基于YOLOv5算法的鋼材表面缺陷檢測(cè)方法研究

楊碩

蘇交科集團(tuán)檢測(cè)認(rèn)證有限公司 江蘇 南京 211112

在我國(guó)制造業(yè)中，鋼材生產(chǎn)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)，而鋼材表面缺陷檢測(cè)是決定鋼材質(zhì)量的重要因素。在實(shí)際生產(chǎn)中，由于鋼材表面存在不同程度的銹蝕、劃痕、壓痕、凹陷等缺陷，導(dǎo)致鋼材表面檢測(cè)過程中的缺陷圖像分辨率低、特征不明顯、種類較多且變化大，傳統(tǒng)的人工檢測(cè)存在效率低、準(zhǔn)確率低、檢測(cè)結(jié)果不直觀等問題。

1 YOLOv5目標(biāo)檢測(cè)算法

1.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

YOLOv5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)包括Neck特征融合、輸入端、YOLO檢測(cè)頭、Backbone骨干網(wǎng)絡(luò)，其中輸入端基本操作是對(duì)圖片進(jìn)行裁剪處理，將圖片拼接為指定分辨率的圖像；Backbone骨干網(wǎng)絡(luò)主要對(duì)圖片進(jìn)行切片處理，將3通道分為為12通道，然后經(jīng)過32個(gè)卷積層，將圖片轉(zhuǎn)換為32通道，擴(kuò)增圖片通道能夠增加基礎(chǔ)的深度和網(wǎng)絡(luò)寬度，有利于減少參數(shù)和降低計(jì)算難度，提高算法運(yùn)行效率；Neck由路徑聚合網(wǎng)絡(luò)和特征金字塔組成，其主要用于獲取圖片特征信息[1-2]；YOLO檢測(cè)頭針對(duì)檢測(cè)目標(biāo)產(chǎn)生檢測(cè)層，每個(gè)檢測(cè)層均有3個(gè)錨框?qū)D片進(jìn)行檢測(cè)，結(jié)果包括對(duì)象信息（obj）、定位信息（x,y,w,h）和類別信息（cls）。

1.2 檢測(cè)原理

YOLOv5算法檢測(cè)鋼材表面缺陷時(shí)，采用PAN特征融合獲取不同尺度檢測(cè)特征，并輸出S×S的特征網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)框。

1.3 損失函數(shù)

置信度損失計(jì)算公式如下：

分類損失計(jì)算公式如下：

定位損失融合了完全交并比，其考慮了真實(shí)框和預(yù)測(cè)框的重疊面積、長(zhǎng)寬比和中心點(diǎn)距離，計(jì)算公式如下：

2 YOLOv5算法改進(jìn)

2.1 Fuzzy C-means聚類anchor算法

YOLOv5算法聚類采用K-means算法，該算法屬于硬聚類算法，樣本點(diǎn)相似度的衡量通常采用歐氏距離，樣本點(diǎn)歐氏距離越大，樣本相似度越小，并且會(huì)將其歸為某種類型，具有“非此即彼”性質(zhì)，聚類精度相對(duì)較低[4]。而模糊c-均值聚類算法（fuzzy c-means algorithm,FCM）基于像素對(duì)彩色圖像進(jìn)行分割，可以進(jìn)一步提高聚類算法的穩(wěn)定性和速度。此外，該算法通過優(yōu)化樣本函數(shù)獲得其聚類隸屬度，該值越大樣本所屬類概率越大，聚類算法如下所示，其中m>1，該值主要用于控制聚類模糊度，通常情況下取值為2。

FCM聚類迭代更新終止條件如下：

迭代隸屬度無變化或者變化較小時(shí)，即達(dá)到最優(yōu)狀態(tài)。

2.2 引入多譜通道注意力機(jī)制

將注意機(jī)制引入到計(jì)算機(jī)視覺信息加工中，既能有效地利用有限的計(jì)算資源實(shí)現(xiàn)對(duì)重要對(duì)象的識(shí)別，又能滿足人類視覺認(rèn)知需求。多譜通道注意力，基于頻域信道注意力思想，將通道表征問題從一個(gè)新的視角進(jìn)行研究，將其作為頻率分析壓縮過程，在保證通道整體表達(dá)性能的前提下，對(duì)通道的信息進(jìn)行壓縮編碼[5]。

FcaNet注意力機(jī)制如上圖所示，首先從通道維度角度對(duì)輸入特征X進(jìn)行劃分，并將其表示為，其中其次對(duì)劃分的每個(gè)部分進(jìn)行離散余弦變換（DCT）頻率分量計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果獲取每個(gè)劃分部分邏輯變量（Freq）向量：

根據(jù)以上運(yùn)算結(jié)果，可以將多譜通道注意力框架改寫為式（13），由式（12）（13）可知，本文將全局平均池化方法進(jìn)行優(yōu)化，獲得多頻率分量框架，以此來豐富壓縮后的通道信息，并直觀的表達(dá)該信息。

2.3 引入解耦檢測(cè)頭

傳統(tǒng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)主要依賴單一檢測(cè)器預(yù)測(cè)目標(biāo)的位置和類別，然而這種方法存在一定的局限性，無法充分利用不同目標(biāo)之間的關(guān)聯(lián)信息。為了解決這個(gè)問題，本文采用了解耦檢測(cè)頭的策略。分離式檢測(cè)將目標(biāo)定位與類別預(yù)測(cè)分別劃分為兩個(gè)單獨(dú)的任務(wù)，并采用各自的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模塊執(zhí)行相應(yīng)功能。這樣的策略使得網(wǎng)絡(luò)更具適應(yīng)性，從而優(yōu)化了對(duì)目標(biāo)特征的識(shí)別能力，進(jìn)而提高了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和泛化性能。

具體來說，解耦檢測(cè)頭的構(gòu)成可以分為兩大主要部分：頭部位移與類別分離頭部。位置解耦頭主要負(fù)責(zé)預(yù)測(cè)目標(biāo)空間相關(guān)信息，包括邊界框坐標(biāo)和尺寸；而類別解耦頭的主要職責(zé)是預(yù)測(cè)目標(biāo)物體的類別，簡(jiǎn)而言之，它確定目標(biāo)物體所屬的類別。獨(dú)立處理這兩個(gè)任務(wù)有助于網(wǎng)絡(luò)更加專注地學(xué)習(xí)各個(gè)方面的特性，進(jìn)而提高整體的檢測(cè)效能。

此外，解耦檢測(cè)頭能夠巧妙地結(jié)合各類損失函數(shù)進(jìn)行優(yōu)化訓(xùn)練。在優(yōu)化解耦頭訓(xùn)練過程中，可采用平衡交叉熵?fù)p失函數(shù)，以確保各類樣本在訓(xùn)練過程中獲得同等的關(guān)注；而平滑 L1 損失函數(shù)適用于訓(xùn)練位置解耦模塊，以保證目標(biāo)位置的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)。通過運(yùn)用這種靈活的損失函數(shù)組合策略，能夠顯著增強(qiáng)模型的泛化能力和穩(wěn)定性。

在YOLOX算法中采用解耦頭可以進(jìn)一步提高算法檢測(cè)精度和收斂速度。而YOLOv5采用的耦合頭為回歸和分類任務(wù)不分離類型，在目標(biāo)檢測(cè)中回歸任務(wù)和分類任務(wù)存在沖突問題，而解耦檢測(cè)頭（Decoupled Head）突出在一個(gè)解字，就是把特征圖用不同的分支分開處理，

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集

以某大學(xué)發(fā)布的NEU-DET熱軋帶鋼表面數(shù)據(jù)集為例，獲取5種鋼材常見故障，包括劃痕、麻點(diǎn)、夾雜、斑塊和壓入氧化皮，以上缺陷均獲取300張尺寸為200×200的圖像。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集共1500張鋼材表面缺陷圖像，將所有圖像按照2:8比例劃分為測(cè)試集和訓(xùn)練集。

實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)采用ubuntu，軟件環(huán)境為CUDNN9.1和CUDA10.2；編程語言采用Python；開發(fā)框架采用PyTorch。

3.2 生成anchor實(shí)驗(yàn)

YOLOv5算法anchor框主要從COCO數(shù)據(jù)集中獲取，由于鋼材表面缺陷與COCO數(shù)據(jù)集的真實(shí)框存在一定差異，需要生成9組anchor，并進(jìn)行兩次聚類，因此設(shè)置YOLOv5算法聚類中心數(shù)為9，利用FCM生成9個(gè)anchor，最后取聚類中心和樣本點(diǎn)交并比最大值的均值作為聚類結(jié)果，

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

鋼材表面缺陷檢測(cè)通常采用平均精度均值（mAP）、精準(zhǔn)率（Pre）和召回率（Rec）等指標(biāo)評(píng)價(jià)算法性能。其中mAP主要衡量所有缺陷類別的平均精度；Pre用于描述正樣本在所有實(shí)驗(yàn)樣本中占據(jù)的比例；Rec用于描述正樣本在所有正樣本類別匯總占據(jù)的比例。計(jì)算公式如下：

實(shí)驗(yàn)采用mAP作為算法評(píng)價(jià)指標(biāo)，實(shí)驗(yàn)檢測(cè)結(jié)果如表1所示。

從表1中可以看出，在YOLOv5算法的基礎(chǔ)上，引入FCM算法后，剛才表面缺陷檢測(cè)精度mAP由0.80提升至0.82，提升幅度約為1.6個(gè)百分點(diǎn)，而在檢測(cè)速度方面基本無明顯的差異，這是因?yàn)樗惴ǖ木W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并未改變，引入FCM算法只能改變先驗(yàn)框聚類方式，并且FCM算法并未嵌入網(wǎng)絡(luò)將先驗(yàn)框加入訓(xùn)練中，不會(huì)增加算法參數(shù)量，因此缺陷檢測(cè)速度并無明顯變化；同時(shí)引入FCM和解耦頭的情況下，檢測(cè)精度mAP提升至0.83，但是檢測(cè)速度由一定程度下降。

與為改進(jìn)YOLOv5算法相比，引入FCM算法和解耦頭后，改進(jìn)YOLOv5算法在不同的缺陷檢測(cè)精度方面均有一定程度提升，尤其是在檢測(cè)結(jié)果精度較差的壓入氧化皮缺陷，改進(jìn)算法檢測(cè)精度可以達(dá)到73%，由此可見改進(jìn)后的YOLOv5算法檢測(cè)精度較高，可以滿足剛才表面缺陷檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求。

4 結(jié)論

針對(duì)鋼材表面缺陷檢測(cè)需求，提出了改進(jìn)YOLOv5算法，利用FCM算法代替原始算法中的K-means算法，并采用解耦檢測(cè)頭實(shí)現(xiàn)定位任務(wù)和分類任務(wù)的分離，使不同的任務(wù)進(jìn)入不同的卷積層，最后引入多譜通道注意力模塊，獲取更多的鋼材表面缺陷特征信息。仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文提出的改進(jìn)算法可以快速、準(zhǔn)確檢測(cè)出鋼材表面缺陷，尤其是在壓入氧化皮缺陷檢測(cè)方面，改進(jìn)后的算法檢測(cè)精度由一定幅度提升。