劉宇宸，石 剛，崔 青，劉明輝，鄭秋萍

(新疆大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，新疆 烏魯木齊 830046)

0 引言

隨著現(xiàn)代科技的飛速發(fā)展，無人駕駛技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)實(shí)，其中交通標(biāo)志檢測是無人駕駛和輔助駕駛的重要組成部分.然而交通標(biāo)志識別容易受到天氣變化、遮擋、光照強(qiáng)度變化等影響，這給無人駕駛的應(yīng)用帶來了很大的安全風(fēng)險[1].因此，需要設(shè)計一種實(shí)時性強(qiáng)、精度高的方法來解決上述問題.

自2012年文獻(xiàn)[2]在Imagenet大規(guī)模視覺識別挑戰(zhàn)賽取得巨大的成功后，越來越多的深度學(xué)習(xí)模型被提出并應(yīng)用于交通標(biāo)志牌的識別.目前交通標(biāo)志牌識別的主流算法主要以Faster R-CNN(Faster Region-CNN)[3]和YOLO(You Only Look Once)[4]兩大類為主，其中Faster R-CNN為雙階段模型，其檢測精度高，但是檢測速率略慢，YOLO為單階段模型，其檢測速率快，但是精度有所下降.

為了提高交通標(biāo)志牌的檢測精度，文獻(xiàn)[5]首先提出改進(jìn)的YOLOv2算法，但是其檢測準(zhǔn)確度與精度都很低，隨后提出了多尺度融合的Cascaded R-CNN 算法，檢測準(zhǔn)確度雖然有所上升，但其存在檢測速率慢的問題.為了更好契合實(shí)時性的特點(diǎn)，李旭東等[6]基于YOLOv3-Tiny提出了基于三尺度嵌套殘差結(jié)構(gòu)的交通標(biāo)志快速檢測算法，在CCTSDB上其檢測速度高達(dá)200 f/s，但是精度卻有所下降.陳昌川等[7]基于YOLOv3融合殘差網(wǎng)絡(luò)、下采樣并且舍棄通用池化層而改用卷積層等操作，提出了T-YOLO算法，在CCTSDB上檢測精度高達(dá)97.3%，但檢測速率每秒傳輸幀數(shù)(FPS)只有19.3，最新的算法YOLOv5s雖然檢測速度很快，但是檢測準(zhǔn)確度與檢測精度卻很低.

綜上所述，為了減少算法的計算量，提高對目標(biāo)的定位精度，本文提出了一種改進(jìn)的MobileNetv3-YOLOv3算法，該算法與最新的算法比較，本文所提出的算法準(zhǔn)確度和平均精度最好.

1 模型的構(gòu)建

1.1 YOLOv3網(wǎng)絡(luò)

YOLOv3算法是對YOLOv2算法的改進(jìn)，其借鑒殘差網(wǎng)絡(luò)(ResNet)[8]的思想，并增加了快捷鏈路(shortcut connections)、融合特征金字塔網(wǎng)絡(luò)(Feature Pyramid Network，F(xiàn)PN)[9]，相比較之前的算法，YOLOv3在小目標(biāo)的檢測上有了顯著的提升.

YOlOv3是端到端的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以DarkNet-53為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由53層卷積而組成，從不同尺度來提取對應(yīng)的特征，可以減少計算量并且降低低級特征在池化層中的丟失.YOLOv3算法處理流程如圖1所示.

圖1 YOLOv3算法處理流程

1.2 Focus模塊

聚焦(Focus)模塊的概念，最先應(yīng)用于YOLOv5，聚焦(Focus)模塊的作用是在圖片進(jìn)入骨干網(wǎng)絡(luò)(backbone)前，對圖片進(jìn)行切片操作，將圖片的每一個像素值進(jìn)行下采樣處理，經(jīng)過一系列卷積操作后就可以得到?jīng)]有信息丟失的特征圖，可以有效地減少計算量加快處理速度.聚焦(Focus)模塊處理流程如圖2所示.

圖2 聚焦(Focus)模塊處理流程

1.3 SPPNet模塊

空間金字塔池化網(wǎng)絡(luò)(Spatial Pyramid Pooling Network，SPPNet)[10]模塊可以將任意分辨率的feature map轉(zhuǎn)換為與全連接層相同維度相匹配的特征向量，使得特征向量不再是單一尺度，其有效避免圖像因?yàn)榭s放、剪裁等一系列操作而導(dǎo)致圖像失真的問題，SPPNet試圖通過增強(qiáng)圖像處理，將圖像像素映射到特征圖的感受野中心，增強(qiáng)感受野，提高處理結(jié)果的準(zhǔn)確性.

圖片左上角映射公式為

x′=[x/S]+1.

(1)

圖片右下角映射公式為

x′=[x/S]-1.

(2)

SSPNet也解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中特征重復(fù)提取的問題，可以提高候選框的速度，從而大大降低了成本.SSPNet模塊處理流程如圖3所示.

圖3 SSPNet模塊處理流程

1.4 CSPNet模塊

跨階段局部網(wǎng)絡(luò)(Cross Stage Partial Network，CSPNet)[11]結(jié)構(gòu)在YOLO算法中最先應(yīng)用于YOLOv4，CSPNet提出CSPNet是因?yàn)樽髡哒J(rèn)為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中梯度重復(fù)導(dǎo)致算法推理速度慢，CSPNet起到的作用是將梯度變化全部集成到要處里的特征圖中，CSPNet常常用于與ResNet[12]模塊結(jié)合，這樣可以大大減少計算量，保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性.

2 改進(jìn)MobileNetv3-YOLOv3網(wǎng)絡(luò)模型

2.1 MobileNetv3-YOLOv3

2.1.1 MobileNet模型

MobileNet系列因其檢測快速、精準(zhǔn)度高而被廣泛應(yīng)用于目標(biāo)檢測，它已經(jīng)成為輕量級網(wǎng)絡(luò)的代表.MobileNet使用的是深度可分離卷積，它相較于經(jīng)典的CNN模型，其主要是將部分的全連接層來進(jìn)行替換，以達(dá)到降低計算量的效果.深度可分離卷積和標(biāo)準(zhǔn)卷積結(jié)構(gòu)如圖4所示.

深度可分離卷積的計算成本為

DK×DK×M×DF×DF.

(3)

逐點(diǎn)卷積的計算成本為

M×N×DF×DF.

(4)

深度可分離卷積與逐點(diǎn)卷積的計算成本為

(5)

圖4 深度可分離卷積和標(biāo)準(zhǔn)卷積結(jié)構(gòu)

2.1.2 MobileNetv3-YOLOv3模型

MobileNetv3-YOLOv3是將YOLOv3的骨干網(wǎng)絡(luò)DarkNet替換為MobileNetv3，利用了MobileNetv3的特性，保證模型為輕量型，其中MobileNetv3對多通道的3×3深度可分離卷積的卷積核進(jìn)行操作，然后經(jīng)過1×1的點(diǎn)卷積操作來完成特征圖的融合，這樣可以縮小模型的大小.MobileNetv1和MobileNetv2都具有32個濾波器的常規(guī)3×3卷積層，然而實(shí)驗(yàn)表明，這是一個相對耗時的層，只要16個濾波器就足夠完成對224×224特征圖的濾波.雖然這樣并沒有節(jié)省很多參數(shù)，但確實(shí)降低了計算量，利用YOLOv3處理數(shù)據(jù)快的特性，可以加快模型的訓(xùn)練速度，以達(dá)到實(shí)時處理數(shù)據(jù)的目的，MobileNetv3-YOLOv3算法流程如圖5所示.

圖5 MobileNetv3-YOLOv3算法流程

2.1.3 MobileNetv3-YOLOv3模型的局限性

MobileNetv3-YOLOv3在YOLOv3的基礎(chǔ)上降低了計算量，但是仍然存在著一些缺點(diǎn).實(shí)驗(yàn)表明[9]，深度可分離卷積在3×3的規(guī)模的時候，其計算量比標(biāo)準(zhǔn)卷積少了很多，使得模型的體積縮小，降低了計算量和成本，但其在大規(guī)模的特征處理中，仍然存在著特征提取不足的問題，在輸入一幀的情況下，多尺度特征圖在YOLOv3下定義為：

Fn=tn(Fn-1)=tn(tn-1(…t1(I)))；

(6)

D=fn(dn(Fn)，…，dn-k(Fn-k))，n>k>0.

(7)

其中：Fn表示第n層特征圖，t1(I)表示輸入圖像的第一層與特征圖之間的非線性關(guān)系，在經(jīng)過一系列卷積操作后就會得到相對應(yīng)n值的非線性函數(shù)的檢測結(jié)果.從以上的公式不難看出，輸入的n值不同，特征圖對應(yīng)特征層的檢測結(jié)果也會發(fā)生改變，為了保證檢測結(jié)果的準(zhǔn)確度，需要保證特征圖中每一層特征層包含的信息足夠多，MobileNetv3-YOLOv3雖然采用了深層卷積網(wǎng)絡(luò)，但是在特征提取的過程中，容易忽視淺層的一些特征信息，從而導(dǎo)致獲取到的小目標(biāo)信息過少，最終檢測結(jié)果也會以顯示大目標(biāo)為主要部分.從這點(diǎn)不難看出，MobileNetv3-YOLOv3對于小目標(biāo)的檢測并不精準(zhǔn)，而本文所要檢測的物體是交通標(biāo)志牌，其屬于小目標(biāo)檢測的范疇.

2.2 改進(jìn)MobileNetv3-YOLOv3骨干網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

MobileNetv3-YOLOv3雖然縮短了計算量，但也存在一些缺陷，對于小目標(biāo)的檢測精度不高，由于分辨率低，小目標(biāo)物體占用的像素低、攜帶的信息少、容易導(dǎo)致特征丟失，這是因?yàn)樵谶M(jìn)入MobileNetv3骨干網(wǎng)絡(luò)之前沒有對圖像進(jìn)行預(yù)處理可能導(dǎo)致圖像特征的丟失，以及在處理過程中可能存在圖像失真的問題，所以本文為了解決這些問題引用了聚焦(Focus)模塊來進(jìn)行圖片的預(yù)處理，用來防止圖像特征的丟失，以及引用空間金字塔池化網(wǎng)絡(luò)(Spatial Pyramid Pooling Network，SPPNet)防止圖像失真，引入這兩個模塊會增強(qiáng)了小目標(biāo)檢測，但是也增加了計算量，所以最后引入跨階段局部網(wǎng)絡(luò)(Cross Stage Partial Network，CSPNet)消除在計算過程中產(chǎn)生的重復(fù)特征以及消除計算瓶頸，可以保證模型的準(zhǔn)確率以及訓(xùn)練速度，同時也能縮小模型的體積，本文算法CCTSDB數(shù)據(jù)集中與YOLOv3的比較，模型體積縮小了26%，其中YOLOv3訓(xùn)練好的模型體積為123.3 MB，本文算法訓(xùn)練好的模型體積為89.9 MB，改進(jìn)的MobileNetv3-YOLOv3骨干網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如表1所示.

表1 改進(jìn)MobileNetv3-YOLOv3骨干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3 算法流程

改進(jìn)的MobileNetv3-YOLOv3算法流程如圖6所示，該網(wǎng)絡(luò)可接受任意RGB色彩的圖像格式的輸入，然后經(jīng)過聚焦(Focus)模塊的處理，對圖片進(jìn)行切片操作，將圖片的每一個像素值進(jìn)行下采樣處理，經(jīng)過一系列卷積操作后得到?jīng)]有信息丟失的特征圖，然后將其經(jīng)過深度可分離卷積的操作后，傳入空間金字池化網(wǎng)絡(luò)(Spatial Pyramid Pooling Network，SPPNet)，可以使得特征圖轉(zhuǎn)換為與全連接層相同維度相匹配的特征向量，可以加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)層，更進(jìn)一步確定特征圖信息的準(zhǔn)確率，最后進(jìn)入跨階段局部網(wǎng)絡(luò)(Cross Stage Partial Network，CSPNet)消除在計算過程中產(chǎn)生的重復(fù)特征以及消除計算瓶頸，達(dá)到模型的最優(yōu)化.

圖6 改進(jìn)的MobileNetv3-YOLOv3算法流程

2.4 改進(jìn)MobileNetv3-YOLOv3損失函數(shù)

改進(jìn)的MobileNetv3-YOLOv3采用CIoU為損失函數(shù).IoU表示交并比，是目標(biāo)檢測的常用指標(biāo)，用預(yù)測檢測框與真實(shí)檢測框進(jìn)行比較，比較值越趨于1說明效果越好，越接近真實(shí)值，IoU計算公式為

(8)

IoU作為損失函數(shù)也會出現(xiàn)一些問題，如目標(biāo)檢測框與正式檢測框沒有相交，那么IoU的值為0，不能反應(yīng)兩者的重合度，同時loss的值也為0，沒有進(jìn)行梯度回傳的問題，那么模型將無法進(jìn)行訓(xùn)練.GIoU的提出就是為了解決框值不重疊而導(dǎo)致無法進(jìn)行梯度回傳的問題，GIoU的公式為

LGIoU=1-IoU(A，B)+|C-A∪B|/|C|.

(9)

其中：A表示預(yù)測框，B表示真實(shí)框，C是A和B的最小包圍框，但是GIoU存在著收斂速度慢的問題，因此，DIoU被提出，并且DIoU在IoU損失中增加了一個懲罰項(xiàng)，用來最小化兩個檢測框之間的距離，DIoU的公式為

LDIoU=1-IoU(A，B)+p2(Actr，Bctr)/c2.

(10)

其中：A表示預(yù)測框，B表示真實(shí)框，Actr表示預(yù)測檢測框中心的點(diǎn)坐標(biāo)，Bctr表示真實(shí)檢測框中心的點(diǎn)坐標(biāo)，p(·)表示歐式距離的計算公式.CIoU是DIoU的加強(qiáng)版，在DIoU的基礎(chǔ)上將長寬比引入進(jìn)來.CIoU的損失值不在單一化，而是包含中心點(diǎn)的距離、長寬比以及重疊面積，其公式為：

LCIoU=1-IoU(A，B)+
p2(Actr，Bctr)/c2+αυ；

(11)

(12)

(13)

其中：A表示預(yù)測框，B表示真實(shí)框，Actr表示預(yù)測檢測框中心的點(diǎn)坐標(biāo)，Bctr表示真實(shí)檢測框中心的點(diǎn)坐標(biāo)，wgt和hgt表示真實(shí)檢測框的寬和高，w和h表示預(yù)測檢測框的寬和高.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)集介紹

本文所采用的數(shù)據(jù)集來自文獻(xiàn)[13](CSUST Chinese Traffic Sign Detection Benchmark，CCTSDB)，是在2018年由文獻(xiàn)[5]制作完成，總共包含3大類：禁止、警告、指示，如圖7所示.為了保證結(jié)果的準(zhǔn)確率，需要龐大的數(shù)據(jù)量的支持，該數(shù)據(jù)集有16 123張圖片，其中15 000張圖片作為訓(xùn)練集，400張圖片作為測試集.

(a)禁止標(biāo)志(紅色) (b)警告標(biāo)志(黃色) (c)指示標(biāo)志(藍(lán)色)

3.2 實(shí)驗(yàn)配置

實(shí)驗(yàn)是在Ubuntu18.04.4LTS系統(tǒng)下進(jìn)行的，采用的是pytorch1.8.1深度學(xué)習(xí)框架，CUDA10.0，硬件配置為NVIDIA RTX 2080Ti顯卡，12 GB顯存.訓(xùn)練時的參數(shù)配置：輸入為640×640像素比例的圖像，lr0為0.01，lrf為0.2，momentum為0.937，weight_decay為0.000 5，訓(xùn)練批次為110，批量大小為12.

3.3 實(shí)驗(yàn)評價指標(biāo)

實(shí)驗(yàn)使用多個指標(biāo)來對算法進(jìn)行評估，包括精確度(P)，召回率(R)，平均精度值(mAP)以及FPS，它們的計算過程如公式(14)—(17)所示，其中TP表示預(yù)測正確的正樣本的數(shù)量，F(xiàn)N表示預(yù)測失敗的正樣本的數(shù)量，p(rc)表示在召回率為rc的情況下的p值.

(14)

(15)

(16)

(17)

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了對本次提出的算法進(jìn)行有效的驗(yàn)證，本文在公開數(shù)據(jù)集CCTSDB上進(jìn)行了消融對比實(shí)驗(yàn)，其檢測結(jié)果如表2所示.表2列出了P，R，mAP 3種評價指標(biāo)，在(CIoU取值為0.6)的情況下，對比baseline可以得出，本文所提出的算法P提升了8.6%，R值提升了0.5%，mAP值提升了3.3%.根據(jù)上述消融實(shí)驗(yàn)的對比可以得出本文所提出的算法有了明確的提升，本文算法在CCTSDB數(shù)據(jù)集下的P，R，PR的曲線分別如圖8所示，測試集的測試效果如圖9所示，以YOLOv3與本文的算法對比為例，其中0表示警告類交通標(biāo)志，1表示指示類交通標(biāo)志，2表示禁止類交通標(biāo)志，值越接近1效果越好.

表2 改進(jìn)的MobileNetv3-YOLOv3在CCTSDB數(shù)據(jù)集上消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果

(a)P值曲線；(b)R值曲線；(c)PR值曲線

(a)YOLOv3算法1 (b)本文的算法1

(c)YOLOv3算法2 (d)本文的算法2

為了驗(yàn)證本文所提出的算法的有效性，將本文的算法與最新文獻(xiàn)所提出的算法在CCTSDB公開數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了對比，對比結(jié)果如表3所示.從表3可以看出，YOLOv3以及T-YOLO均不是最優(yōu)解，YOLOv3的準(zhǔn)確度很低，而T-YOLO雖然準(zhǔn)確度上升了，但是FPS卻下降到了極低的水平，根本無法滿足實(shí)時檢測的目的，改進(jìn)的YOLOv3-Tiny雖然R得到最優(yōu)的結(jié)果，但是最關(guān)鍵的指標(biāo)mAP卻很低，無法滿足精準(zhǔn)測量的目標(biāo)，最新的算法YOLOv5s雖然FPS是最高的，但是P、R以及mAP均不如本文所提出的算法，綜上對比可知，本文的算法在交通標(biāo)志牌檢測方面具有很好的效果.

表3 不同算法在CCTSDB數(shù)據(jù)集中的表現(xiàn)

4 結(jié)束語

為了改進(jìn)目前主流算法對交通標(biāo)志牌檢測精度低、處理速度慢的問題，本文提出了改進(jìn)的MobileNetv3-YOLOv3算法，引入SSPNet去除重復(fù)特征，可以提高候選框的速度，加快模型的推理速度，引入CSPNet消除計算瓶頸，節(jié)省了計算量，引入Focus層防止特征圖信息丟失，保證模型的準(zhǔn)確度.從CCTSDB的對比實(shí)驗(yàn)可以看出，本文的P以及mAP值均取得了最優(yōu)的結(jié)果，與YOLOv3算法相比，本文的P、R、mAP值、FPS都得到了有效的提升，分別提升了6%，1.8%，1.8%以及15%，雖然FPS比YOLOv3以及T-YOLO高，但還不是最好的，未來還會在檢測速度方面進(jìn)行提升以達(dá)到最優(yōu)的效果.