關(guān)鍵詞：圖像分類；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)；汽車產(chǎn)品檢測

0引言

隨著科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的深入推進(jìn)，“信息科技+”的“嫁接對象”越來越廣泛，人工智能等先進(jìn)技術(shù)正逐步對傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的基礎(chǔ)設(shè)施、作業(yè)模式等進(jìn)行全方位、全鏈條的改造。在汽車行業(yè)中，企業(yè)在申報(bào)產(chǎn)品準(zhǔn)入時需要在工信部平臺網(wǎng)站上填報(bào)新車型的備案參數(shù)。目前大多數(shù)汽車檢測機(jī)構(gòu)在備案參數(shù)的校核工作上，仍主要依賴于檢測人員根據(jù)填寫規(guī)范和視同條件進(jìn)行逐項(xiàng)人工比對，這不僅導(dǎo)致重復(fù)性勞動強(qiáng)度大，而且在面對企業(yè)申報(bào)量增多、填報(bào)水平參差不齊等情況下，參數(shù)校核的質(zhì)量難以得到保障，進(jìn)而可能妨礙檢測申報(bào)業(yè)務(wù)的順利進(jìn)行。因此，汽車檢測行業(yè)急需信息技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用，以提高生產(chǎn)效率、推進(jìn)行業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

汽車企業(yè)填報(bào)的產(chǎn)品備案數(shù)據(jù)類型多樣，除了包含文字與數(shù)字信息外，還涉及各種角度的汽車產(chǎn)品照片，如產(chǎn)品的右前45°方向、左前45°方向照片，以及正后部、側(cè)后下部防護(hù)裝置照片等。這些照片在《備案參數(shù)表》及其填報(bào)指南中有著嚴(yán)格的排列位置和方位要求。如果企業(yè)上傳的圖像內(nèi)容與要求不匹配，將無法通過審查。作為一種深度學(xué)習(xí)模型，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Convolutional Neural Networks，CNN）在圖像識別與分類領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用…，例如交通場景下的車輛識別和定位，以及對車輛類型、車型大小、車輛承重等屬性的分類。然而，在車身方向檢測方面的應(yīng)用尚需進(jìn)一步完善。

基于上述背景，本文通過分析卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的演化進(jìn)程和性能特點(diǎn)，選取出適用于汽車產(chǎn)品檢測場景的模型。隨后，通過采集和標(biāo)注大量圖像數(shù)據(jù)，利用這些數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，并通過調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)來優(yōu)化模型性能。最終，使模型能夠準(zhǔn)確識別車身朝向，從而助力檢測工作的精細(xì)化、智能化發(fā)展，加快檢測行業(yè)的信息化、現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型。

1卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展綜述

1.1卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本特征

傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像數(shù)字化處理時，難以有效保留原有圖像特征，因此圖像識別率較低。然而，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)憑借聯(lián)結(jié)稀疏、參數(shù)權(quán)值共享、能夠提取多維特征等優(yōu)勢，顯著提升了圖像識別率。特別是在2012年的ImageNet大賽中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)大幅度超越了傳統(tǒng)方法。

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)主要由卷積層、池化層和全連接層構(gòu)成。在卷積層中，卷積核在原始圖像上進(jìn)行滑動，通過卷積操作提取特征，見公式1：

池化層的作用是對卷積層輸出的特征圖像進(jìn)行降維，減少參數(shù)量。全連接層的功能則是整合卷積層和池化層提取到的特征，完成對計(jì)劃的識別和分類。

1.2卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的常用模型

1998年，利用二維卷積進(jìn)行圖像處理的LeNet-5模型實(shí)現(xiàn)了卷積核共享，奠定了現(xiàn)代CNN的基礎(chǔ)，但該模型的應(yīng)用對象主要為手寫字符和英文字符，不擅長處理復(fù)雜問題。2012年提出的AlexNet模型通過ReLU激活函數(shù)緩解了梯度消失的問題，設(shè)置隨機(jī)失活以減少過擬合，在ILSVRC 2012競賽中將分類準(zhǔn)確率提升至80%以上。2014年，牛津大學(xué)計(jì)算機(jī)視覺組提出的VGGNet模型在當(dāng)年的ImageNet競賽中斬獲定位任務(wù)（Localization Task）第1名和分類任務(wù)（ClassificationTask）第2名。與AlexNet相比，VGGNet具有更深的網(wǎng)絡(luò)深度和更簡潔的形式，模型使用3x3的小卷積核代替大尺度卷積核，在不影響感受野的前提下減少了參數(shù)量，提高了對圖像特征的學(xué)習(xí)能力，其采用的2x2小尺寸池化核也可增加通道數(shù)，使得提取的圖像特征更加豐富。同樣在2014年，Szegedy等人提出GoogLeNet模型，在其中加入Inception結(jié)構(gòu)，通過融合不同尺度的特征信息，提高網(wǎng)絡(luò)的性能和效率，并在接下來的幾年中不斷優(yōu)化Inception結(jié)構(gòu)或添加其他結(jié)構(gòu)，陸續(xù)發(fā)布InceptionV2、InceptionV3、InceptionV4、Inception-ResNet-V1、Inception-ResNet-V2等模型。2015年面世的ResNet模型，通過殘差模塊有效地緩解了梯度消失和梯度爆炸的問題，但需要比較長的訓(xùn)練時間。2016年提出的SqueezeNet模型，在保證準(zhǔn)確率相同的情況下，降低了參數(shù)量，減小了CNN架構(gòu)，但具有相對較差的實(shí)時性。2017年，采用密集連接方式的DenseNet模型實(shí)現(xiàn)了特征復(fù)用，具有較高的泛化能力和抗過擬合性能，但該模型的計(jì)算復(fù)雜度大，需要巨量存儲空間，難以得到現(xiàn)有深度學(xué)習(xí)框架的支持。針對移動設(shè)備的使用需求，Howard等人提出了輕量級的MobileNetVI模型，并針對模型性價比低、準(zhǔn)確性難以保障等問題，不斷改進(jìn)模型結(jié)構(gòu)，陸續(xù)推出MobileNetV2、MobileNetV3模型，不過MobileNetV3仍然具有訓(xùn)練難度高、細(xì)粒度分類效果差的缺點(diǎn)。2019年提出的EfficientNetV1模型在準(zhǔn)確率方面表現(xiàn)優(yōu)秀，但處理較大圖像的速度很慢。為了在參數(shù)量和速度之間取得更加合理的平衡，EfficientNetV2于2021年被提出，實(shí)現(xiàn)了更高效的特征提取。

綜上所述，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)歷了多次演化，在訓(xùn)練速度、準(zhǔn)確率、抗過擬合性能等方面不斷得到提升，并仍在持續(xù)改進(jìn)。不同的CNN模型具有各自的優(yōu)勢和缺點(diǎn)（見圖1），因此適用于不同的應(yīng)用場景，研究人員需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行選擇。目前，車輛的識別和定位主要使用R-CNN、YOLO等模型，車輛的分類則常用LeNet、AlexNet、VGG、GoogLeNet等模型。

為了填報(bào)備案參數(shù)而給車輛產(chǎn)品拍照時，拍攝角度和距離均相對固定，因此目標(biāo)車輛在上傳照片中所占比例大小相對穩(wěn)定，即檢測對象的尺度相對穩(wěn)定。但是汽車與掛車的種類多樣，對于不同結(jié)構(gòu)或不同用途的車輛，其后部的視覺圖像差異較大，比如欄板式、廂式和罐式車輛的后部外觀具有明顯差別，而同樣屬于罐式運(yùn)輸車的混凝土攪拌運(yùn)輸車和危險(xiǎn)品運(yùn)輸車也在外觀上存在差異。因此，企業(yè)備案照片的車身方向分類任務(wù)，需要模型具有比較優(yōu)秀的圖像特征學(xué)習(xí)能力。

VGGNet模型憑借小卷積核獲得了提取豐富圖像特征的性能，具備較強(qiáng)的遷移學(xué)習(xí)能力，而且結(jié)構(gòu)簡潔，易于在現(xiàn)有的深度學(xué)習(xí)框架上實(shí)現(xiàn)。綜合考慮分類效果與實(shí)現(xiàn)成本等因素，本文選擇VGGNet模型對圖片中的車身方向進(jìn)行分類。

2模型訓(xùn)練與評估

2.1數(shù)據(jù)采集與處理

本次研究的圖片數(shù)據(jù)來自中汽研汽車檢驗(yàn)中心（武漢）有限公司的整車與智能網(wǎng)聯(lián)試驗(yàn)研究部的電子數(shù)據(jù)庫，這些照片均為樣車核查照片，拍攝時間為2020年和2021年。

為了進(jìn)行模型訓(xùn)練與驗(yàn)證，本研究在數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)挑選了1014張車輛前部照片和1023張車輛后部照片，并分別標(biāo)注“front”和“rear”的標(biāo)簽，作為訓(xùn)練集與驗(yàn)證集的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對于部分格式異常、無法被程序正確讀取的圖片數(shù)據(jù)，本文利用Python編程語言進(jìn)行了自動剔除，經(jīng)過清洗后的有效數(shù)據(jù)共2003條。

測試集則包含了19張圖片，其中車輛前部圖片6張，車輛后部圖片13張。由于不同商用車的車輛前部外觀差異相對較小，因此用于測試的車輛前部照片相對較少，涵蓋了車身顏色不同、室內(nèi)室外場景不同等情況。而車輛后部圖片則更加多樣化，覆蓋了多個不同的車輛種類。

2.2模型構(gòu)建與優(yōu)化

2.2.1模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

VGGNet包含5層卷積層、3層全連接層和1層softmax輸出層，層與層之間由maxpool（最大池化）層進(jìn)行分隔。所有的隱藏層都采用了ReLU函數(shù)作為激活函數(shù)。Simonyan等人根據(jù)不同的卷積層子層數(shù)量，設(shè)計(jì)了A、A-LRN、B、C、D、E6種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。在本文中，我們選取最常用的D型結(jié)構(gòu)（也被稱為VGG16）作為基礎(chǔ)，并使用TensorFlow深度學(xué)習(xí)框架構(gòu)建模型。我們使用的硬件環(huán)境是英特爾酷睿15的CPU，操作系統(tǒng)為windowsl0，并使用PyCharm作為編譯工具進(jìn)行Python編程?；谏鲜鲈O(shè)置，我們構(gòu)建了初始的VGG16模型。具體的模型結(jié)構(gòu)如圖2所示，圖中的卷積層參數(shù)用“conv感受野大小一通道數(shù)”的形式表示。例如，conv3-64表示該卷積層使用了尺寸為3x3的卷積核，并具有64個輸出通道。

2.2.2模型參數(shù)優(yōu)化

初始模型經(jīng)過訓(xùn)練后，性能并不理想（見圖3左），驗(yàn)證集的Loss值約為0.3，且與訓(xùn)練集的Loss值相差較大，這顯示出過擬合現(xiàn)象，同時驗(yàn)證集的準(zhǔn)確率（Accuracy）也并不高，并且過早地趨于穩(wěn)定，陷入了學(xué)習(xí)瓶頸。針對這些問題，本次研究通過不斷調(diào)節(jié)模型的相關(guān)參數(shù)來提升模型性能。

（1）“學(xué)習(xí)率”參數(shù)指權(quán)重在模型訓(xùn)練期間更新的量，過大的學(xué)習(xí)率可能導(dǎo)致模型性能在訓(xùn)練后期產(chǎn)生明顯振蕩，而過小的學(xué)習(xí)率可能導(dǎo)致模型收斂速度過慢甚至不收斂。學(xué)習(xí)率衰減的策略可以確保模型在訓(xùn)練初期使用較大的學(xué)習(xí)率進(jìn)行模型優(yōu)化，而在訓(xùn)練后期逐漸減小學(xué)習(xí)率以避免過大波動，從而更接近最優(yōu)解，有效提高模型的精度。

（2）“dropout”參數(shù)的設(shè)置，可以在訓(xùn)練過程中隨機(jī)丟棄一定比例的神經(jīng)元，以減少神經(jīng)元之間的依賴關(guān)系，從而緩解過擬合問題，提高模型的泛化能力。

（3）“epoch”參數(shù)表示整個數(shù)據(jù)集在網(wǎng)絡(luò)中完成一次前向計(jì)算和反向傳播的過程。epoch數(shù)量越大，權(quán)重更新的次數(shù)也越多。如果epoch過小，權(quán)重可能沒有得到充分的更新，模型的特征值曲線可能還未進(jìn)入優(yōu)化擬合狀態(tài)。

（4）參數(shù)的初始化對深度學(xué)習(xí)模型的訓(xùn)練也至關(guān)重要。采用“截?cái)嗾龖B(tài)分布”的初始化方法可以減少異常值的影響，有利于模型擬合。

考慮到以上參數(shù)設(shè)置對模型的影響，以及初始模型存在的問題，本次研究進(jìn)行了以下優(yōu)化：

（1）將初始學(xué)習(xí)率由0.01減小至0.001，并設(shè)置了學(xué)習(xí)率衰減策略。

（2）在全連接層中添加了dropout，并嘗試了多個dropout取值，最終依據(jù)模型性能表現(xiàn)將神經(jīng)元的丟棄比例確定為0.6。

（3）參數(shù)初始化方法采用“截?cái)嗾龖B(tài)分布”。

（4）epoch數(shù)量在經(jīng)歷多次試驗(yàn)后增大至150，以確保模型得到充分的訓(xùn)練。

優(yōu)化后的模型性能見圖3右，訓(xùn)練集與驗(yàn)證集的Loss值均在epoch為80之后趨于平穩(wěn)，兩者之間的差距相較于初始模型有所減小。驗(yàn)證集的Loss值最終低于0.2，Accuracy也高達(dá)0.95，顯示出較好的分類能力。

2.3建模結(jié)果評估

除了上文提到的Accuracy（準(zhǔn)確率），Precision（精確率）和Recall（召回率）也是評價模型性能的重要指標(biāo)。Precision又稱“查準(zhǔn)率”，表示在預(yù)測結(jié)果為正的樣本中，實(shí)際為正的樣本的比例；Recall又稱“查全率”，表示在實(shí)際為正的樣本中，預(yù)測結(jié)果為正的樣本的比例，可反映模型對所有真實(shí)正例樣本的識別能力。由于Precision和Recall通常是相互制約的，研究人員常用它們的調(diào)和平均值（F1-Score）來衡量二分類（或多任務(wù)二分類）模型的精確度。F1-Score可以同時兼顧分類模型的精確率和召回率，計(jì)算方法見公式（3），取值范圍為0～1，值越大則意味著模型越好。

優(yōu)化后的VGG Ixlet模型的各項(xiàng)評價指標(biāo)值如圖4所示，并整理為表1。模型的Accuracy和F1-Score均取值為0.95，表明該模型具有較為優(yōu)秀的性能。

模型構(gòu)建完成后，對測試集的圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行分類，分類結(jié)果全部正確（見表2），且有1/2的預(yù)測概率高達(dá)95%以上，進(jìn)一步驗(yàn)證了該模型優(yōu)秀的分類準(zhǔn)確度。對于不同的車身主體顏色、室內(nèi)室外環(huán)境、車輛類型，模型均能較為準(zhǔn)確地識別出車身的朝向，表現(xiàn)出較好的泛化能力與學(xué)習(xí)能力，因此，該模型特別適合試驗(yàn)環(huán)境多樣、試驗(yàn)對象種類繁雜的汽車檢測行業(yè)。

模型對真實(shí)備案照片的分類也非常成功，圖5為某企業(yè)上傳至工信部平臺的備案照片，圖6為模型的輸出結(jié)果，高達(dá)99.82%和98.78%的準(zhǔn)確預(yù)測概率表明該模型在實(shí)際備案核查工作中的應(yīng)用具有較強(qiáng)的可行性與科學(xué)性。

3結(jié)束語

本文綜合考慮了多種卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的性能特點(diǎn)與汽車產(chǎn)品檢測行業(yè)的實(shí)際需求，選取了VGGNet模型進(jìn)行訓(xùn)練。經(jīng)過訓(xùn)練后的模型能夠較為準(zhǔn)確地識別出企業(yè)備案照片中的車輛朝向（前或后），這一成果有助于節(jié)約企業(yè)與檢測機(jī)構(gòu)的勞動成本，降低工作失誤率，提升生產(chǎn)效率，從而助力汽車檢測行業(yè)實(shí)現(xiàn)“科技為擎，賦智賦能”的目標(biāo)。

在后續(xù)的研究中，可以進(jìn)一步細(xì)化車身朝向的分類種類，例如將“前向”細(xì)分為“左前45°”“正前”“右前45°”等，以使得模型的應(yīng)用更加貼近實(shí)際工作需求，為汽車檢測行業(yè)提供更加全面、細(xì)致的服務(wù)。