOPs、模型大小降低了6.28%，但mAP 值也下降了1.7 個百分點(diǎn)。在YOLOv5s 中單獨(dú)加入CA 模塊后，在保持參數(shù)量和計(jì)算量幾乎不變的情況下，mAP值提升了0.5個百分點(diǎn)。單獨(dú)加入C3CBAM模塊后，模型mAP值降低了0.9 個百分點(diǎn)，參數(shù)量降低了0.5×106。從表2的對比中可以看出，Ghost 模塊可以大幅度降低模型的復(fù)雜程度，但同時影響了模型的平均精度。加入CA模塊雖然能提高mAP 值，但同時也略微增加了模型復(fù)雜程度。C3CBAM 也降低了模型的復(fù)雜程度，同時保持了一定的mAP 值。本文將3 種模塊與YOLOv5s 相結(jié)合，mAP 值達(dá)到93.6%，參數(shù)量為4.28×106，計(jì)算量為9.2 GFLOPs，模型大小為8.58 MB。與原始的YOLOv5s模型相比較，參數(shù)量下降了39%，計(jì)算量降低了41.7%，模型大小降低了37.3%，而模型的mAP值略高于原來的YOLOv5s檢測算法。

表2 消融實(shí)驗(yàn)Table 2 Ablation experiment

3.5 對比實(shí)驗(yàn)

P-R 曲線代表Precision（精度率）與Recal（l召回率）之間的關(guān)系。橫坐標(biāo)為召回率，縱坐標(biāo)為精確率。

P-R曲線與坐標(biāo)軸圍成的面積為此種類型的AP，所以曲線越靠近右上方，AP 越大，算法性能越好。如圖9所示三條細(xì)線分別代表安全帽、反光衣和其他類衣服，藍(lán)色實(shí)線為三種類別的平均精度mAP。可以看出，所有曲線都非?？拷疑辖?，圍成面積占到90%以上。

圖9 P-R曲線Fig.9 Precision-Recall curve

圖10為算法的mAP曲線，共迭代300輪，當(dāng)訓(xùn)練到50 Epoch 時，算法的平均精度已經(jīng)達(dá)到0.8 以上，收斂塊。訓(xùn)練到120 Epoch，平均精度已經(jīng)達(dá)到0.9，算法的平均精度高。

圖10 改進(jìn)YOLOv5s mAP曲線Fig.10 Improved YOLOv5s mAP Curve

在自制數(shù)據(jù)集上，對安全帽，反光衣和其他類衣服，使用YOLOv5s 與改進(jìn)后的YOLOv5s 檢測算法對目標(biāo)進(jìn)行識別對比，結(jié)果如圖11所示。從六張圖可以看出，對于安全帽的識別，改進(jìn)前和改進(jìn)后置信度相似，但對于反光衣和其他類衣服的檢測，改進(jìn)后的檢測算法得到的置信度略高于改進(jìn)后，展示了所改進(jìn)算法的實(shí)用性。

圖11 檢測對比Fig.11 Detection and comparison

為了更進(jìn)一步展示所提出算法的優(yōu)異性，將本文所改進(jìn)的檢測算法與YOLO系列的輕量級模型YOLOv3-Tiny、YOLOv4-Tiny 和YOLOv7-tiny 相比較，同時也和經(jīng)典YOLO 檢測算法YOLOv3、YOLOv4 和YOLOv7 相比較，結(jié)果如表3 所示。YOLOv4-Tiny 的mAP 值僅為65.99%，模型大小為22.49 MB 與改進(jìn)后的YOLOv5s 模型有較大差距。YOLOv3-Tiny 的mAP 值為86%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于YOLOv5s的平均檢測精度。YOLOv7-tiny的mAP值為92.0%，參數(shù)量為6.01×106，性能表現(xiàn)良好，但并未超越改進(jìn)后YOLOv5 的效果。改進(jìn)后的YOLOv5s 的mAP達(dá)到93.6%，而且模型的復(fù)雜程度也小于其他輕量級模型。而YOLOv3 檢測算法的mAP 值雖然達(dá)到93.7%與改進(jìn)后的算法相接近，但其模型參數(shù)量達(dá)到61.5×106，計(jì)算量為154.6 GFLOPs，相較于輕量級算法過大。YOLOv4的模型復(fù)雜度也相對較高，而且在自制數(shù)據(jù)集的上檢測精度也過低，僅為61.2%。YOLOv7 的mAP 值略高于改進(jìn)后的YOLOv5s，但其模型復(fù)雜，不符合輕量化。YOLOv7-tiny、YOLOv3-tiny 與YOLOv4-tiny模型的每幀推理時間分別為2.0 ms、2.9 ms與3.1 ms，檢測速度較快。改進(jìn)后的YOLOv5 的每幀推理時間5.3 ms與原始YOLOv5s 相近，但比YOLOv3、YOLOv4、YOLOv7檢測算法更快。綜合比較后，可以看出改進(jìn)后模型的性能明顯優(yōu)于其他網(wǎng)絡(luò)模型。

表3 對比實(shí)驗(yàn)Table 3 Contrast experiment

4 結(jié)論

本文針對安全帽與反光衣提出了一種改進(jìn)的輕量化YOLOv5s檢測算法。使用Ghost模塊替換了YOLOv5s中的卷積，極大程度地減少了模型的參數(shù)量和浮點(diǎn)計(jì)算量。同時加入了CA注意力機(jī)制，并且用C3CBAM模塊替換了網(wǎng)絡(luò)中原來的C3模塊，維持了算法原本mAP值。通過消融實(shí)驗(yàn)對比，展示了改進(jìn)各模塊的優(yōu)點(diǎn)。最后與其他輕量級算法相比較，改進(jìn)后檢測算法的各項(xiàng)指標(biāo)表現(xiàn)優(yōu)異，符合模型輕量化要求，更適合在移動設(shè)備和嵌入式中使用。