基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的毫米波圖像目標(biāo)檢測

程秋菊, 陳國平, 王 璐, 管 春

(重慶郵電大學(xué)光電工程學(xué)院，重慶 400065)

近年來，機(jī)場和車站等重要公共場所的安全問題變得越來越重要。傳統(tǒng)的檢測手段存在許多的缺點，比如金屬探測器雖然能夠探測金屬目標(biāo)的存在，但是不能區(qū)分該金屬物品的名稱；X射線成像系統(tǒng)雖然可以穿透衣物檢測到隱藏的圖像物品，但是它們的輻射非常高，對人體有害。然而，毫米波成像技術(shù)既可以穿透衣物來有效檢測人體身上的隱匿物品，又不會對人體產(chǎn)生健康危害[1-4]。因此，毫米波成像系統(tǒng)是目前應(yīng)用最廣泛、安全的安檢手段。由于毫米波圖像因其特殊的成像效果，通常包含了光線暗淡、噪聲干擾大、分辨率低等檢測問題，所以針對毫米波圖像的目標(biāo)檢測研究具有極其重要的現(xiàn)實意義。

傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測方法[5-9]一般通過人工提取特征之后使用特征分類器來實現(xiàn)圖像的目標(biāo)檢測。該類目標(biāo)檢測方法的步驟一般可歸納為如下三步：①在圖像中利用尺度大小不同的滑動窗口進(jìn)行遍歷，通過匹配度的計算后，根據(jù)閾值判斷來選取粗略的目標(biāo)候選區(qū)域;②利用經(jīng)典的特征提取器從目標(biāo)候選區(qū)域中提取特征，例如，方向梯度直方圖(histogram of oriented gradient, HOG)、局部二值模式(local binary patterns，LBP)、尺度不變特征變換(scale-invariant feature transform，SIFT)等;③將得到的特征輸入訓(xùn)練好的特征分類器中，例如支持向量機(jī)(support vector machine，SVM)，從而識別目標(biāo)的類別。然而，傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測方法存在著非常大的局限性，具有較差的泛化能力。因為當(dāng)圖像的背景較為復(fù)雜時，該類目標(biāo)檢測方法的檢測效率會明顯降低，導(dǎo)致檢測性能變得非常差。為了應(yīng)對這個問題，深度學(xué)習(xí)技術(shù)不斷發(fā)展起來，出現(xiàn)了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)[10]，該網(wǎng)絡(luò)不僅能替代人工設(shè)計提取特征，而且具有較好的特征表達(dá)能力和魯棒性，實現(xiàn)即使在復(fù)雜的環(huán)境條件下也能準(zhǔn)確地識別不同的目標(biāo)物體。在圖像目標(biāo)檢測領(lǐng)域，通過對深度學(xué)習(xí)[11]的深入學(xué)習(xí)，基于區(qū)域的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的從R-CNN[12]誕生開始，逐步發(fā)展，得到了fast R-CNN[13]和Faster R-CNN[14]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。目前，F(xiàn)aster R-CNN深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)在圖像的目標(biāo)檢測技術(shù)中表現(xiàn)十分突出，該網(wǎng)絡(luò)成功打破了傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測方法的瓶頸，將區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)(region proposal network, RPN)與深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，實現(xiàn)了端到端的訓(xùn)練，提升了速度和準(zhǔn)確度，成為了目標(biāo)檢測領(lǐng)域的主流框架之一。隨后，通過借鑒faster R-CNN深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，衍生出YOLO[15]、SSD[16]和R-FCN[17]等圖像的目標(biāo)檢測方法。

上述提到的方法都是針對在自然光場景下的光學(xué)圖像而設(shè)計的，其圖像都比較清晰，質(zhì)量也都較高，例PASCALVOC 2007[18]、MS COCO[19]等。然而，毫米波圖像與這些光學(xué)圖像不同，主要原因在于它們的成像機(jī)制不同。毫米波圖像主要反映了物體的電磁特性，這些特征隨著目標(biāo)結(jié)構(gòu)、觀察角度和材料因素而發(fā)生變化。但是，毫米波圖像與光學(xué)圖像也存在著相似的地方，主要因為毫米波成像系統(tǒng)有著非常接近光譜的高工作頻率，所以毫米波圖像具有許多與光學(xué)圖像相似的幾何特征。如圖1(a)中左側(cè)為槍的光學(xué)圖像，右側(cè)表示槍從不同角度成像的四個毫米波圖像，但是它們都顯示了手槍的直角結(jié)構(gòu)。如圖1(b)中左側(cè)為折疊小刀的光學(xué)圖像，右側(cè)為四種不同類型的毫米波小刀圖像，而圖1(c)中左側(cè)為大刀的光學(xué)圖像，右側(cè)為不同類型的毫米波大刀圖像，可見刀具金屬材料都表示為一系列常規(guī)亮塊，特別是大刀具和相應(yīng)背景的輪廓差異非常明顯。所以鑒于光學(xué)圖像與毫米波人體圖像之間的結(jié)構(gòu)相似性，本文主要研究將基于深度學(xué)習(xí)的檢測方法應(yīng)用于毫米波圖像，旨在實現(xiàn)毫米波圖像中隱藏物品的快速、高精度檢測。

圖1 光學(xué)圖像與毫米波圖像的對比

采用VGG16卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和Faster R-CNN深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，并利用了在線難例挖掘[20](online hard example mining，OHEM)優(yōu)化訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型的方法，對毫米波圖像危險物品的檢測進(jìn)行研究。實驗包括了3種典型的危險物品，它們分別是槍、折疊小刀和大刀，并且在大小為800×600的數(shù)千張毫米波圖像的數(shù)據(jù)集上，采用Caffe深度學(xué)習(xí)框架在GPU上進(jìn)行驗證，最后分別與R-CNN結(jié)合VGG16、Fast R-CNN結(jié)合VGG16網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行對比。以期能夠?qū)崿F(xiàn)毫米波圖像中目標(biāo)的快速、高精度檢測。

1 Faster R-CNN網(wǎng)絡(luò)模型

Faster R-CNN作為目前主流的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)之一，它非常明顯的優(yōu)勢在于用區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)代替了選擇搜索算法(selective search，SS)，大大提高了檢測速度的同時，還極大地提升了目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確度[21]。Faster R-CNN包含了兩個部分，分別是RPN和 Fast R-CNN，并且這兩個部分共享卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提取的特征。RPN主要負(fù)責(zé)提取建議區(qū)域，而Fast R-CNN主要負(fù)責(zé)對建議區(qū)域進(jìn)行分類和定位。如圖2所示，表示毫米波圖像目標(biāo)檢測的Faster R-CNN深度網(wǎng)絡(luò)模型。

圖2 Faster R-CNN深度網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)RPN是目前表現(xiàn)最突出的區(qū)域建議提取算法，它主要利用3×3的滑動窗口在輸入的特征圖上通過卷積實現(xiàn)建議區(qū)域的提取，既可以減少時間的消耗，又能夠高效地預(yù)測出目標(biāo)候選區(qū)域。如圖3所示，為RPN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。實驗以VGG16為例，所提取的特征圖的大小為51×39×256，表示高、寬和通道數(shù)分別為51、39和256。對該卷積特征再次進(jìn)行卷積計算，高、寬和通道數(shù)仍然保持不變，又會得到一個51×39×256的特征，對于該卷積特征有51×39個建議區(qū)域，每一個建議區(qū)域都在原圖中對應(yīng)著3種長寬比分別為2:1、1:2、1:1，以及3種尺度分別為1282、2562、5122共9種不同尺寸的檢測框，即anchor。因此共有51×39×9 個anchor，檢測的目標(biāo)是對每個anchor是否包含物體進(jìn)行判斷。

圖3 RPN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

圖4表明了接下來面對51×39個建議區(qū)域和51×39×9個anchor相關(guān)的計算步驟。首先，通過一個3×3的滑動窗口將每一個建議區(qū)域轉(zhuǎn)換為固定的256維的特征，該特征對應(yīng)了兩個輸出。一個輸出的長度為2×9，表示該建議區(qū)域的anchor為物體的概率。另外一個輸出的長度為4×9，表示該建議區(qū)域的框回歸，每個anchor對應(yīng)4個框回歸參數(shù)。在圖像訓(xùn)練中，通常使用多任務(wù)損失函數(shù)來減少目標(biāo)函數(shù)，公式為

(1)

(2)

(3)

式中：x、y、w和h表示框的中心坐標(biāo)及其寬度和高度。變量x、xa和x*分別用于預(yù)測框、anchor框和標(biāo)簽框。

圖4 anchor與網(wǎng)絡(luò)輸出的對應(yīng)關(guān)系

2 優(yōu)化措施

2.1 訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型

使用VGG16作為Faster R-CNN的特征提取網(wǎng)絡(luò)，采用的是端到端的訓(xùn)練方式對VGG16卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練。原因在于該網(wǎng)絡(luò)模型對比小型的訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)模型而言，其深度更深，能更好地進(jìn)行特征提取，從而得到更優(yōu)的檢測效果。如圖5所示為VGG16卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)。顯而易見，VGG16網(wǎng)絡(luò)通過具有relu激活函數(shù)的13個卷積層，以及4個池化層提取特征映射。為了能夠適應(yīng)毫米波圖像的目標(biāo)檢測，本實驗對VGG16的參數(shù)進(jìn)行了調(diào)整。輸入大小為800×600的圖像，每個卷積層的卷積核大小為3×3，步長設(shè)置為1，每個池化層的池化核大小為2×2，步長為2。雖然該網(wǎng)絡(luò)的圖像的大小不會因為卷積層和relu層發(fā)生改變，但是圖像輸出長和寬會因為池化層變?yōu)樵瓉淼?/2。所以經(jīng)過4個池化層后，最后一個卷積層輸出的是512個大小為51×39的特征圖，該特征圖能夠被RPN和Fast R-CNN共享。

2.2 在線難挖掘優(yōu)化訓(xùn)練

圖5 VGG16卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)

圖6 在線難例挖掘優(yōu)化訓(xùn)練的結(jié)構(gòu)

在線難例挖掘(online hard example mining，OHEM)技術(shù)能高效的解決訓(xùn)練過程中出現(xiàn)的正負(fù)樣本不均衡的問題。OHEM會先將所有的建議區(qū)域?qū)嵭星跋騻鬟f，接著根據(jù)損失的大小進(jìn)行排序，選取最大的損失值對應(yīng)的若干個建議區(qū)域為難例，進(jìn)行反向傳播，從而更新分類回歸網(wǎng)絡(luò)。同時，為了避免建議區(qū)域的冗余問題，會在OHEM之前對建議區(qū)域?qū)嵤┓菢O大值抑制的方法來進(jìn)行篩選，選取損失值最大的感興趣區(qū)域，并且抑制預(yù)測框和標(biāo)簽框的重疊率(IOU)大于0.7的區(qū)域，因此達(dá)到了在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的每一步中嵌入難例挖掘的目的，從而實現(xiàn)了在線難例挖掘優(yōu)化訓(xùn)練。圖6為在線難例挖掘技術(shù)優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程結(jié)構(gòu)圖，綠色箭頭表示前向傳遞，紅色箭頭表示既能前向傳遞又能反向傳遞。分類回歸網(wǎng)Cls_Reg和分類網(wǎng)絡(luò)Cls_Reg_Copy的結(jié)構(gòu)相同，但是分類回歸網(wǎng)絡(luò)Cls_Reg_Copy只能進(jìn)行前向傳遞，實現(xiàn)在線難例挖掘并將結(jié)果送入分類回歸網(wǎng)絡(luò)Cls_Reg中進(jìn)行反向傳播，從而更新網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)。

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 訓(xùn)練集和測試集

實驗主要測試了在人體身上的不同位置藏匿槍、折疊小刀、大刀這三類典型的危險物品，將收集的毫米波圖像以JPEG格式保存，每幅圖像的大小為800×600像素。實驗使用了6 000張樣本構(gòu)成訓(xùn)練集(槍、折疊小刀、大刀各2 000張)，3 000張樣本構(gòu)成測試集(槍、小刀、大刀各1 000張)。

3.2 實驗結(jié)果

實驗在Intel(R)Core(TM)i7-7820X CPU和NVIDIA 1080TI GPU的實驗環(huán)境下進(jìn)行，采用Caffe深度學(xué)習(xí)框架完成的。

單類目標(biāo)的平均精度(average precision，AP)是一種有效的檢測措施，它結(jié)合了每個對象的分類精度和位置精度。如表1所示，F(xiàn)aster R-CNN與VGG16相結(jié)合的深度網(wǎng)絡(luò)的各類目標(biāo)檢測精度明顯高于R-CNN與VGG16相結(jié)合的深度網(wǎng)絡(luò)和Fast R-CNN與VGG16相結(jié)合的深度網(wǎng)絡(luò)，且檢測結(jié)果較好。然而Faster R-CNN與VGG16相結(jié)合并通過OHEM優(yōu)化訓(xùn)練后的深度網(wǎng)絡(luò)的各類危險物品的AP精度百分比明顯高于Faster R-CNN與VGG16相結(jié)合的深度網(wǎng)絡(luò)，由此可知該優(yōu)化訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)的AP檢測效果更好。此外，從表1所示的檢測結(jié)果同樣可以看出，它們的共同點是槍這一類型有較高的檢測精度，大刀次之，而小刀的檢測精度最低。通過分析，原因在于與小刀相比，槍和大刀的種類都較為單一，面積區(qū)域較寬，形變較小；而小刀種類較多，面積區(qū)域也很小，并且收集樣本的數(shù)量過小等問題導(dǎo)致小刀的檢測效果明顯較差。

表1 AP的檢測結(jié)果比較

所有目標(biāo)的平均精度(mean average precision，mAP)表示在同種目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)下，求AP的平均值，同時觀察毫米波圖像處理的速度FPS也是一種有效的檢測措施。如表2所示，在圖像大小和檢測數(shù)量都相同的情況下，與R-CNN結(jié)合VGG16和Fast R-CNN結(jié)合VGG16相比，F(xiàn)aster R-CNN結(jié)合VGG16的深度卷積網(wǎng)絡(luò)的檢測性能更優(yōu)，其mAP達(dá)到近乎94%，并且每秒處理6張毫米波圖像。然而，經(jīng)過OHEM優(yōu)化訓(xùn)練后的Faster R-CNN結(jié)合VGG16的深度網(wǎng)絡(luò)效果更佳，其mAP達(dá)到94.66%，每秒處理近乎6張毫米波圖像，也就是說，該優(yōu)化訓(xùn)練后的網(wǎng)絡(luò)能保持速度差異較小的情況下，檢測準(zhǔn)確度能得到提升。如圖7所示為未經(jīng)OHEM優(yōu)化訓(xùn)練的毫米波圖像目標(biāo)檢測的測試效果。如圖8所示為經(jīng)過OHEM優(yōu)化訓(xùn)練后的毫米波圖像目標(biāo)檢測的測試效果。由此可見，實驗不僅證明了毫米波圖像和光學(xué)圖像中的對象特征是屬于相似的分布，采用深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于光學(xué)圖像的目標(biāo)檢測方法同樣適用于毫米波圖像的危險物品檢測，而且還證明了經(jīng)過OHEM優(yōu)化后的網(wǎng)絡(luò)對毫米波圖像的目標(biāo)檢測精度更高，說明了該方法是有效的。

表2 mAP和FPS的檢測結(jié)果

圖7 Faster R-CNN+VGG16的測試效果展示

圖8 OHEM優(yōu)化后的測試效果展示

4 結(jié)論

采用VGG16卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與RPN相結(jié)合，并利用OHEM優(yōu)化訓(xùn)練該網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建了一個基于Faster R-CNN深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的新方法對毫米波圖像進(jìn)行目標(biāo)檢測，并與RCNN結(jié)合VGG16、Fast R-CNN結(jié)合VGG16、OHEM優(yōu)化前的Faster R-CNN結(jié)合VGG16的深度網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了對比。實驗結(jié)果表明，OHEM優(yōu)化后的Faster R-CNN結(jié)合VGG16的深度網(wǎng)絡(luò)深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的檢測性能最優(yōu)，并且能夠保證穩(wěn)定速度的同時進(jìn)一步提高目標(biāo)檢測的精度。然而，根據(jù)深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)的特點，如何在保證穩(wěn)定精度的同時進(jìn)一步提高檢測的速度是一個值得考慮的問題。因此，下一步考慮用多個GPU進(jìn)行并行訓(xùn)練深度網(wǎng)絡(luò)，提高開發(fā)效率。