周雪珂 劉 暢 周 濱①

①(中國(guó)科學(xué)院大學(xué) 北京 100049)

②(中國(guó)科學(xué)院空天信息創(chuàng)新研究院 北京 100190)

1 引言

合成孔徑雷達(dá) (Synthetic Aperture Radar,SAR) 作為一種主動(dòng)式微波成像傳感器，利用脈沖壓縮技術(shù)改善距離分辨率，利用合成孔徑原理改善方位分辨率，具有全天時(shí)、全天候進(jìn)行高分辨率雷達(dá)成像觀測(cè)能力[1,2]。SAR成像技術(shù)的日益成熟，對(duì)SAR圖像中船舶目標(biāo)檢測(cè)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性也有了更高的要求[3]。

傳統(tǒng)的SAR船舶檢測(cè)方法一般采用多個(gè)步驟，從圖像預(yù)處理，海陸分割，再到候選區(qū)域提取，最后進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)和鑒別[4]。然而這種方法往往針對(duì)不同的場(chǎng)景問(wèn)題就需要設(shè)計(jì)具體的解決方案，具有泛化性差的問(wèn)題，檢測(cè)精度也較差。

近些年，深度學(xué)習(xí)技術(shù)以其強(qiáng)大的特征表達(dá)能力和自主的學(xué)習(xí)能力在各個(gè)領(lǐng)域都得到了廣泛的應(yīng)用。基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法具有很多的優(yōu)點(diǎn)[5]。深度學(xué)習(xí)算法充分體現(xiàn)了端到端的檢測(cè)思想，整個(gè)過(guò)程幾乎不需要人為干預(yù)和人為假設(shè)。因其適應(yīng)性好，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法針對(duì)光學(xué)圖像、SAR圖像，或者針對(duì)飛機(jī)、車輛、船舶等不同目標(biāo)只通過(guò)變更樣本重新訓(xùn)練即可，不需要修改網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和構(gòu)建新特征。而且其適應(yīng)性強(qiáng)，深度學(xué)習(xí)技術(shù)在進(jìn)行船舶檢測(cè)時(shí)不用區(qū)分遠(yuǎn)海近岸目標(biāo)，網(wǎng)絡(luò)可以自主學(xué)習(xí)目標(biāo)的深度特征。

2014年，Girshick等人[6]開(kāi)創(chuàng)性地提出一種基于區(qū)域的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法(Region-based CNN features，R-CNN)，實(shí)現(xiàn)了在對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的同時(shí)進(jìn)行識(shí)別。此算法在該領(lǐng)域引起了廣泛的關(guān)注，也涌現(xiàn)了很多有效的改進(jìn)算法，比如Fast R-CNN[7],Faster R-CNN[8],YOLO (You Only Look Once)[9],SSD (Single Shot multibox Detector)[10]。Fast RCNN在R-CNN的基礎(chǔ)上通過(guò)固定單一尺寸的卷積特征圖進(jìn)行網(wǎng)格劃分和池化，提高了計(jì)算速度。Faster R-CNN進(jìn)一步引入?yún)^(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)(Region Proposal Network,RPN)，通過(guò)RPN與Fast R-CNN共享特征提取網(wǎng)絡(luò)，并進(jìn)行位置回歸，以提高目標(biāo)檢測(cè)的精度與速率。與R-CNN這些雙階段檢測(cè)器不同，Redmon等人[9]提出了一種單階段目標(biāo)檢測(cè)算法，稱為YOLO，該算法將檢測(cè)問(wèn)題簡(jiǎn)化為分類回歸，提升了檢測(cè)速度，但也降低了檢測(cè)的精準(zhǔn)性。在此基礎(chǔ)上，Liu等人[10]結(jié)合了Faster R-CNN的錨點(diǎn)機(jī)制與YOLO的回歸思想，提出了SSD目標(biāo)檢測(cè)算法，雖然在準(zhǔn)確度上有所提升，但對(duì)小目標(biāo)的檢測(cè)效果仍然較差。

鑒于Faster R-CNN的高檢測(cè)準(zhǔn)確度，不少學(xué)者已將其應(yīng)用到SAR圖像船舶檢測(cè)中。李健偉等人[11]基于Faster R-CNN，結(jié)合將候選區(qū)域提取的二值化賦范梯度方法，采用級(jí)聯(lián)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)以增加模型復(fù)雜度換取檢測(cè)精度的提升。2021年，李廣帥等人[12]基于Faster R-CNN通過(guò)設(shè)計(jì)不同尺寸卷積核增強(qiáng)對(duì)淺層特征的提取，但依舊是從增加特征提取網(wǎng)絡(luò)的卷積層數(shù)量出發(fā)，增加模型復(fù)雜度。Wang等人[13]通過(guò)在網(wǎng)絡(luò)中引入軟閾值注意模塊抑制SAR船舶圖像中的海雜波噪聲與陸地背景，實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其有效性與可行性。同時(shí)，基于檢測(cè)速度的提升，Zhang等人[14]進(jìn)行了深入的研究。2019年，Zhang等人[15]提出基于深度可分離卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)算法，有效提升了檢測(cè)速度，但檢測(cè)精度有所損耗。之后，該團(tuán)隊(duì)又提出了一些輕量型網(wǎng)絡(luò)[16,17]，能夠較好地權(quán)衡檢測(cè)精度與檢測(cè)速度，并且具有良好的遷移能力。

復(fù)雜場(chǎng)景下的SAR圖像目標(biāo)檢測(cè)，提升檢測(cè)精度和檢測(cè)速度，降低模型訓(xùn)練代價(jià)，仍是目前大多數(shù)算法亟需解決的問(wèn)題。本文基于Faster R-CNN算法進(jìn)行優(yōu)化。首先，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)部分引入通道注意力模型(Channel Attention,CA)進(jìn)行通道間特征的關(guān)系校準(zhǔn)，使網(wǎng)絡(luò)更加關(guān)注有效信息，抑制無(wú)關(guān)信息，提升檢測(cè)精度。其次，結(jié)合基于神經(jīng)架構(gòu)搜索(Neural Architecture Search,NAS)[18]算法的特征金字塔(Feature Pyramid Networks,FPN)[19]模塊，在FPN生成的不同組合特征空間實(shí)現(xiàn)特征圖的自動(dòng)跨層連接，獲取具有更豐富語(yǔ)義信息的特征圖，以提升檢測(cè)性能，同時(shí)在結(jié)合FPN后，適當(dāng)減少了特征維度，從而減少前后向傳播的運(yùn)算量，以降低訓(xùn)練時(shí)間，保證實(shí)時(shí)檢測(cè)。另外，在Faster R-CNN中，為了獲取固定尺寸的特征向量，感興趣區(qū)域池化層進(jìn)行了兩次量化操作，導(dǎo)致獲取的候選框位置發(fā)生了偏移，對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)影響極大。本文借鑒2017年He等人[20]提出的Mask R-CNN中通過(guò)雙線性差值填充回歸得到的浮點(diǎn)數(shù)位置像素的方法，使得低層特征圖向上映射時(shí)沒(méi)有位置誤差，從而提升小目標(biāo)檢測(cè)效果。在檢測(cè)時(shí)利用非極大值軟抑制(Soft-Non Maximum Suppression,soft-NMS)[21]算法以改善非極大值抑制(NMS)的性能，提高復(fù)雜背景下停靠在一起的密集船舶檢測(cè)精度。

2 Faster R-CNN算法原理

Faster R-CNN算法檢測(cè)流程如圖1所示，首先基于特征提取網(wǎng)絡(luò)獲取輸入圖像的特征圖，然后通過(guò)RPN生成候選區(qū)域框，再使用感興趣區(qū)域池化(Region of Interest Pooling,RoI Pooling)，從特征圖中獲得固定長(zhǎng)度的各個(gè)候選區(qū)域的特征向量，最后對(duì)固定尺寸的特征向量進(jìn)行分類得分與邊界框位置回歸。

圖1 Faster R-CNN結(jié)構(gòu)圖Fig.1 The frame structure of Faster R-CNN

2.1 特征提取網(wǎng)絡(luò)

Faster R-CNN的特征提取網(wǎng)絡(luò)通常采用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network,CNN)，常見(jiàn)的特征網(wǎng)絡(luò)有LeNet,AlexNet,VGG,Google-Net,ResNet,DenseNet等。其中ResNet通過(guò)引入3層殘差模塊(如圖2所示)，解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中一味增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)導(dǎo)致的“退化問(wèn)題”。其中，Resnet50具有較好的特征提取能力，并且網(wǎng)絡(luò)層數(shù)與參數(shù)量也較少。因此，本文采用Resnet50作為Faster R-CNN的主干網(wǎng)絡(luò)。

圖2 Resnet50的殘差結(jié)構(gòu)Fig.2 The residual structure of Resnet50

2.2 區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)

RPN主要是通過(guò)滑窗操作、中間層映射和兩個(gè)全連接層進(jìn)行分類回歸來(lái)實(shí)現(xiàn)候選區(qū)域生成的。

如圖3所示，首先選擇3×3的滑動(dòng)窗口在共享特征的最后一層特征圖上進(jìn)行滑動(dòng)，每個(gè)滑動(dòng)窗口區(qū)域通過(guò)中間層映射成一個(gè)特征向量，為每個(gè)滑窗區(qū)域的中心點(diǎn)生成k個(gè)不同尺寸和邊長(zhǎng)的錨框。該特征向量經(jīng)過(guò)分類和回歸分別輸出每個(gè)滑動(dòng)窗口的前背景概率值和回歸后的錨框位置坐標(biāo)信息。在RPN中，每個(gè)滑窗產(chǎn)生k個(gè)候選區(qū)域，回歸層則會(huì)生成4k個(gè)位置坐標(biāo)信息，分類層會(huì)生成2k個(gè)前背景得分信息。最后，RPN根據(jù)回歸計(jì)算出的修正值對(duì)每個(gè)錨框的長(zhǎng)、寬和中心進(jìn)行修正，修正后的候選區(qū)域再經(jīng)過(guò)非極大值抑制篩選出輸出得分靠前的前N個(gè)區(qū)域作為目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的輸入。

圖3 區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.3 The structure of region proposal network

2.3 RPN損失函數(shù)

RPN網(wǎng)絡(luò)在生成候選區(qū)域框的時(shí)候有兩個(gè)任務(wù)，一個(gè)是判斷錨點(diǎn)產(chǎn)生的候選框是否為目標(biāo)的二分類任務(wù)，另一個(gè)是對(duì)該候選框進(jìn)行邊框回歸的回歸任務(wù)。故RPN訓(xùn)練時(shí)的總體損失函數(shù)是分類損失Lcls和回歸損失Lreg的加權(quán)和，表達(dá)式為

分類損失函數(shù)為

其中，i表示第i個(gè)錨點(diǎn)，當(dāng)錨點(diǎn)為正樣本時(shí)，表示錨框被預(yù)測(cè)為目標(biāo)的概率。

回歸損失函數(shù)為

其中，

ti=ftx,ty,tw,thg表示預(yù)測(cè)的邊界框的4個(gè)位置參數(shù)坐標(biāo)；ti表示正樣本對(duì)應(yīng)的真值邊界框的坐標(biāo)向量。其中，(x,y,w,h)為邊界框的中心坐標(biāo)，寬，高。變量x,xa和x*分別用于預(yù)測(cè)框、錨框和真值邊界框。

3 改進(jìn)的Faster R-CNN模型

在解決復(fù)雜背景下的SAR圖像船舶目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)時(shí)，上述Faster R-CNN模型存在檢測(cè)精度較低且算法復(fù)雜度高、訓(xùn)練代價(jià)大的問(wèn)題，導(dǎo)致其模型應(yīng)用能力受限，針對(duì)此問(wèn)題，本文提出了一種改進(jìn)的Faster R-CNN模型。其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要在以下3方面改進(jìn)：

圖4 本文算法網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 The network structure of the algorithm in this paper

(1) 為了提高小目標(biāo)檢測(cè)性能，解決Faster R-CNN在感興趣區(qū)域池化過(guò)程中兩次量化帶來(lái)的候選框位置偏差問(wèn)題，借鑒Mask R-CNN[20]中的RoI Align方法，使用雙線性內(nèi)插的方法獲得坐標(biāo)為浮點(diǎn)數(shù)的像素點(diǎn)上的圖像數(shù)值。

(2) 為了提高檢測(cè)的準(zhǔn)確度，在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中加入通道注意力模塊，對(duì)不同通道間的特征關(guān)系進(jìn)行校準(zhǔn)，提升網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力。

(3) 為了高效地利用不同尺度的特征圖，基于神經(jīng)架構(gòu)搜索算法，改進(jìn)特征金字塔結(jié)構(gòu)，使網(wǎng)絡(luò)可以自動(dòng)跨不同特征層進(jìn)行特征融合。

3.1 感興趣區(qū)域池化層

Faster R-CNN通過(guò)RoI Pooling將RPN生成的候選區(qū)域統(tǒng)一到固定尺寸，然后經(jīng)過(guò)一個(gè)全連接層得到RoI特征向量。通過(guò)模型回歸得到的候選區(qū)域的位置往往是一個(gè)非整數(shù)像素值，為了得到池化后尺寸固定的特征圖，在RoI Pooling中存在兩次量化的過(guò)程，經(jīng)過(guò)這兩次量化，產(chǎn)生的候選框就會(huì)和開(kāi)始回歸出來(lái)的位置坐標(biāo)產(chǎn)生一定的誤差，這個(gè)誤差值會(huì)影響檢測(cè)的準(zhǔn)確度，尤其是在進(jìn)行小目標(biāo)檢測(cè)時(shí)。

本文在感興趣區(qū)域池化部分引入Mask R-CNN中提出的RoI Align方法，具體操作如圖5所示。首先保持候選區(qū)域的浮點(diǎn)數(shù)位置坐標(biāo)，然后將其劃分為k×k個(gè)單元，單元邊界也不做量化處理，最后對(duì)每個(gè)單元進(jìn)行四等分找到其中心點(diǎn)，通過(guò)雙線性內(nèi)插計(jì)算出這4個(gè)位置的坐標(biāo)，再進(jìn)行最大池化。該方法通過(guò)將RoI Pooling中兩次量化轉(zhuǎn)換成一個(gè)連續(xù)的過(guò)程，解決了Faster R-CNN中的位置偏差問(wèn)題。

圖5 RoI Align的實(shí)現(xiàn)原理Fig.5 Implementation principle of RoI Align

3.2 通道注意力模塊

為了使模型更關(guān)注具有有效信息的通道特征，抑制無(wú)關(guān)特征，實(shí)現(xiàn)通道間特征關(guān)系的校準(zhǔn)，本文在Faster R-CNN的特征提取網(wǎng)絡(luò)部分引入了CA機(jī)制。

CA算法借鑒SENet模型[22]的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖6(a)所示，假設(shè)輸入為通道數(shù)為C的H W的特征圖，首先對(duì)特征圖進(jìn)行壓縮(Squeeze)操作，將特征圖作為輸入，對(duì)應(yīng)圖6(b)中的全局平均池化(Global Pooling)操作，將不同通道上整個(gè)空間特征編碼聚合，得到一個(gè)經(jīng)過(guò)全局壓縮的C11的特征向量；然后對(duì)全局特征進(jìn)行激發(fā)(Excitation)操作，對(duì)應(yīng)圖6(b)可以看到，通過(guò)兩個(gè)全連接層對(duì)通道間的相關(guān)性進(jìn)行簡(jiǎn)單建模，提取各個(gè)通道間的關(guān)系，再經(jīng)過(guò)Sigmoid激活函數(shù)獲得歸一化權(quán)重值；最后在原始特征圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行重加權(quán)(Scale)操作，也就是圖6(b)中的Scale操作，通過(guò)對(duì)原始特征圖乘以對(duì)應(yīng)通道的權(quán)重值，得到新的特征圖。SE_Resnet將原始特征圖與新特征圖進(jìn)行疊加，得到最終的特征信息，即在Resnet中的殘差模塊引入圖6(b)所示的CA結(jié)構(gòu)。

圖6 通道注意力模塊結(jié)構(gòu)Fig.6 The structure of channel attention module

本文選擇結(jié)合通道注意力的Resnet50作為特征提取網(wǎng)絡(luò)的主干網(wǎng)絡(luò)，表1列出了特征提取網(wǎng)絡(luò)的相關(guān)參數(shù)。

表1 以Resnet50作為主干網(wǎng)絡(luò)的特征提取網(wǎng)絡(luò)參數(shù)Tab.1 The network parameters extraction with Resnet50 as the backbone network feature

3.3 特征金字塔模塊

Faster R-CNN進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)，利用頂層特征圖進(jìn)行后續(xù)目標(biāo)分類與回歸處理。頂層特征是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多次下采樣得到的，具有比較豐富的語(yǔ)義信息，但是對(duì)細(xì)節(jié)的損失較大，而由于SAR圖像成像范圍較大，船舶目標(biāo)相對(duì)較小，具有的像素信息也較少，在下采樣的過(guò)程中極易丟失，從而導(dǎo)致漏檢。為了解決這一問(wèn)題，本文引入特征金字塔模塊。為能準(zhǔn)確快速地找到一種跨尺度連接的最優(yōu)特征組合結(jié)構(gòu)，本文使用了一種改進(jìn)的特征金字塔結(jié)構(gòu)(NAS-FPN)。NAS-FPN借助神經(jīng)架構(gòu)搜索算法的優(yōu)勢(shì)，在FPN生成的不同組合特征空間中，發(fā)現(xiàn)一種高性能架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)特征的自動(dòng)跨層連接。

NAS-FPN主要利用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的思想，使用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Recurrent Neural Network,RNN)作為控制器，利用網(wǎng)絡(luò)模型在特征搜索空間中的準(zhǔn)確度作為獎(jiǎng)勵(lì)進(jìn)行交互，產(chǎn)生特征的組合行為，得到最優(yōu)的模型架構(gòu)。如圖7所示，控制器對(duì)具有不同架構(gòu)的子網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行采樣獲取概率P，子網(wǎng)絡(luò)模型將訓(xùn)練過(guò)程中的檢測(cè)準(zhǔn)確度R作為獎(jiǎng)勵(lì)信號(hào)反向傳播更新控制器，通過(guò)不斷迭代實(shí)驗(yàn)，控制器學(xué)習(xí)如何獲取更好的組合架構(gòu)，隨著訓(xùn)練模型的逐漸收斂，得到最終的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，也就是最優(yōu)的組合方式。

圖7 NAS-FPN強(qiáng)化學(xué)習(xí)算法Fig.7 Reinforcement learning for NAS-FPN

NAS-FPN通過(guò)上述的預(yù)處理任務(wù)訓(xùn)練一個(gè)簡(jiǎn)單的子網(wǎng)絡(luò)模型，只需選擇10個(gè)epoch，并且使用10層Resnet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。經(jīng)過(guò)預(yù)訓(xùn)練任務(wù)得到的組合結(jié)構(gòu)如圖8所示，從圖中可以看到，此時(shí)的特征組合包括紅色自底向上和藍(lán)色自頂向下的特征組合方式，充分融合了不同尺度的特征圖信息。

圖8 FPN組合結(jié)構(gòu)Fig.8 The combination structure of FPN

當(dāng)通過(guò)上述方式選定特征組合后，本文采用Resnet50作為主干網(wǎng)絡(luò)，提取了{(lán)C1,C2,C3,C4,C5} 5層特征，由于C1,C2占用內(nèi)存較大，故將其移除，然后對(duì)C5進(jìn)行下采樣得到C6和C7層，選取{C3,C4,C5,C6,C7}構(gòu)成特征金字塔。然后經(jīng)過(guò)NAS-FPN得到{P3,P4,P5,P6,P7}。NASFPN通過(guò)特征融合單元(Feature Mergeing Cell,FMC)對(duì)網(wǎng)絡(luò)提取的特征圖進(jìn)行重新融合，得到新的不同尺度的特征圖，然后作為目標(biāo)檢測(cè)子網(wǎng)絡(luò)的輸入。如圖9，首先從特征圖集合中選取兩幅特征圖C3,C5作為FMC的輸入，同時(shí)選取特征圖C4作為FMC輸出特征圖的分辨率，這里的C3,C4,C5都是通過(guò)預(yù)處理任務(wù)選定的；然后針對(duì)輸入的兩幅特征圖從Binary中選擇所需的融合操作。這里Binary操作主要有兩種選擇，第1種如圖10(a)所示，當(dāng)輸入的兩特征圖分辨率一致時(shí)，直接進(jìn)行求和操作；第2種如圖10(b)所示，當(dāng)輸入的兩特征圖分辨率不一致時(shí)，低層特征進(jìn)行最大池化，并通過(guò)sigmoid激活函數(shù)，與高層特征元素乘，結(jié)果再與低層特征相加得到最終的輸出；最后將新的融合特征圖增加到開(kāi)始的特征圖集合中。

圖9 NAS-FPN結(jié)構(gòu)圖Fig.9 The frame structure of NAS-FPN

圖10 融合操作Fig.10 Binary operation

圖11(a)–圖11(e)是NAS-FPN中不同層輸出特征圖的熱力圖，這里選取了P3–P7層的特征。圖11(f)–圖11(g)為熱力圖疊加在原圖上的效果圖，從圖11(f)可以看出，最終送入RPN中的特征圖在保留原始信息的基礎(chǔ)上，已經(jīng)充分融合了各個(gè)尺度的特征信息，實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)的精確定位。

圖11 NAS-FPN熱力圖結(jié)果Fig.11 The heatmaps of NAS-FPN

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與數(shù)據(jù)集介紹

本次實(shí)驗(yàn)使用的是SAR船舶檢測(cè)數(shù)據(jù)集(SAR Ship Detection Dataset,SSDD)[5]，該數(shù)據(jù)集是國(guó)內(nèi)外公開(kāi)的首個(gè)專門(mén)用于SAR圖像船舶目標(biāo)檢測(cè)的數(shù)據(jù)集，共有1160個(gè)圖像和2456個(gè)船舶。該數(shù)據(jù)集參考PASCAL VOC數(shù)據(jù)集的制作方式，數(shù)據(jù)包括RadarSat-2、TerraSAR-X和Sentinel-1傳感器，HH,HV,VV和VH4種極化方式，分辨率為1～15 m，在大片海域和近岸地區(qū)都有船舶目標(biāo)。

基于深度學(xué)習(xí)的SAR船舶檢測(cè)算法的日漸成熟，近些年多位學(xué)者提出用于模型訓(xùn)練的高分辨率SAR船舶檢測(cè)數(shù)據(jù)集[23,24,25]。為了驗(yàn)證本文所提出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)泛化性，增加高分辨率SAR圖像數(shù)據(jù)集(High-Resolution SAR Images Dataset,HRSID)[24]進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該數(shù)據(jù)集共包含5064張高分辨率SAR圖像和16951個(gè)船舶目標(biāo)，參考COCO數(shù)據(jù)集的構(gòu)建過(guò)程，包括不同極化方式和不同背景的船舶目標(biāo)，分辨率為0.5 m,1.0 m,3.0 m。

實(shí)驗(yàn)的硬件配置采用Intel Core i7處理器，6 G B 內(nèi)部存儲(chǔ)器，GPU處理器為NVIDIA GTX1660Ti；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Ubuntu16.04；軟件環(huán)境是Python 3.6,Anaconda 3,CUDA10.0,Cudnn7.6。實(shí)驗(yàn)基于pytorch1.3實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，其中模型的特征提取網(wǎng)絡(luò)都是在Resnet50上進(jìn)行預(yù)訓(xùn)練的，主要參數(shù)包括最大迭代次數(shù)、候選區(qū)域錨框尺寸與數(shù)量、學(xué)習(xí)率、優(yōu)化器和soft-NMS的閾值。

4.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文采用精度均值(Average Precision,AP)、訓(xùn)練時(shí)間(Time)、每秒幀數(shù)(Frame Per Second,FPS)、運(yùn)算浮點(diǎn)數(shù)(FLOPs)和參數(shù)量(parameters)作為算法的評(píng)價(jià)指標(biāo)。

(1) 精度均值

AP為準(zhǔn)確率P和召回率R在[0,1]范圍內(nèi)繪制的曲線pr與坐標(biāo)軸所圍成的面積。其表達(dá)式為

其中，準(zhǔn)確率(Precision,P)是指在所有正樣本中，被正確識(shí)別為正樣本的比例。表達(dá)式為

召回率(Recall,R)是預(yù)測(cè)的樣本數(shù)中，被正確識(shí)別為正樣本的?比例。表達(dá)式為

其中，TP代表真正例，F(xiàn)N代表假反例，F(xiàn)P代表假正例。

(2) 訓(xùn)練時(shí)間

Time代表模型訓(xùn)練過(guò)程中，平均每一次迭代所需的時(shí)間，可以表示為

其中，n為模型訓(xùn)練至收斂的迭代次數(shù)，ti代表訓(xùn)練第i次迭代所需要的時(shí)間。

(3) 每秒幀數(shù)

FPS代表檢測(cè)速度的快慢，可以表示為

其中，N為對(duì)測(cè)試集的樣本數(shù)量，T為對(duì)測(cè)試集進(jìn)行檢測(cè)所需要的時(shí)間。

(4) 浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)

FLOPs用來(lái)評(píng)估前向運(yùn)算時(shí)的計(jì)算量，計(jì)算量越大，說(shuō)明網(wǎng)絡(luò)越復(fù)雜。

(5) 參數(shù)量

Parameters代表網(wǎng)絡(luò)中的參數(shù)數(shù)量，在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中一般指訓(xùn)練模型時(shí)需要學(xué)習(xí)的權(quán)重和偏置值。

4.3 算法性能評(píng)估

首先在基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)上進(jìn)行多次調(diào)參，以獲得最佳實(shí)驗(yàn)結(jié)果。最終的實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如下：最大迭代次數(shù)為8000,錨框尺度設(shè)置為{4,8,16,32,64}，比例為{0.5 :1 :2}，學(xué)習(xí)率采用線性增加策略，初始的500次迭代中學(xué)習(xí)率逐漸增加，初始學(xué)習(xí)率設(shè)置為0.005，優(yōu)化器選擇的是隨機(jī)梯度下降法，soft-NMS的交并比閾值為0.5，最小得分閾值為0.05。當(dāng)模型訓(xùn)練逐漸收斂時(shí)，會(huì)提前終止迭代。

為了更好地評(píng)估本文所提出的改進(jìn)算法在SAR圖像船舶目標(biāo)的檢測(cè)性能，實(shí)驗(yàn)基于SSDD數(shù)據(jù)集定量分析了該優(yōu)化算法。從表2可以發(fā)現(xiàn)，從檢測(cè)精度上看，F(xiàn)aster R-CNN在SSDD上的AP值為85.4%，首先模型在感興趣區(qū)域池化模塊使用RoI Align時(shí)，AP提升了1.8%，通過(guò)添加CA模塊，獲取不同通道間特征圖的相關(guān)性，使得AP在Faster R-CNN基礎(chǔ)上提升了2.8%，通過(guò)添加NAS-FPN模塊獲取不同尺度的特征圖信息，使得AP在Faster R-CNN的基礎(chǔ)上提升了2.6%，本文算法結(jié)合CA與NAS-FPN模型，將AP相較基礎(chǔ)模型提升了4.0%，取得了較好的檢測(cè)結(jié)果；從訓(xùn)練時(shí)間上看，F(xiàn)aster R-CNN在SSDD上達(dá)到0.667 s/iter，本文算法在Faster R-CNN的基礎(chǔ)上添加了通道注意力模塊，增加了訓(xùn)練時(shí)間，但是通過(guò)結(jié)合NAS-FPN模塊，移除了占內(nèi)存較大的C1和C2層特征，并且將之前送入RPN的1024維的通道數(shù)減少到256維，降低了模型的復(fù)雜度與訓(xùn)練時(shí)間。故本文算法相較基礎(chǔ)Faster R-CNN仍具有極大的檢測(cè)精度優(yōu)勢(shì)，同時(shí)檢測(cè)速度提升了7.9 FPS，達(dá)到10.7 FPS，完全能夠滿足海上船舶實(shí)時(shí)檢測(cè)的應(yīng)用需求。

表2 基于Faster R-CNN的優(yōu)化算法對(duì)比Tab.2 Comparison of optimization algorithms based on Faster R-CNN

4.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文算法的目標(biāo)檢測(cè)能力，基于SSDD與HRSID數(shù)據(jù)集，表3將本文算法與SSD[10],Cascade R-CNN[26]和PANet[27]等算法進(jìn)行了性能對(duì)比。圖12展示了不同算法在兩數(shù)據(jù)集上的P-R曲線圖。實(shí)驗(yàn)證明，本文算法雖然在檢測(cè)速度上和模型參數(shù)上存在一些劣勢(shì)。但不論在SSDD還是在HRSID數(shù)據(jù)集上，本文算法的檢測(cè)精度都是最高的。

圖12 不同算法的P-R曲線對(duì)比Fig.12 The P-R curve of different methods

表3 不同檢測(cè)算法的性能對(duì)比Tab.3 Comparison of different detection algorithms

除上述在檢測(cè)精度方面的優(yōu)勢(shì)外，本文算法對(duì)各種復(fù)雜場(chǎng)景下船舶目標(biāo)的檢測(cè)適應(yīng)能力更強(qiáng)。圖13–圖15分別從SSDD中選擇了3種不同場(chǎng)景下的SAR船舶圖像進(jìn)行對(duì)比，包括小目標(biāo)船舶、近岸船舶和密集?？看埃@里設(shè)置得分閾值為0.8，即認(rèn)為在測(cè)試中,如果檢測(cè)到的船舶目標(biāo)和標(biāo)記的矩形框的重疊部分達(dá)到標(biāo)記矩形框的80% 以上，則認(rèn)為是成功檢測(cè)。

對(duì)比圖13可以發(fā)現(xiàn)本文算法在小目標(biāo)檢測(cè)中的檢測(cè)效果明顯更優(yōu)，在Faster R-CNN中，由于模型檢測(cè)精度低，對(duì)船舶目標(biāo)的得分不夠準(zhǔn)確，在固定得分閾值下，當(dāng)?shù)梅纸Y(jié)果不夠精確時(shí)，針對(duì)一例船舶目標(biāo)就會(huì)存在多個(gè)矩形標(biāo)記框，如圖13(c)中的虛警情況；當(dāng)船舶目標(biāo)的邊緣輪廓較弱時(shí)，模型打分結(jié)果過(guò)低，就會(huì)導(dǎo)致漏檢。相同的參數(shù)設(shè)置下，本文算法因?yàn)槠錂z測(cè)精度的提升，完全消除了虛警現(xiàn)象，漏警也得到了明顯的改善，遺漏目標(biāo)也主要是因?yàn)榇澳繕?biāo)的邊緣較弱，提取的特征進(jìn)行回歸時(shí)的得分低于閾值，未成功檢測(cè)，對(duì)于這一類弱目標(biāo)的檢測(cè)，也會(huì)在今后的研究中重點(diǎn)關(guān)注；與SSD算法相比，SSD算法對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)效果極差，在圖13中未檢測(cè)出一例船舶目標(biāo)；通過(guò)對(duì)比PANet與Cascade R-CNN發(fā)現(xiàn)，Cascade R-CNN在小目標(biāo)檢測(cè)上的效果較差，在Cascade R-CNN中，特征金字塔主要包括自上而下的單向融合，PANet中增加了自下而上的二次融合結(jié)構(gòu)，而本文算法使用了NAS-FPN，增加了更復(fù)雜的雙向特征融合，能夠有效抑制噪聲提取目標(biāo)，目前的檢測(cè)結(jié)果是最好的，檢測(cè)率為100%，召回率為88.2%，虛警率為0。這說(shuō)明本文算法對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)相較當(dāng)前大多數(shù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)效果更優(yōu)。

圖13 小目標(biāo)船舶圖像的檢測(cè)算法對(duì)比Fig.13 Comparison of detection algorithms for small target

對(duì)比圖14中復(fù)雜背景下的近岸船舶目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，本文算法由于多尺度特征融合，增強(qiáng)了不同尺度船舶特征的提取，同時(shí)結(jié)合了通道注意力模型對(duì)不同通道間特征關(guān)系進(jìn)行校準(zhǔn)，使得近岸船舶不需要海陸分割等手段，就可以準(zhǔn)確提取目標(biāo)特征并成功檢測(cè)目標(biāo)，在圖14中本文算法的檢測(cè)率達(dá)到100%，召回率為100%，虛警率為0。對(duì)比PANet和Cascade R-CNN網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)結(jié)果保持一致，但Faster R-CNN和SSD算法由于檢測(cè)精度較低，均漏檢了圖中的小目標(biāo)船舶。這說(shuō)明了本文算法對(duì)復(fù)雜背景下近岸的SAR圖像船舶檢測(cè)效果也更好。

圖14 近岸船舶圖像的檢測(cè)算法對(duì)比Fig.14 Comparison of detection algorithms for inshore ship

對(duì)比圖15中復(fù)雜背景下的密集?？看澳繕?biāo)檢測(cè)結(jié)果，對(duì)比算法均出現(xiàn)多個(gè)漏警，而本文算法則高效地檢測(cè)出了其中大部分的漏警，檢測(cè)率達(dá)到100%，召回率為85.7%，虛警率為0。從漏警目標(biāo)可以看出對(duì)于近鄰?fù)？康拇?，?dāng)其停靠角度有差異時(shí)，就可以正確檢測(cè)，但是，當(dāng)?？吭谝黄鸬拇巴耆叫袝r(shí)，就會(huì)將其檢測(cè)成一例目標(biāo)，針對(duì)這一情況在后續(xù)研究中考慮使用平衡場(chǎng)景學(xué)習(xí)機(jī)制(Balance Scene Learning Mechanism,BSLM)[28]提升近岸復(fù)雜場(chǎng)景下的船舶檢測(cè)精度。目前實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表明本文算法對(duì)于密集停靠的船舶目標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確度仍然更高。

圖15 密集?？康拇皥D像檢測(cè)算法對(duì)比Fig.15 Comparison of detection algorithms for adjacent targets

表4基于SSDD數(shù)據(jù)集，將測(cè)試數(shù)據(jù)的船舶目標(biāo)按照近岸與離岸船舶分為兩類，分別統(tǒng)計(jì)其檢測(cè)精度與召回率。

表4 不同檢測(cè)算法基于SSDD在近岸與離岸場(chǎng)景下的性能對(duì)比Tab.4 Comparison of different detection algorithms in inshore and offshore scenes of SSDD

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不論是針對(duì)近岸船舶還是離岸船舶，本文的檢測(cè)精度都是最高的。與SSD算法相比較，本文算法的提升主要體現(xiàn)在離岸船舶目標(biāo)的檢測(cè)，由于這類目標(biāo)多數(shù)為小目標(biāo)船舶導(dǎo)致SSD檢測(cè)效果較差。與Cascade R-CNN,PANet相比，本文算法因結(jié)合更復(fù)雜的多尺度特征融合與通道關(guān)系校準(zhǔn)模塊，在近岸和離岸船舶檢測(cè)中檢測(cè)精度均得到有效地提升。

最后，本文選取了AIR-SARShip 1.0數(shù)據(jù)集[25]的圖像進(jìn)行模型結(jié)果測(cè)試。如圖16所示，AIRSARShip 1.0數(shù)據(jù)為3000×3000的高分辨SAR圖像，其中，使用藍(lán)色矩形框在檢測(cè)結(jié)果中標(biāo)注目標(biāo)位置。本文算法能夠較好地檢測(cè)出船舶目標(biāo)，檢測(cè)率為100%。這說(shuō)明該模型對(duì)大場(chǎng)景下星載SAR圖像的船舶檢測(cè)也是有效的。

圖16 本文算法在AIR-SARShip 1.0數(shù)據(jù)上的檢測(cè)結(jié)果Fig.16 Detection result of this algorithm on AIR-SARShip 1.0

5 結(jié)語(yǔ)

本文提出一種基于多尺度特征融合與通道關(guān)系校準(zhǔn)的Faster R-CNN目標(biāo)檢測(cè)算法，將其用于SAR圖像的船舶檢測(cè)研究中。在兩種船舶檢測(cè)數(shù)據(jù)集上的檢測(cè)結(jié)果均表明，相較原始Faster R-CNN,SSD,Cascade R-CNN與PANet，本文算法不論是針對(duì)不同尺度下的小目標(biāo)船舶，復(fù)雜背景下的近岸船舶，還是近鄰?fù)？康亩啻澳繕?biāo)都具有更好的檢測(cè)精度，各種復(fù)雜場(chǎng)景下的船舶目標(biāo)檢測(cè)適應(yīng)性更強(qiáng)。在檢測(cè)時(shí)間上，與原始Faster R-CNN相比，檢測(cè)速度得到了大幅度提升，能夠適應(yīng)對(duì)各種檢測(cè)實(shí)時(shí)性要求高的檢測(cè)任務(wù)需求，例如實(shí)時(shí)海面監(jiān)控、緊急海上救援以及軍事部署任務(wù)等。