程澤華，韓俊英

（甘肅農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730070）

0 引言

自新型冠狀病毒（COVID-19）肺炎爆發(fā)以來，人們的生產(chǎn)和生活方式都受到不同程度的影響，嚴(yán)重影響我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展的同時(shí)也對人們的生命健康產(chǎn)生了極大威脅。為了防止病毒的肆意傳播，合理佩戴口罩已經(jīng)成為一種重要的保護(hù)手段。隨著病毒的不斷變異，其傳播能力也變得更強(qiáng)。在一些人口密集區(qū)域（例如超市、醫(yī)院和車站等）僅靠人工檢測是否合理佩戴口罩，在消耗大量人力的同時(shí)還存在漏檢情況，因此利用計(jì)算機(jī)視覺代替人工，完成對是否正確佩戴口罩的檢測具有重要意義。

近幾年，隨著科技的不斷發(fā)展，深度學(xué)習(xí)也得以快速發(fā)展。目前，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法主要分為One-Stage［1］和Two-Stage［2］兩類。One-Stage 算法有檢測速度快、網(wǎng)絡(luò)模型小、非常適合移動(dòng)設(shè)備等優(yōu)點(diǎn)，但它檢測精度相對較低，主要代表算法有SSD、YOLO［3］系列。隨著YOLO 系列不斷發(fā)展，到Y(jié)OLOv5 網(wǎng)絡(luò)，已經(jīng)解決了檢測精度低的問題。Two-Stage 算法具有檢測精度高的特點(diǎn)，但其檢測速度較慢、訓(xùn)練時(shí)間長，主要的代表算法有Fast-CNN［4］、Faster R-CNN［5］等。目前，已產(chǎn)生了大量的口罩識別檢測算法，如文獻(xiàn)［6］設(shè)計(jì)一種高激活性鬼影模塊，以輕量的計(jì)算代價(jià)減少特征圖中的冗余；文獻(xiàn)［7］通過增加Max Module 結(jié)構(gòu)以獲得更多目標(biāo)的主要特征，提高檢測準(zhǔn)確率；文獻(xiàn)［8］提出一種多尺度特征融合的輕量化口罩佩戴檢測算法，通過多層級交叉融合結(jié)構(gòu)最大程度地提取有用信息以提高特征利用率。雖然，他們對網(wǎng)絡(luò)模型做了一定改進(jìn)，但忽略了在人群密集、光線昏暗、檢測目標(biāo)存在部分遮擋等復(fù)雜環(huán)境中，輕量化的網(wǎng)絡(luò)可能會導(dǎo)致特征提取能力不足的問題。針對上述問題，本文通過加入數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法和設(shè)計(jì)輕量化的特征提取模塊，解決了光線昏暗、人群密集復(fù)雜環(huán)境下特征提取能力不足的問題，同時(shí)也實(shí)現(xiàn)了對YOLOv5算法的輕量化改進(jìn)。

1 相關(guān)工作

1.1 可分離卷積

可分離卷積包括空間可分離卷積和深度可分離卷積［9］?？臻g可分離卷積通常將卷積核拆分為兩個(gè)較小的卷積核進(jìn)行計(jì)算，在較小的損失情況下降低計(jì)算成本。本文將一個(gè)3×3 的卷積核拆分成一個(gè)3×1 的卷積核和一個(gè)1×3 的卷積核，先使用3×1 的卷積核對特征圖進(jìn)行卷積操作，將卷積的結(jié)果再使用1×3 的卷積核進(jìn)行卷積操作，得到輸出的特征圖。深度可分離卷積采用對每個(gè)通道分別進(jìn)行卷積計(jì)算的方式，減少卷積計(jì)算的參數(shù)個(gè)數(shù)。其卷積計(jì)算要分兩步完成，首先對每個(gè)通道（深度）分別進(jìn)行空間卷積，并對卷積結(jié)果進(jìn)行拼接，然后使用單位卷積核進(jìn)行通道卷積得到輸出的特征圖。

1.2 自適應(yīng)特征融合

在圖像處理的特征融合過程中，常用的融合方式有通道維度上的拼接和相加兩種方式，特征表達(dá)能力并不強(qiáng)。本文提出了自適應(yīng)權(quán)重特征融合方式（Adaptive Feature Fusion，AFF），首先通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)得到不同特征之間的權(quán)重，然后使用通道維度上拼接或相加的方式進(jìn)行特征融合，計(jì)算方法如式（1）所示，通道維度拼接的自適應(yīng)特征融合方式如圖1 所示，通道維度相加的自適應(yīng)特征融合與之類似。

Fig.1 Adaptive feature fusion圖1 自適應(yīng)特征融合

2 本文網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文是對YOLOv5 算法的改進(jìn)，在網(wǎng)絡(luò)的整體結(jié)構(gòu)上與YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)保持一致，有4 個(gè)部分組成：輸入網(wǎng)絡(luò)、骨干網(wǎng)絡(luò)、頸部網(wǎng)絡(luò)、頭部網(wǎng)絡(luò)。輸入網(wǎng)絡(luò)主要是對圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)處理；骨干網(wǎng)絡(luò)主要是對輸入的圖片進(jìn)行特征提取；頸部網(wǎng)絡(luò)主要由PAN 結(jié)構(gòu)和FPN 結(jié)構(gòu)組成，PAN 結(jié)構(gòu)是將輸出特征進(jìn)行下采樣與骨干網(wǎng)絡(luò)中的特征進(jìn)行信息融合，F(xiàn)PN 結(jié)構(gòu)是將輸出的特征進(jìn)行上采樣與PAN 結(jié)構(gòu)中的特征進(jìn)行信息融合；頭部網(wǎng)絡(luò)的主要作用是根據(jù)得到的特征層預(yù)測目標(biāo)的類別信息。

改進(jìn)后的網(wǎng)絡(luò)與原始YOLOv5網(wǎng)絡(luò)的區(qū)別主要體現(xiàn)在以下方面：在輸入網(wǎng)絡(luò)原有的數(shù)據(jù)增強(qiáng)基礎(chǔ)上添加了隨機(jī)遮擋和自適應(yīng)對比度的方法，將骨干網(wǎng)絡(luò)中第一個(gè)C3 模塊刪除，其余的C3 模塊和頸部網(wǎng)絡(luò)中的C3 模塊全部使用SDC 模塊（Spatial Deep Convolution）進(jìn)行替換，不但使網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量減小，同時(shí)也使網(wǎng)絡(luò)具有更好的性能。在細(xì)節(jié)方面，使用SIoU 作為邊框回歸損失函數(shù)，重新定義了懲罰指標(biāo)，提高了模型精度。改進(jìn)后的YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

Fig.2 YOLOv5 network structure圖2 YOLOv5網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.1 SDC模塊

為了讓網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量減少的同時(shí)，網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力還可以得到提升，本文設(shè)計(jì)了一種融合注意力的特征提取模塊SDC，其主要由瓶頸網(wǎng)絡(luò)（BottleNeck）、深度可分離卷積網(wǎng)絡(luò)、注意力網(wǎng)絡(luò)3部分組成。

瓶頸網(wǎng)絡(luò)中使用一個(gè)3×1 的卷積核和一個(gè)1×3 的卷積核對輸入的特征進(jìn)行卷積，其作用效果與直接使用3×3 的卷積核相似，但使用空間可分離卷積使得網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量減少。同時(shí)，瓶頸網(wǎng)絡(luò)有BottleNeck1 和BottleNeck2 兩種結(jié)構(gòu)，在骨干網(wǎng)絡(luò)中的SDC 模塊，使用BottleNeck1 結(jié)構(gòu)，在頸部網(wǎng)絡(luò)中的SDC 模塊，使用BottleNeck2 結(jié)構(gòu)。為了提取到小目標(biāo)更深層次的信息，使用卷積核為7×7 的深度可分離卷積進(jìn)行特征提取，既增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的特征提取能力又避免了計(jì)算量增加的問題，將深度可分離卷積網(wǎng)絡(luò)的輸出和瓶頸網(wǎng)絡(luò)的輸出通過通道維度拼接的自適應(yīng)特征融合方式進(jìn)行特征融合。為了降低一些不太顯著的特征權(quán)重，將基于歸一化的注意力模塊（Normalization-based Attention Module）［10］融入到SDC 模塊中，首先對輸入特征進(jìn)行批歸一化得到每個(gè)通道的縮放因子，然后根據(jù)縮放因子計(jì)算出每個(gè)通道的權(quán)重，最后通過Sigmoid 激活函數(shù)將每個(gè)通道的縮放因子和權(quán)重的乘積進(jìn)行歸一化操作，得到每個(gè)通道的注意力，將注意力分別加權(quán)到輸入特征的每個(gè)通道上，得到注意力網(wǎng)絡(luò)的輸出。將注意力網(wǎng)絡(luò)的輸出和前面融合的特征再使用通道維度相加的自適應(yīng)特征融合方式進(jìn)行特征融合得到SDC 模塊，其結(jié)構(gòu)如3所示。

2.2 損失函數(shù)改進(jìn)

目標(biāo)檢測的有效性很大程度取決于損失函數(shù)的定義，邊框損失函數(shù)也是目標(biāo)檢測任務(wù)中重要的損失函數(shù)，傳統(tǒng)的邊框損失函數(shù)（CIoU、GIoU、DIoU 等［11-12］）并沒有考慮到所需真實(shí)框與預(yù)測框之間不匹配的問題，這樣會出現(xiàn)收斂速度慢的問題。本文使用SIoU［13］為邊框損失函數(shù)，其考慮到所需回歸之間的向量角度，提高了訓(xùn)練速度和推理準(zhǔn)確性，如式（2）所示。在YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練過程中，邊框損失函數(shù)分別使用CIoU Loss 和SIoU Loss 進(jìn)行訓(xùn)練，得到如圖4 的實(shí)驗(yàn)結(jié)果?？梢钥闯?，相較于CIoU 損失函數(shù)，SIoU 損失函數(shù)的損失值下降更快，模型也可以在訓(xùn)練過程中更快速地收斂，提高了模型推理速度。

Fig.4 Box loss function圖4 邊框損失函數(shù)

2.3 數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)

本文對YOLOv5算法添加了隨機(jī)遮擋和自適應(yīng)對比度的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，隨機(jī)遮擋數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法是將輸入的圖片，隨機(jī)遮擋若干個(gè)矩形區(qū)域。使用隨機(jī)遮擋數(shù)據(jù)增強(qiáng)的方法以防止過擬合現(xiàn)象出現(xiàn)，同時(shí)也可以模擬真實(shí)場景下部分目標(biāo)出現(xiàn)遮擋的現(xiàn)象，從而提高模型泛化能力。

在實(shí)際生活中存在光線昏暗、對比度低等復(fù)雜場景，可采用自適應(yīng)對比度的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行增強(qiáng)。自適應(yīng)對比度圖像增強(qiáng)算法來自于Gamma 變換［14］，對輸入圖像灰度值進(jìn)行非線性操作，可以模擬出一幅圖片在不同光線下的場景，從而達(dá)到數(shù)據(jù)增強(qiáng)的目的，經(jīng)過自適應(yīng)對比度數(shù)據(jù)增強(qiáng)后的圖片如圖5所示。

Fig.5 Gamma transform圖5 Gamma變換

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文實(shí)驗(yàn)使用的操作系統(tǒng)為Ubuntu20.04，顯卡為Nvidia GeForce RTX 2080Ti，11GB 顯存，處理器為Intel（R）Xeon（R）Platinum 8，CUDNN 版本為11.3，在PyTorch1.8 框架上完成訓(xùn)練和測試，使用Python 版本為Python3.8。

3.1 人臉口罩?jǐn)?shù)據(jù)集

目前，對于是否正確佩戴口罩的數(shù)據(jù)集較少，在口罩識別的公開數(shù)據(jù)集中只有佩戴口罩和沒有佩戴口罩兩種類別，并沒有不規(guī)范佩戴口罩的類別，因此需要重新搜集和標(biāo)注數(shù)據(jù)集。根據(jù)實(shí)際需求，使用爬蟲技術(shù)在互聯(lián)網(wǎng)上共采集了5 000 張圖片，將這些圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗后剩余3 100 張圖片。選取不同場景、不同時(shí)間段的100 張圖片作為測試集，將剩余3 000 張圖片使用LabelImg 工具進(jìn)行樣本標(biāo)注。一共標(biāo)注了4 935 個(gè)目標(biāo)，其中不佩戴口罩（Nmask）目標(biāo)有1 930 個(gè)，不規(guī)范佩戴口罩（Fmask）目標(biāo)有1 380 個(gè)，正確佩戴口罩（Tmask）目標(biāo)有1 625 個(gè)，將標(biāo)注的3 類圖片分別按照8∶2 的比例劃分訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。將數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)處理后部分圖片如圖6 所示，其中圖6（a）表示訓(xùn)練集圖片，圖6（b）表示測試集圖片。

Fig.6 Partial pictures of data set圖6 數(shù)據(jù)集部分圖片

3.2 評價(jià)指標(biāo)

在檢測速度方面，本文使用檢測的幀率（FPS）作為評估指標(biāo)，即每秒內(nèi)可以處理圖片的數(shù)量或者處理一張圖片所需要的時(shí)間。在檢測準(zhǔn)確性方面，本文選用平均精度均值（mAP）、精確率（Precision）、召回率（Recall）作為評價(jià)指標(biāo)，其計(jì)算公式如下：

其中，c代表類別數(shù)目，APi表示第i類的平均精度（Average Precision），即精確率—召回率曲線下的面積，TP 表示樣本被分為正樣本且分配正確，TN 表示樣本被分為負(fù)樣本且分配正確，F(xiàn)P 表示樣本被分為正樣本但分配錯(cuò)誤，F(xiàn)N 表示樣本被分為負(fù)樣本但分配錯(cuò)誤。

3.3 對比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文對YOLO 算法改進(jìn)的性能，將改進(jìn)的YOLOv5 算法與目前主流的輕量化目標(biāo)檢測算法，在相同的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，得到如表1 所示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。其中模型的評價(jià)指標(biāo)有平均精度均值、精確率、召回率、幀率。在平均精度均值評價(jià)指標(biāo)上，改進(jìn)后的YOLOv5 算法相較于Faster R-CNN 和YOLOX［15］算法分別降低0.2%和0.1%，但比SSD［16］、YOLOv3-tiny［17］、YOLOv4［18］、YOLOv5算法分別提升7.1%、5.8%、5%、1.3%。在精確率和召回率的評價(jià)指標(biāo)上，改進(jìn)后的YOLOv5 算法只比Faster R-CNN和YOLOX 算法略低，說明改進(jìn)后的YOLOv5 算法在檢測精度上達(dá)到了現(xiàn)有算法的先進(jìn)水平。同時(shí)，模型檢測速度也是非常重要的評價(jià)指標(biāo)，它決定了模型是否可以更好地應(yīng)用于實(shí)際場景中。在檢測速度評價(jià)指標(biāo)上，改進(jìn)后的YOLOv5 算法達(dá)到42frame/s，分別比SSD300、YOLOv3-tiny、YOLOv4、YOLOX、YOLOv5 提升210%、168%、150%、175%、140%。改進(jìn)后YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)的檢測速度更加滿足實(shí)際場景的需求。

Table1 Comparative experimental results表1 對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3.4 消融實(shí)驗(yàn)

為了評估幾種改進(jìn)方法對模型的影響，設(shè)置了5 組不同的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)1：使用原始的YOLOv5 算法模型；實(shí)驗(yàn)2：使用SIoU Loss 作為YOLOv5 的邊框損失函數(shù)；實(shí)驗(yàn)3：在實(shí)驗(yàn)2 的基礎(chǔ)上使用SDC 模塊替換YOLOv5 骨干網(wǎng)絡(luò)和頸部網(wǎng)絡(luò)中的C3 模塊；實(shí)驗(yàn)4：在實(shí)驗(yàn)3 的基礎(chǔ)上，加入了隨機(jī)遮擋的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法；實(shí)驗(yàn)5：在實(shí)驗(yàn)4 的基礎(chǔ)上，增加了自適應(yīng)對比度的數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法。消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

Table 2 Ablation experimental results表2 消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果

將數(shù)據(jù)集中的圖片分別輸入到這5 組實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行訓(xùn)練和測試，得到如表2 所示的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。通過對比實(shí)驗(yàn)1和實(shí)驗(yàn)2 可知，使用SIoU 邊框損失函數(shù)在預(yù)測框的回歸過程中，考慮到所需真實(shí)框與預(yù)測框之間不匹配的方向，使預(yù)測框可以更準(zhǔn)確地進(jìn)行回歸，從而提高了模型精度和檢測速度。

從實(shí)驗(yàn)2 和實(shí)驗(yàn)3 可以看出，使用SDC 模塊使模型精確率提升了0.5 個(gè)百分點(diǎn)，因?yàn)樵赟DC 模塊中使用了基于歸一化的注意力，可以幫助神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)抑制通道中不太顯著的特征，從而提升模型精確率；模型召回率提升了1.9 個(gè)百分點(diǎn)，因?yàn)樵赟DC 模塊中使用了7×7 的大卷積核進(jìn)行特征提取，通過自適應(yīng)權(quán)重的方法進(jìn)行信息融合，可以使輸出特征融合更豐富的語義特征和位置信息，故召回率提升幅度相對較大；模型大小減小了4.1M，檢測速度提升了1.4倍，因?yàn)樵赟DC 模塊中主要使用深度可分離卷積和空間可分卷積，相對于普通卷積它的計(jì)算量和參數(shù)量大幅度減少，通過減小計(jì)算量使模型檢測速度得到提升，通過減少參數(shù)量使模型大小減小；相較于C3 模塊，SDC 模塊具有更好的特征提取能力。

由實(shí)驗(yàn)3、實(shí)驗(yàn)4 和實(shí)驗(yàn)5 可知，使用隨機(jī)遮擋和自適應(yīng)對比度數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法，可以模擬人群密集和光線昏暗等復(fù)雜場景，從而提高了模型泛化能力，使模型在平均精度均值、精確率、召回率上都有所提升，說明本文使用的兩種數(shù)據(jù)增強(qiáng)方式非常有效。

3.5 結(jié)果與分析

將測試集中的圖片分別輸入到訓(xùn)練好的YOLOv5網(wǎng)絡(luò)模型和改進(jìn)后的YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行測試，選取部分測試結(jié)果如圖7 所示。從測試結(jié)果可以看出，YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)在光線昏暗人群密集的場景下，存在部分目標(biāo)無法識別，個(gè)別目標(biāo)即會被識別為不規(guī)范佩戴口罩，又會被識別為正確佩戴口罩的問題，而改進(jìn)后的YOLOv5 算法特征提取能力更強(qiáng)，可以正確識別出每個(gè)目標(biāo)。在光線充足人群密集的情況下，YOLOv5 算法會出現(xiàn)個(gè)別目標(biāo)漏檢的問題，使用改進(jìn)后的YOLOv5 算法在復(fù)雜環(huán)境下也不存在漏檢情況。在檢測速度上，改進(jìn)后的YOLOv5 算法檢測效率有了顯著提升，同時(shí)改進(jìn)后的YOLOv5 算法模型的參數(shù)量也只有原始YOLOv5 算法的72%，實(shí)現(xiàn)了對YOLOv5 算法的輕量化改進(jìn)。

Fig.7 Partial test results圖7 部分測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文通過設(shè)計(jì)一種輕量化的特征提取模塊，解決了YOLOv5 網(wǎng)絡(luò)對是否正確戴口罩識別能力不足的問題，同時(shí)也在很大程度上減小了網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)量。在原有的數(shù)據(jù)增強(qiáng)基礎(chǔ)上新添加隨機(jī)遮擋的方法，解決了過擬合現(xiàn)象和人群密集場景下存在的遮擋現(xiàn)象，添加自適應(yīng)對比度的方法解決在光線昏暗場景下檢測能力低的問題。使用SIoU邊框損失函數(shù)加快了模型推理速度。本文實(shí)現(xiàn)了YOLOv5算法的輕量化改進(jìn)，但還存在網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量不夠少、訓(xùn)練所得模型不夠小的不足，后續(xù)將在這兩方面對模型繼續(xù)加以改進(jìn)，提升算法在復(fù)雜場景下口罩識別的性能。