楊 健，孫 涵

(南京航空航天大學(xué) 計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106)

0 引 言

當(dāng)前，國內(nèi)的無人機(jī)領(lǐng)域正在蓬勃發(fā)展，隨著無人機(jī)在日常生產(chǎn)生活領(lǐng)域中(如農(nóng)藥噴灑、航拍勘測等)的大量使用，隨之產(chǎn)生的無人機(jī)監(jiān)督和管理問題也變得日益嚴(yán)峻[1-2]?；谏疃葘W(xué)習(xí)的方法不斷在目標(biāo)檢測領(lǐng)域展現(xiàn)優(yōu)異性能，因此當(dāng)前主流的通用目標(biāo)檢測算法都是基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(如VGG[3]、ResNet[4]等)提取目標(biāo)特征再做檢測，它們大多能在PASCAL VOC[5]和MSCOCO[6]等數(shù)據(jù)集的大中型目標(biāo)檢測任務(wù)上取得不俗的效果。然而，在真實場景的無人機(jī)檢測任務(wù)中，這些方法仍有諸多局限。

一方面，以往常見的目標(biāo)檢測任務(wù)中，通常包含的檢測目標(biāo)為中、大尺度目標(biāo)，它們的外觀和結(jié)構(gòu)相對清晰完整，隨著網(wǎng)絡(luò)加深，網(wǎng)絡(luò)能夠逐步學(xué)習(xí)到目標(biāo)從局部到整體的特征信息。然而對于小目標(biāo)檢測而言，由于目標(biāo)的尺度小、信息少，若使用通用的目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)模型，容易在網(wǎng)絡(luò)不斷加深的過程中損失大量有效的信息，導(dǎo)致最終檢測性能不佳。如果只是簡單地使用加大輸入圖像分辨率的手段，容易產(chǎn)生高額的計算開銷，大幅增加訓(xùn)練和推理時間。因此小目標(biāo)檢測相較于常規(guī)尺度目標(biāo)檢測，達(dá)到最佳的檢測性能難度更大。而且由于無人機(jī)目標(biāo)的特殊性，它極易被反光、云層遮掩等背景噪聲淹沒，對檢測造成不利影響。

另一方面，雖然目前深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測算法在目標(biāo)檢測任務(wù)上取得了巨大的成功，但是這一系列方法仍極度依賴高性能計算機(jī)。但無人機(jī)檢測任務(wù)中，應(yīng)用程序的部署環(huán)境通常是在戶外邊緣設(shè)備，因此該任務(wù)對目標(biāo)檢測算法的綜合性能提出了更高的要求，要求其能夠在嵌入式設(shè)備上運(yùn)行?，F(xiàn)有的小目標(biāo)檢測模型通常在檢測精度和模型大小上很難做好權(quán)衡，不利于部署到室外邊緣檢測設(shè)備。

因此，文中提出一種結(jié)合像素洗牌和層間特征融合結(jié)構(gòu)的輕量級無人機(jī)檢測方法，并將其引入到輕量級無人機(jī)檢測網(wǎng)絡(luò)TIB-Net，旨在確保模型輕量的前提下，大幅提升層間特征圖質(zhì)量。

1 相關(guān)工作

當(dāng)前，基于候選區(qū)域的目標(biāo)檢測算法主要以R-CNN方法[7]為代表，它先找到目標(biāo)可能出現(xiàn)的候選區(qū)域，然后對該區(qū)域進(jìn)行分類，當(dāng)應(yīng)用到小目標(biāo)檢測任務(wù)時可以采取如調(diào)整錨框等針對性優(yōu)化方法。如果應(yīng)用場景較為復(fù)雜，該方法存在易漏檢目標(biāo)的問題?；诨貧w的目標(biāo)檢測算法主要以YOLO方法[8]和SSD方法[9]為代表，它們直接在輸入圖像的多個位置上回歸出目標(biāo)邊界框以及類別。它們的優(yōu)點是檢測速度快，但在小目標(biāo)檢測上也同樣存在易漏檢目標(biāo)的問題。同時由于深度學(xué)習(xí)算法生成的網(wǎng)絡(luò)模型，主要通過精心設(shè)計的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)增強(qiáng)模型的特征表示能力，因此其內(nèi)部包含龐大的參數(shù)量和多級的非線性映射通常生成較大的權(quán)重文件，導(dǎo)致其不易在低內(nèi)存容量的邊緣設(shè)備部署。另外，通用的目標(biāo)檢測方法往往在大中型目標(biāo)上表現(xiàn)不俗，但是對于無人機(jī)等小目標(biāo)的檢測效果卻不理想[10-12]。

針對無人機(jī)檢測任務(wù)，文獻(xiàn)[13]提出改進(jìn)的YOLOv3算法，通過增加參考角點參與損失函數(shù)的計算，獲得更優(yōu)的定位選擇，提升無人機(jī)檢測精度，并且對樣本的增廣、參數(shù)優(yōu)化等方面進(jìn)行研究，驗證了改進(jìn)算法的有效性。文獻(xiàn)[14]同樣是在YOLOv3模型的基礎(chǔ)上改進(jìn)，它將多尺度的特征圖進(jìn)行融合，提升模型對不同尺度目標(biāo)的檢測性能。在實際情況中，大部分是邊緣設(shè)備部署場景，導(dǎo)致用于計算和存儲的硬件資源都與實驗室設(shè)備存在著巨大性能差距，因此文獻(xiàn)[15]提出輕量級無人機(jī)檢測模型TIB-Net，通過循環(huán)迭代的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)部分緩解了由于目標(biāo)尺寸過小引起的形狀、紋理等特征缺失等問題。但是，由于網(wǎng)絡(luò)部分結(jié)構(gòu)仍然采用簡單的先下采樣再雙線性上采樣的處理模式，因此會產(chǎn)生不必要的信息損失。綜上，這些方法在無人機(jī)檢測方面仍可改進(jìn)。

2 模型和方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)整體框架

TIB-Net[15]的算法模型是基于SSD以及FPN基本架構(gòu)的anchor-based目標(biāo)檢測算法，該算法采用循環(huán)迭代的形式構(gòu)成特征提取主干網(wǎng)絡(luò)，不僅檢測性能優(yōu)異，而且大幅降低了模型參數(shù)量。該網(wǎng)絡(luò)通過循環(huán)支路結(jié)構(gòu)引入更加豐富的細(xì)節(jié)信息，同時采用空間注意力模塊，大大降低了特征圖傳遞過程中的信息冗余。因此，文中將在TIB-Net的基礎(chǔ)上進(jìn)一步優(yōu)化，構(gòu)建出性能更佳的無人機(jī)檢測網(wǎng)絡(luò)。

無人機(jī)檢測模型的主干網(wǎng)絡(luò)包含六個基本組件塊，其中前兩個基本組件塊的作用是初步提取輸入圖像的基本抽象特征，后續(xù)四個基本組件塊參與構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)模型的循環(huán)迭代架構(gòu)。在網(wǎng)絡(luò)迭代過程中，每輪循環(huán)結(jié)束時輸出的特征圖會以特征金字塔的方式進(jìn)行融合，然后送入后續(xù)檢測器。網(wǎng)絡(luò)整體處理流程如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)整體框架

2.2 特征融合模塊

不同于原始TIB-Net采用基于經(jīng)典的特征金字塔的信息融合處理方法，文中在特征融合過程中引入層內(nèi)金字塔結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)對于多尺度信息的處理性能。同時，受到超分辨率任務(wù)中像素洗牌操作的啟發(fā)，文中使用改進(jìn)的上采樣模塊替代了雙線性插值上采樣的方式，實現(xiàn)特征金字塔中不同層級上不同分辨率特征圖的融合。最終，改進(jìn)的特征融合模塊如圖2所示。

圖2 特征融合模塊結(jié)構(gòu)

(1)層間金字塔結(jié)構(gòu)。

層間金字塔(即Elastic結(jié)構(gòu))[16]最早應(yīng)用于圖像分類任務(wù)，主要目的是使得網(wǎng)絡(luò)中每一層都能夠綜合考量特征圖中多個尺度的信息，從數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)高效的動態(tài)尺度調(diào)整策略。如圖3所示，在ResNeXt50原始網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)自下而上分別針對性地識別由大至小的目標(biāo)，即淺層負(fù)責(zé)識別較小的目標(biāo)，深層負(fù)責(zé)識別較大的目標(biāo)。但是這種策略在示例中除公雞外其他類別目標(biāo)的識別任務(wù)中，并不能取得最優(yōu)結(jié)果。然而，在主干網(wǎng)絡(luò)集成層間金字塔結(jié)構(gòu)后，網(wǎng)絡(luò)不同層在遇到不同類別的輸入圖像時，會動態(tài)調(diào)整各層網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)識別尺度，最終獲得更好的實驗結(jié)果。因此，受到該結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，文中在特征金字塔結(jié)構(gòu)中引入動態(tài)尺度調(diào)整策略。

圖3 層間金字塔結(jié)構(gòu)原理

從圖2中可以看出，輸入特征圖在通過特征融合模塊時會經(jīng)過三個不同的特征提取分支，待各分支處理完成后再進(jìn)行特征融合，隨后傳遞到上采樣模塊。為了進(jìn)一步使模型學(xué)習(xí)到不同分辨率下的特征表示，需要在一個并行分支的兩端添加下采樣和上采樣處理。在訓(xùn)練過程中，深度網(wǎng)絡(luò)能夠通過層間金字塔自主學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)層的分辨率選擇，根據(jù)輸入圖片自適應(yīng)地調(diào)整到對應(yīng)的尺度處理策略。

從整體上看，特征圖在特征金字塔結(jié)構(gòu)的逐層傳遞融合過程中能夠保持高分辨率水平，而在細(xì)節(jié)上，內(nèi)嵌的層間金字塔結(jié)構(gòu)使得特征圖在特征融合模塊每個分支上調(diào)整到不同的分辨率，使得特征金字塔在每層內(nèi)部具有不同的感受野。通過這種處理方式，不僅保持了網(wǎng)絡(luò)主體部分維持高分辨率的特征圖信息，而且使得特征融合模塊內(nèi)部能夠動態(tài)調(diào)整到相應(yīng)分辨率，使模型能夠在模塊內(nèi)部的不同分支上處理不同尺度的信息，增強(qiáng)了模型應(yīng)對不同尺度目標(biāo)檢測任務(wù)的能力。針對小目標(biāo)檢測任務(wù)來說，模型在金字塔結(jié)構(gòu)融合各層特征信息前，能夠?qū)⑻卣鲌D調(diào)整到合適的分辨率再做處理，提升網(wǎng)絡(luò)性能。

(2)超分辨率上采樣模塊。

除了集成層間金字塔結(jié)構(gòu)，文中也改進(jìn)了原始的雙線性插值上采樣策略，提出改進(jìn)的上采樣模塊，如圖4所示。

圖4 改進(jìn)的上采樣模塊

傳統(tǒng)的雙線性插值上采樣方法是根據(jù)離待插值最近的2×2個已知值來計算待插值，每個已知值的權(quán)重由距待插值的距離決定，距離越近權(quán)重越大。但是這種人為規(guī)定權(quán)重的方式仍然會存在畫面模糊的問題。除此之外，反卷積也是目前常用的上采樣手段，它利用模型學(xué)習(xí)能力獲得上采樣策略，使網(wǎng)絡(luò)自主向低分辨率圖片中填充細(xì)節(jié)部分，它無需預(yù)先規(guī)定如何插值，因為該結(jié)構(gòu)在模型訓(xùn)練過程中是可學(xué)習(xí)的。反卷積并非卷積運(yùn)算的逆操作，本質(zhì)上只能還原圖像的尺寸，不能還原其對應(yīng)像素值，上采樣后補(bǔ)充的像素值是通過網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中反向傳播來學(xué)習(xí)獲得的。它在實際應(yīng)用過程中，可能會出現(xiàn)棋盤效應(yīng)、偽影等病態(tài)重建問題(見圖5)，而且該操作引入了巨額計算開銷，不宜用于邊緣設(shè)備部署。

通過進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，超分辨率任務(wù)中常用的像素重組操作也可實現(xiàn)上采樣，并且它是一種高效、快速、無參的像素重排列的上采樣方式，不僅取得了良好的上采樣效果，而且在工程應(yīng)用中容易實現(xiàn)。因此，文中改進(jìn)了超分辨率任務(wù)中常采用的像素洗牌方法，用于上采樣過程。假設(shè)輸入特征圖為x∈Rw×h×c，輸出特征圖為y∈R(2×w)×(2×h)×c，卷積核大小為1×1×(c×22)，激活函數(shù)選用PReLU，采用批正則化處理策略，同時像素洗牌的尺度參數(shù)為2。則上采樣模塊的處理過程可表示為：

y=PReLU(BatchNorm(PixelSHuffle(Conv(x))))

(1)

圖5 病態(tài)重建樣例

該模塊首先將圖像的通道數(shù)拓展到原先的4倍，然后使用像素洗牌運(yùn)算將像素重排，使得特征圖分辨率提升的同時，通道數(shù)還原到初值。

最終，深度網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通過提出的特征融合模塊實現(xiàn)特征金字塔的旁路連接，進(jìn)一步增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力。

2.3 訓(xùn)練過程

在實驗過程中的迭代總次數(shù)設(shè)置為300 K，選擇隨機(jī)梯度下降作為優(yōu)化策略，同時初始的學(xué)習(xí)率設(shè)置為10-3。同時，隨著訓(xùn)練次數(shù)的增加，學(xué)習(xí)率在第120輪迭代和第240輪迭代時分別衰減到10-4和10-5。

在訓(xùn)練過程中，模型的損失函數(shù)采用多任務(wù)損失。文中采用與TIB-Net相同的設(shè)置，分類任務(wù)的損失函數(shù)選用交叉熵函數(shù)，如公式(2)所示。

(2)

同時，回歸任務(wù)的損失函數(shù)選用平滑L1損失函數(shù)，如公式(3)所示。

(3)

所以，最終的損失函數(shù)由分類損失和回歸損失加權(quán)求和得到，如公式(4)所示。

(4)

3 實驗結(jié)構(gòu)與分析

3.1 數(shù)據(jù)集描述

由于缺乏公共的無人機(jī)基準(zhǔn)數(shù)據(jù)集評估，文中選用TIB-Net中提供的無人機(jī)數(shù)據(jù)集，其中采集并標(biāo)注了共2 750張VOC格式的數(shù)據(jù)樣本，部分樣本圖片如圖6所示，可以看出數(shù)據(jù)集中包含多種場景的小目標(biāo)無人機(jī)。

圖6 數(shù)據(jù)集中多場景無人機(jī)樣本展示

3.2 結(jié)果對比

文中采用mAP指標(biāo)以及生成權(quán)重模型大小來評估模型性能的優(yōu)劣，其中mAP的計算公式如公式(5)和公式(6)所示：

(5)

(6)

其中，p和r分別表示精度和召回率，N表示類別數(shù)，由于文中只涉及無人機(jī)檢測單類任務(wù)，因此N設(shè)置為1。

實驗結(jié)果如表1所示，可以看出改進(jìn)后的模型相較于原始的TIB-Net，在模型參數(shù)僅有少量增加的前提下，將mAP值提高到90%以上，提升了檢測模型的性能。

表1 不同模型的性能參數(shù)對比

為了進(jìn)一步分析實驗結(jié)果，圖7將部分檢測結(jié)果可視化?？梢钥闯?，集成特征融合模塊之后，網(wǎng)絡(luò)不僅能夠檢測出尺度極小的不同類型無人機(jī)，而且對復(fù)雜環(huán)境下的無人機(jī)檢測表現(xiàn)較為魯棒且更加精準(zhǔn)。通過分析，特征融合模塊能夠使特征圖中全局信息和局部信息更高效地融合，因此網(wǎng)絡(luò)模型可以根據(jù)無人機(jī)周邊環(huán)境(如天空、樹木)權(quán)衡并調(diào)整檢測結(jié)果的置信度，并最終規(guī)避了部分不合理的誤檢情況，與之對應(yīng)，一些漏檢的目標(biāo)就能夠被響應(yīng)并檢測出來。另一方面，超分辨率上采樣模塊緩解了傳統(tǒng)上采樣方式的信息丟失，避免了在這過程中的像素偏移，因此模型預(yù)測出的檢測框也就更加精準(zhǔn)。

圖7 模型檢測結(jié)果

4 結(jié)束語

文中基于TIB-Net主干網(wǎng)絡(luò)提出了基于深度特征提取的無人機(jī)檢測算法，通過集成層內(nèi)金字塔結(jié)構(gòu)和改進(jìn)的上采樣模塊，提升了模型的檢測性能。該算法具有較高的檢測精度以及較小的模型參數(shù)量，不僅能夠檢測出空中小尺寸無人機(jī)，同時對于復(fù)雜環(huán)境仍能保持性能穩(wěn)定。因此該算法可以部署在硬件性能較弱的邊緣設(shè)備上，以解決真實場景中戶外無人機(jī)檢測任務(wù)。另一方面，該算法在推理速度上仍有較大提升空間，盡管循環(huán)迭代的架構(gòu)可以減少模型尺寸，但模型深度仍然較大，耗費(fèi)了部分檢測時間。因此，未來將會繼續(xù)對該算法做針對性的改進(jìn)，在保證模型檢測精度的同時，減少模型的推理檢測時間。