一種面向遙感目標(biāo)檢測(cè)的改進(jìn)YOLOv4算法

沈陽理工大學(xué) 黃海新 唐學(xué)多

隨著遙感影像獲取技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感飛機(jī)的機(jī)型及位置檢測(cè)成為檢測(cè)重點(diǎn)。然而，由于其復(fù)雜的背景，不同的空間分辨率，姿態(tài)和光照變化復(fù)雜，導(dǎo)致檢測(cè)精度不高。此外，本研究中遙感飛機(jī)的類內(nèi)和類間方差都較大，給機(jī)型的識(shí)別增加了難度。為了提高算法對(duì)遙感影像目標(biāo)的檢測(cè)精度，本文提出一種基于YOLv4和Triple Loss的目標(biāo)檢測(cè)算法，首先運(yùn)用Sobel算子和Mosaic對(duì)數(shù)據(jù)集擴(kuò)充和增強(qiáng)；其次，用Triple Loss代替原有的分類損失函數(shù)來提高分類精度，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證本算法的有效性和準(zhǔn)確性。結(jié)果表明本算法在MTARSI數(shù)據(jù)集上檢測(cè)率mAP達(dá)到90.07%，與其他先進(jìn)的機(jī)型識(shí)別算法對(duì)比，本文算法有效提升了遙感飛機(jī)的檢測(cè)準(zhǔn)確率。

隨著遙感技術(shù)的不斷發(fā)展，遙感影像已經(jīng)成為一種重要的數(shù)據(jù)來源。飛機(jī)不僅是軍事領(lǐng)域的戰(zhàn)略目標(biāo)，也是民用領(lǐng)域的重要運(yùn)輸工具，因此，飛機(jī)的機(jī)型識(shí)別和檢測(cè)在及時(shí)分析戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)和制定軍事決策方面起著重要作用。但是由于遙感影像高分辨率的獲取，單張圖片中包含的信息也越來越多，依靠現(xiàn)有的自動(dòng)解釋的分類方法已經(jīng)難以適應(yīng)實(shí)際需要。而且，盡管飛機(jī)的功能和用途有著明顯區(qū)別，但是卻具有極其相似的外觀，遙感影像具有的背景復(fù)雜，小目標(biāo)、多尺度等特點(diǎn)也增加了檢測(cè)難度，因此，快速、準(zhǔn)確的識(shí)別飛機(jī)類型仍然具有很大的挑戰(zhàn)。YOLOv4的出現(xiàn)使目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)出現(xiàn)了一個(gè)飛躍，實(shí)現(xiàn)了速度和精度的完美提升，為了保證檢測(cè)精度和實(shí)時(shí)性，本文采用YOLOv4作為檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。如圖1所示。

圖1 YOLOv4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

1 基本原理

1.1 YOLOv4算法檢測(cè)流程

為實(shí)現(xiàn)對(duì)遙感飛機(jī)目標(biāo)的實(shí)時(shí)高效檢測(cè)，本文基于YOLOv4建立檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)框架。YOLO系列算法是基于CNN的端到端的原理實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)，其檢測(cè)過程分為特征提取，定位目標(biāo)和損失計(jì)算三個(gè)部分。其中，特征提取網(wǎng)絡(luò)為CSPDarket53，定位目標(biāo)包括對(duì)目標(biāo)的分類和位置回歸，損失計(jì)算則包括分類損失、邊界框回歸損失和置信度損失。如圖2所示，與只有一個(gè)檢測(cè)層的YOLOv1和YOLOv2不同，YOLOv4與YOLOv3相同，使用三個(gè)不同尺度的特圖，實(shí)現(xiàn)了多尺度目標(biāo)檢測(cè)，且使用了比YOLOv3中Darknet53效果更好的CspDarknet53作為特征提取網(wǎng)絡(luò)。

圖2 遙感飛機(jī)圖像擴(kuò)增流程圖

1.2 數(shù)據(jù)增強(qiáng)及擴(kuò)增

在深度學(xué)習(xí)中，為了獲取一個(gè)好的訓(xùn)練模型和提高模型的泛化能力，高質(zhì)量的樣本是必不可少的。但是實(shí)際中，樣本數(shù)量和質(zhì)量往往都不夠好，數(shù)據(jù)增強(qiáng)及擴(kuò)增成為了改善或者解決這一問題的關(guān)鍵方法。本算法使用Mosaic進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)，基于Sobel算子的圖像分割技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)增。

MTARSI數(shù)據(jù)集中的B-2轟炸機(jī)和KC-10加油機(jī)是非常罕見的，很難被衛(wèi)星遙感捕獲，這將阻礙MTARSI數(shù)據(jù)集的采集和構(gòu)建。針對(duì)這一問題，一種基于Sobel算子的分割算法被提出用來解決此問題，該方法的流程圖如圖3所示，首先運(yùn)用Sobel算子將圖片中的圖像從背景中分離出來，然后從不包含任何飛機(jī)的相關(guān)遙感圖像（如飛機(jī)跑道、草坪等）中隨機(jī)選擇不同的背景圖像。最后將分割出的飛機(jī)圖像進(jìn)行鏡像和旋轉(zhuǎn)操作，再和選定的背景結(jié)合，實(shí)現(xiàn)對(duì)罕見數(shù)據(jù)的擴(kuò)增。提取的圖像和背景圖像具有相同的空間分辨率，且由相同的遙感傳感器獲取，避免了數(shù)據(jù)的失真。

圖3 三元組分類損失函數(shù)原理

1.3 Triple Loss

由于本論文樣本數(shù)據(jù)集具有明顯的類內(nèi)多樣性，為了減少對(duì)損失的影響，在訓(xùn)練中需要盡可能的學(xué)習(xí)訓(xùn)練hard樣本，所以，選取三元組損失函數(shù)作為分類損失函數(shù)，其基本思想就即通過學(xué)習(xí)來最大化anchor與負(fù)樣本的距離，最小化anchor與正樣本之間的距離。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

本章首先介紹實(shí)驗(yàn)所用數(shù)據(jù)集，再介紹實(shí)驗(yàn)環(huán)境設(shè)置，并在YOLOv4 網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練測(cè)試最后將實(shí)驗(yàn)效果與其他主流算法做對(duì)比，得出檢測(cè)效果更好的結(jié)論。

2.1 數(shù)據(jù)集

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)集為來自谷歌地球衛(wèi)星圖像的多類型飛機(jī)遙感圖像（MTARSI），包含20種類型、覆蓋36個(gè)機(jī)場(chǎng)的飛機(jī)圖片，數(shù)據(jù)擴(kuò)增至9385張圖片。所有圖片均采用labelImg進(jìn)行標(biāo)注，隨機(jī)選取2000張作為測(cè)試集，7385張為訓(xùn)練集圖片。

2.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)采用YOLOv4算法的CSPDarknet53網(wǎng)絡(luò)作為實(shí)驗(yàn)特征提取網(wǎng)絡(luò)，采用隨機(jī)梯度下降法優(yōu)化損失函數(shù)，采用交叉迷你批標(biāo)準(zhǔn)化（CmBN）有效避免模型在迭代過程中陷入最小值的問題，來加快訓(xùn)練的收斂性，激活函數(shù)結(jié)合使用修正線性單元（Leakey ReLU）和Mish。超參數(shù)設(shè)置如下：批數(shù)和小批數(shù)為64、16，動(dòng)量衰減和重量衰減分別設(shè)為0.9、0.005，采用多項(xiàng)式衰減策略調(diào)整學(xué)習(xí)率，初始學(xué)習(xí)率為0.001。實(shí)驗(yàn)環(huán)境：使用Darknet+CUDA10.2的深度學(xué)習(xí)框架，顯存為16G的GTX1660顯卡，每次在GPU上并行訓(xùn)練4圖像。

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及對(duì)比

實(shí)驗(yàn)對(duì)輸入圖像采用多尺度訓(xùn)練，并在五種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DenseNet、GoogelNet、VGG、ResNet以及EfficientNet）上進(jìn)行性能比較，本算法以90.07%的分類準(zhǔn)確率取勝。且與傳統(tǒng)基于特征的方法相比，基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法能夠提取出更深層次的特征，具有更好的泛化能力和圖像表征能力，因此具有更高的檢測(cè)精度，檢測(cè)性能也遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于傳統(tǒng)分類方法。該算法的在測(cè)試集上的檢測(cè)結(jié)果如圖4所示，可以看出，無論是在分類還是位置定位，本算法都有較好的檢測(cè)效果。

圖4 測(cè)試集驗(yàn)證結(jié)果

2.4 實(shí)驗(yàn)分析

本訓(xùn)練實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)?shù)螖?shù)約為40000次時(shí)損失收斂至0.31，在測(cè)試集上驗(yàn)證結(jié)果，得到了較好的檢測(cè)效果，由此可見，本文基于YOLOv4與Triple-Loss的算法能夠增強(qiáng)遙感目標(biāo)的檢測(cè)能力。

針對(duì)遙感飛機(jī)影像中存在的分類及檢測(cè)精度不高的問題，提出了基于YOLOv4和Triple Loss的檢測(cè)算法。該算法首先選取YOLOv4作為檢測(cè)的主干模型，其次使用Mosaic和Sobel算子方法進(jìn)行數(shù)據(jù)擴(kuò)增及增強(qiáng)，并引入Triple Loss分類損失函數(shù)思想，最后在MTARSI數(shù)據(jù)集上驗(yàn)證算法的有效性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法在復(fù)雜的遙感影像目標(biāo)檢測(cè)中檢測(cè)效果較好，且實(shí)現(xiàn)了在不損失速度的情況下提高了檢測(cè)精度。