李福祿, 吉 喆, 段修生

(1.石家莊鐵道大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 石家莊 050043；2.河北交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣與信息工程系，河北 石家莊 050035)

0 引言

身管靶標(biāo)位置識別與跟蹤作為身管位姿解算的先決條件，其識別效果和動態(tài)跟蹤精度決定了身管位姿解算的最終精度。實(shí)際情況中，為了保證身管靶標(biāo)的識別效果和跟蹤精度，往往選取棋盤標(biāo)志物、圓形標(biāo)志物等形狀規(guī)則的物體作為身管靶標(biāo)。近些年有諸多學(xué)者對此開展了一系列研究，蘇建東等[1]提出一種基于單目視覺的平面靶標(biāo)姿態(tài)測量模型，但動態(tài)跟蹤識別效果不理想，存在一定的局限性。齊寰宇等[2]提出火炮身管指向測量方法，但由于靶標(biāo)識別算法采用霍夫變換檢測原理，在靶標(biāo)識別精度滿足的同時，動態(tài)跟蹤相對滯后。另外還有一些學(xué)者采用CCD、經(jīng)緯儀、全站儀、激光跟蹤儀等方法，方法相對繁瑣且動態(tài)跟蹤精度不高[3-8]。

隨著近些年基于深度學(xué)習(xí)的圖像處理與目標(biāo)識別技術(shù)的發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域?qū)⑸疃葘W(xué)習(xí)技術(shù)與計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)進(jìn)行融合，從而達(dá)到更好的機(jī)器識別效果。尹靖涵等[8]提出了一種基于深度學(xué)習(xí)的交通標(biāo)志識別模型[9]，將計(jì)算機(jī)視覺與深度學(xué)習(xí)算法進(jìn)行融合，有效地解決了霧霾、雨雪等惡劣天氣下小型交通標(biāo)志識別精度低、漏檢嚴(yán)重的問題。其與實(shí)際靶標(biāo)圖像提取時情況相近，需通過單目攝像機(jī)采集不同姿態(tài)下動態(tài)身管靶標(biāo)數(shù)據(jù)，因靶標(biāo)相對較小，且單目視覺系統(tǒng)采集精度受目標(biāo)動態(tài)變化影響較大[9-10]。受其啟發(fā)，提出一種基于YOLOv5深度學(xué)習(xí)算法的動態(tài)身管靶標(biāo)識別跟蹤方法。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，基于該方法的身管靶標(biāo)實(shí)時識別跟蹤效果良好。

1 YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型搭建

如圖1所示，YOLOv5包括：Input(輸入端)、Backbone(主干網(wǎng)絡(luò))、Neck(頸部網(wǎng)絡(luò))基本模塊。

圖1 YOLOv5網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)與組件圖

(1)Input模塊。Input端包括Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)、自適應(yīng)錨框計(jì)算、圖片尺寸處理3部分。Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng):通過對4張樣本圖像進(jìn)行隨機(jī)縮放、隨機(jī)裁剪、隨機(jī)排布的方式進(jìn)行拼接，豐富了樣本圖像的細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。自適應(yīng)錨框計(jì)算:在YOLOv5模型訓(xùn)練前，需要預(yù)先設(shè)定初始錨框，然后根據(jù)初始錨框預(yù)測輸出錨框，通過計(jì)算對比輸出錨框與真實(shí)錨框的差值來更新模型網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。通過增加自適應(yīng)錨框計(jì)算代碼改善了以往錨框值單獨(dú)計(jì)算存在訓(xùn)練結(jié)果不優(yōu)的情況，對樣本圖片進(jìn)行尺寸處理，保證所有樣本的輸入尺寸統(tǒng)一。

(2)Backbone。Backbone主要由Focus、Bottleneck CSP模塊構(gòu)成。Focus負(fù)責(zé)把數(shù)據(jù)切分為4份，每份數(shù)據(jù)都是相當(dāng)于2倍下采樣得到的，然后在channel維度進(jìn)行拼接，最后進(jìn)行卷積操作。Bottleneck CSP通過對基礎(chǔ)層的特征映射圖進(jìn)行復(fù)制、dense block處理等操作，將基礎(chǔ)層特征圖進(jìn)行分離，在很大程度上解決了梯度消失帶來的影響，并且能夠?qū)崿F(xiàn)特征的傳播和復(fù)用，降低了網(wǎng)絡(luò)模型的參數(shù)冗余，提高了模型計(jì)算速度和識別準(zhǔn)確率。

(3)Neck。YOLOv5的Neck模塊應(yīng)用了Path-Aggregation Network路徑聚合網(wǎng)絡(luò)(Pannet)，如圖2所示，在從上到下的金字塔網(wǎng)絡(luò)中(FPN)，通過上采樣操作處理信息傳遞過程得到預(yù)測特征圖。

圖2 路徑聚合網(wǎng)絡(luò)Path-Aggregation Network

Pannet是基于Mask R-CNN和FPN搭建的，增強(qiáng)了信息傳遞效能。通過優(yōu)化Pannet特征提取器的FPN結(jié)構(gòu)，改善了特征層自上而下的傳遞方式。在每個路徑中，都以前一級的特征映射作為當(dāng)前路徑的輸入，并采用卷積的方式進(jìn)行處理。然后將特征輸出送入FPN結(jié)構(gòu)的特征圖中，給下層結(jié)構(gòu)提供輸入。同時，以自適應(yīng)特征池化(adaptive feature pooling)方法，重現(xiàn)特征層和候選區(qū)的中斷信息，并將其合并以防分配混亂。

2 損失函數(shù)對比優(yōu)化

損失函數(shù)包括:分類損失(classification loss)用來預(yù)測模型分類誤差，定位損失(localization loss)用來預(yù)測邊界框與GT之間的誤差，置信度損失(confidence loss)，用來預(yù)測錨框的目標(biāo)性[11]。為了選擇合適的損失函數(shù)，對YOLO常用的集中損失函數(shù)進(jìn)行了對比分析。

圖3為基于IOU、GIOU、DIOU識別精度對比，使用3種損失函數(shù)下的區(qū)別，尤其是當(dāng)目標(biāo)錨框包括預(yù)測框時，DIOU可以更好地區(qū)分不同情況的差異。

圖3 目標(biāo)錨框包括預(yù)測框的3種情況

從表1可以看出，基于IOU和GIOU的損失函數(shù)，模型無法區(qū)分3種情況，基于DIOU損失函數(shù)的網(wǎng)絡(luò)模型可以區(qū)分出。圖4、圖5為基于以上3種損失函數(shù)模型收斂速度對比，可以看出，相對于GIOU作為損失函數(shù)，DIOU有著更加優(yōu)秀的收斂速度。

表1 3種情況下?lián)p失函數(shù)指數(shù)

圖4 以GIOU作為損失函數(shù)的收斂情況

圖5 以DIOU作為損失函數(shù)的收斂情況

YOLOv5采用二元交叉熵?fù)p失函數(shù)計(jì)算類別概率和目標(biāo)置信度得分的損失，并且使用CIOU_Loss作為bounding box回歸的損失。CIOU在DIOU的基礎(chǔ)上增加了2個參數(shù)

(1)

式中，v為錨框?qū)挾群透叨鹊谋壤旌隙取?/p>

(2)

(3)

如果進(jìn)一步對CIOU進(jìn)行優(yōu)化，需要進(jìn)行以下操作

(4)

(5)

式中，w、h屬于[0，1]，為了避免梯度爆炸造成計(jì)算量大幅增加的情況，一般令h/w2+h2=1。

對IOU、GIOU、CIOU作為損失函數(shù)的回歸情況進(jìn)行對比，如圖6所示。

圖6 回歸情況對比

DIOU Loss雖然比GIOU Loss和CIOU Loss具有更快的收斂速度，但CIOU Loss考慮的因素更多，能夠更充分地描述錨框的回歸。

3 模型訓(xùn)練

3.1 制作數(shù)據(jù)集

選取MAKE SENSE環(huán)境制作數(shù)據(jù)集，首先將需要的樣本數(shù)據(jù)集導(dǎo)入MAKE SENSE環(huán)境，并精準(zhǔn)框選出線性靶標(biāo)各個標(biāo)識圓的位置，最終得到帶有標(biāo)識圓位置信息的labels文件。

在labels文件中從左到右，每一列分別代表目標(biāo)類別，x_center、y_center、寬度和高度[12]，由于實(shí)際情況中只專注于身管靶標(biāo)的跟蹤識別，所以只需設(shè)置一類記為0。圖7所示的靶標(biāo)位置示意了YOLOv5的labels標(biāo)注文件所需要的目標(biāo)位置信息，其中圖像的寬度記為width，高度記為height，目標(biāo)的左上角坐標(biāo)記為(xmin,ymin)，目標(biāo)右下角坐標(biāo)記為(xmax,ymax)，目標(biāo)中心坐標(biāo)記為(x_center,y_center)。由于錨框坐標(biāo)必須采用規(guī)范化的xywh格式(從0到1)，所以需要通過公式的計(jì)算才能得到labels標(biāo)注文件的數(shù)據(jù)，計(jì)算公式為

圖7 樣本標(biāo)注格式示意圖

(6)

(7)

(8)

(9)

3.2 目標(biāo)框的回歸策略

Anchor給出了目標(biāo)寬高的初始值，需要回歸的是目標(biāo)真實(shí)寬高與初始寬高的偏移量，即預(yù)測框中心點(diǎn)相對于對應(yīng)網(wǎng)格(gridcell)左上角位置的相對偏移值。為了將邊界框中心點(diǎn)約束在當(dāng)前網(wǎng)格中，采用sigmoid函數(shù)處理偏移值，使預(yù)測偏移值在(0，1)范圍內(nèi)，目標(biāo)框回歸示意圖如圖8所示。

圖8 目標(biāo)框回歸示意圖

由于原始的框方程式寬度和高度完全不受限制，所以可能導(dǎo)致失控的梯度、不穩(wěn)定、NaN損失并最終完全失去訓(xùn)練[13]。通過sigmoid所有模型輸出來修補(bǔ)此錯誤，同時還要確保中心點(diǎn)保持不變。通過設(shè)置當(dāng)前的方程式，將錨點(diǎn)的倍數(shù)從最小0限制為最大4，并將錨框-目標(biāo)匹配更新為基于寬度-高度的倍數(shù)，設(shè)置標(biāo)稱上限閾值超參數(shù)為4.0。采用跨鄰域網(wǎng)格的匹配策略，從而得到更多的正樣本，通過從當(dāng)前網(wǎng)格的上、下、左、右的4個網(wǎng)格中找到離目標(biāo)中心點(diǎn)最近的2個網(wǎng)格，再加上當(dāng)前網(wǎng)格共3個網(wǎng)格進(jìn)行匹配，從而加速收斂。

3.3 訓(xùn)練結(jié)果

身管靶標(biāo)模型訓(xùn)練環(huán)境為：Windows10操作系統(tǒng)、NVIDA GeForce GTX 3050 Ti GPU、AMD Ryzen 75800H@3.2 Hz CPU、16 GB RAM、軟件環(huán)境Pytorch1.10、實(shí)驗(yàn)語言Python3.10、運(yùn)行環(huán)境Pycharm2021.3。經(jīng)過300輪次的訓(xùn)練得到了靶標(biāo)識別跟蹤模型，不同姿態(tài)下模型的動態(tài)識別跟蹤效果如圖9所示。

圖9 訓(xùn)練后模型對線性身管靶標(biāo)樣本的檢測效果

4 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可視化分析

為了更好地對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，采用YOLOv5模型的數(shù)據(jù)可視化模塊對靶標(biāo)訓(xùn)練模型進(jìn)行可視化分析，包括對訓(xùn)練模型的置信度和F1分?jǐn)?shù)的關(guān)系、識別精準(zhǔn)率與召回率關(guān)系、識別準(zhǔn)確率和置信度關(guān)系、以及錨框跟蹤損失進(jìn)行可視化處理。對所涉及參數(shù)指標(biāo)及關(guān)系進(jìn)行介紹并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果展開分析。

如圖10所示為訓(xùn)練模型F1分?jǐn)?shù)、精準(zhǔn)率(precision)、回歸率(recall)、置信度(confidence)等參數(shù)[14]之間的關(guān)系曲線，由于只針對靶標(biāo)進(jìn)行專一性單類目標(biāo)識別跟蹤，僅需分析身管靶標(biāo)的模型識別參數(shù)，因此只需呈現(xiàn)一條數(shù)據(jù)曲線。F1分?jǐn)?shù)是分類效果的衡量指標(biāo)，在圖10(a)中，0.775是參數(shù)節(jié)點(diǎn)，在0.775之前隨著置信度上調(diào)，F(xiàn)1分?jǐn)?shù)逐漸上升，最大值達(dá)到0.99的分類精確度，之后開始下降。在圖10(b)中，通過設(shè)置置信度參數(shù)到0.833，分類精準(zhǔn)率可達(dá)到1，之后分類精準(zhǔn)率得到保持。圖10(c)的下圍面積反映了模型的分類器性能，圖10(d)中數(shù)據(jù)回歸率達(dá)到了0.993，說明該訓(xùn)練學(xué)習(xí)器表現(xiàn)良好。綜上所述，該訓(xùn)練模型的置信率配置節(jié)點(diǎn)于0.80左右可以實(shí)現(xiàn)良好的模型訓(xùn)練結(jié)果，達(dá)到0.993的識別效果。

圖10 模型參數(shù)特征曲線

將靶標(biāo)跟蹤模型數(shù)據(jù)導(dǎo)出，對數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，如圖11所示為300輪次訓(xùn)練的靶標(biāo)回歸損失數(shù)據(jù)。YOLOv5使用GIOU Loss作為bounding box的損失，box推測為GIoU損失函數(shù)均值，訓(xùn)練損失率基本在0.04～0.10范圍之內(nèi)，訓(xùn)練模型達(dá)到了錨框精準(zhǔn)度要求；目標(biāo)檢測Loss均值在0.04～0.08之間；分類Loss均值為0；分類精度在0.9～1之間；回歸參數(shù)0.9～1之間；mAP基本處于0.9～1.0之間。從結(jié)果可以看出，本實(shí)驗(yàn)有著良好的回歸效果，靶標(biāo)錨框跟蹤精度達(dá)到0.95，分類跟蹤準(zhǔn)確率達(dá)到0.993，驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性。

圖11 300訓(xùn)練輪次中靶標(biāo)錨框回歸損失

5 結(jié)論

為解決身管靶標(biāo)動態(tài)識別跟蹤檢測問題，融合深度學(xué)習(xí)相關(guān)理論和技術(shù)，提出了一種基于YOLOv5的身管靶標(biāo)檢測方法，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，證明該方法切實(shí)可行，動態(tài)識別跟蹤精度達(dá)到了實(shí)際需求。該方法較現(xiàn)有的身管靶標(biāo)識別跟蹤方法最大的改進(jìn)在于動態(tài)情況下跟蹤檢測的實(shí)時性，以及靶標(biāo)錨框動態(tài)跟蹤精度。由于實(shí)際情況中身管靶標(biāo)與攝像機(jī)的距離在5～10 m范圍，因而不需要考慮遮擋對識別效果的影響。今后仍需要將該方法的原理與身管靶標(biāo)后續(xù)的角點(diǎn)檢測、位姿解算相結(jié)合，深入研究尺度變換、畸變和數(shù)據(jù)采集幀率對動態(tài)識別跟蹤效果的影響，增加方法的普遍適用性。