一種改進Faster R-CNN的車輛識別算法

朱云飛，者甜甜，劉慶華

（江蘇科技大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇鎮(zhèn)江 212003）

0 引言

隨著車輛數(shù)量的增加，交通違章現(xiàn)象頻出，例如渣土車違規(guī)上道、工程車輛違規(guī)進入城市主干道、車輛停放在消防通道等，這一系列的交通違規(guī)行為給城市安全埋下了巨大隱患。對于交通管理者而言，加強對特定車輛的識別和分類管理尤為重要。然而，在實際監(jiān)控識別車輛時，相當(dāng)一部分車輛圖像存在圖像不全或者遮擋問題，極大降低了監(jiān)控識別準(zhǔn)確率。如何準(zhǔn)確識別車輛，是當(dāng)前車輛檢測的重點。

近年來，深度學(xué)習(xí)技術(shù)不斷發(fā)展，已成功應(yīng)用于各行各業(yè)。深度學(xué)習(xí)與傳統(tǒng)方法相比，能更加深入地獲取到圖像的各種信息，因而其在圖像識別、分類等方面效果顯著。文獻［1］提出LeNet 網(wǎng)絡(luò)并將其應(yīng)用于手寫數(shù)字識別，雖然該網(wǎng)絡(luò)因時代條件所限而不能應(yīng)用于更加復(fù)雜的場景，但依然具有突破性的進步。在此之后，受益于時代條件的轉(zhuǎn)變與人文科學(xué)的進步，各種面向復(fù)雜場景的改進型網(wǎng)絡(luò)也相繼問世，如AlexNet［2］、ZFNet［3］、VGGNet［4］、GoogleNet［5］、ResNet［6］等，極大提高了網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用水平。

文獻［7］基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出R-CNN 目標(biāo)檢測模型，此模型的提取特征由卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)完成，分類工作則由支持向量機制完成，這樣的結(jié)構(gòu)大幅提升了mAP 值，但也出現(xiàn)了選擇候選區(qū)域耗費大量時長的問題。為了解決該問題，學(xué)者們提出許多目標(biāo)檢測算法，例如Fast-RCNN［8］、Faster-R-CNN［9］、YOLO［10］、SSD［11］等。其中，YO?LO 和SSD 都是一步法，即two-stage 算法，他們的候選區(qū)域產(chǎn)生與分類等工作都集成在一個網(wǎng)絡(luò)之內(nèi)，使得整體運算時間大為減少，但同時也帶來了精度較低的負面影響。RCNN 相關(guān)算法屬于兩步法，即two-stage 算法，候選區(qū)域生成與識別分類兩個模塊分開工作，與一步法相反，其精度表現(xiàn)良好但耗時較長。因此，因地制宜選擇網(wǎng)絡(luò)模型才能更好地解決實際問題。

近年來，越來越多的學(xué)者將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于車輛檢測并取得不錯效果。文獻［12］提出的算法提高了圖像上采樣效率，并結(jié)合聚類算法，在公開數(shù)據(jù)集檢測上取得良好效果；文獻［13］將HashNet 中的AlexNet 部分替換為雙線性模塊，賦予網(wǎng)絡(luò)對精細粒度特征的提取能力，根據(jù)特征生成哈希碼，并通過匹配哈希碼實現(xiàn)車型識別；文獻［14］提出新的改進Inception 模塊，并將其替代SSD 網(wǎng)絡(luò)中的Conv8、Conv9 和Conv10 層，并設(shè)計了多尺度特征融合均衡化網(wǎng)絡(luò)，提高了對小目標(biāo)車輛的識別率。

但上述研究針對的只是車輛整體類型識別，并不能達到實際交通管理要求。根據(jù)實際情況，本文將車輛分為家用小轎車、大客車、消防車、重型卡車、吉普車、面包車、出租車、小卡車和運動型汽車（SUV）等9 類，改進Faster-RCNN 算法模型，對車輛進行識別與分類工作。

1 相關(guān)工作

1.1 Faster R-CNN

本文目標(biāo)檢測算法由Fast R-CNN 改進而來。在候選區(qū)域生成階段，他使用選擇區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)（Region Proposal Network，RPN）代替?zhèn)鹘y(tǒng)算法中的Selective Search［15］，該算法的特征抽取、候選區(qū)域生成、邊界框回歸與分類工作都整合在一個網(wǎng)絡(luò)中，從而提升了綜合檢測性能，同時相較于前代算法，F(xiàn)aster R-CNN 的檢測速度也有了較大提升。

圖像在輸入后，經(jīng)過卷積層生成特征圖，RPN 模塊處理特征圖生成候選區(qū)域，該結(jié)果與特征圖共同輸入到RoiPooling 層并進行后續(xù)分類與回歸。

在實際操作使用中發(fā)現(xiàn)，由于Faster R-CNN 對多尺度信息的提取效果較差，其對于一些特殊車輛，例如公安用車、救護車輛等識別率相對較低，同時在有所遮擋的視野條件下會出現(xiàn)較多漏檢誤檢情況。因此，本文選擇提高感受野和對多尺度信息的重采樣改進算法，同時引入Rea?soning-RCNN，給予Faster R-CNN 全局推理能力，以解決實際檢測中出現(xiàn)的準(zhǔn)確率不理想問題。

1.2 Reasoning-RCNN

文獻［16］基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)提出Reasoning-RCNN，該方法引入了全局語義池和知識圖譜，以達到特征增強效果。該網(wǎng)絡(luò)首先利用基本檢測網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生每個類別的基礎(chǔ)分類權(quán)重，并利用其生成一個全局語義池；然后，通過包含語義知識的知識圖譜后，經(jīng)由自適應(yīng)全局推理模塊產(chǎn)生強化后的特征，將此特征與先前生成的基礎(chǔ)特征相結(jié)合后生成新的分類和定位。該方法足夠靈活，可以疊加在大部分現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)上，借此可以有效改善遮擋或模糊情況下的物體識別。本文將其融合到Faster R-CNN 中以改善原網(wǎng)絡(luò)檢測效果。

1.3 VGG-16

VGGNet 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡潔、泛化性能良好。VGG-16 網(wǎng)絡(luò)是2014 年推出的深度網(wǎng)絡(luò)模型，該網(wǎng)絡(luò)共有帶參的網(wǎng)絡(luò)層16 個，包含有卷積層13 個、池化層5 個、全連接層3 個。在圖像處理方面性能卓越。因此，本文將改進VGG-16 網(wǎng)絡(luò)作為骨干網(wǎng)絡(luò)使用。

1.4 空洞卷積

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，為了減少參數(shù)數(shù)量并增加感受野，特征圖在生成后需要經(jīng)過池化層下采樣以減小特征圖尺寸。而后續(xù)的上采樣還原特征圖尺寸的過程會丟失很大一部分特征信息，即該過程會丟失細節(jié)信息導(dǎo)致圖像處理效果不佳。針對該問題，文獻［17］提出空洞卷積（Atrous Convo?lutions），該方法在增加感受野的同時沒有減小圖像大小。因此，每個卷積輸出都包含了較為完整的信息。空洞卷積示意圖如圖1所示。

Fig.1 Atrous convolutions圖1 空洞卷積

2 基于Faster-RCNN的改進模型

在利用Faster-RCNN 進行車輛類型識別過程中，部分車輛存在相似度較高的情況，例如警用車輛、出租車和私家車輛、消防車和貨車等，這些車型的主要區(qū)別在于車身涂裝和標(biāo)志燈上。在實際應(yīng)用中，往往會因為行人或非機動車遮擋部分車輛畫面導(dǎo)致識別效果不佳。改進模型利用空洞卷積增加感受野，結(jié)合空洞空間金字塔池化（Atrous Spatial Pyramid Polling，ASPP）提高對多尺度信息的提取效果，引入Reasoning-RCNN 賦予模型自適應(yīng)推理能力，以增強算法識別能力。

本文創(chuàng)建了一個COCO 數(shù)據(jù)集，用于訓(xùn)練Faster-RCNN。根據(jù)數(shù)據(jù)特點，選擇VGG-16 作為骨干網(wǎng)絡(luò)，引入空洞卷積、空洞空間金字塔池化和Reasoning-RCNN 提高算法準(zhǔn)確率。修改后的結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖像首先經(jīng)過融合空洞卷積的VGG-16 網(wǎng)絡(luò)得到特征圖。特征圖分別在RPN 模塊生成候選區(qū)域，在ASPP 模塊提取多尺度特征信息。兩項結(jié)果一方面共同輸入到ROI Align 層中進行候選區(qū)域特征圖的生成，再進行后續(xù)工作得到各項的初始權(quán)重以生成全局語義池M；另一方面由特征圖生成注意力系數(shù)α，通過包含特定知識的知識圖譜，在M 中傳播所有的語義表示以進行全局推理。最后，將得到的結(jié)果，即增強后的特征圖再次進行分類和候選區(qū)域回歸以得到新的分類權(quán)重。

Fig.2 Schematic diagram of improved algorithm structure圖2 改進算法結(jié)構(gòu)示意圖

本方法的損失函數(shù)分為RPN 損失與Faster R-CNN 損失兩部分。同時，這兩部分損失中都包含分類損失和回歸損失。其計算方法為：

其中，σ在RPN訓(xùn)練時為3，在Faster R-CNN 訓(xùn) 練時為1。

2.1 空洞卷積的VGG-16網(wǎng)絡(luò)

本方案用rate 值為2、3、5 的空洞卷積在VGG 的第4、5個卷積模塊中分別進行3 次卷積操作。空洞卷積rate 值的變化后，為了不改變生成特征圖的尺寸，pad 值也需作出改變。在rate=1，即用3*3 的卷積核對7*7 的特征圖進行卷積操作時，需要在特征圖外圍補充寬度為1 的像素點以確保能夠生成7*7 大小的特征圖。當(dāng)使用5*5 的卷積核進行卷積時，即rate 值為2，則需要填充的像素點寬度為2。同理，在rate 為3 時，相當(dāng)于使用7*7 的卷積核進行卷積，此時應(yīng)在特征圖周邊填充寬度為3 的像素點。在rate=5 時應(yīng)填充寬度為5 的像素點。因此，也需要修改網(wǎng)絡(luò)中相應(yīng)的pad參數(shù)。修改后的VGG16 網(wǎng)絡(luò)與原網(wǎng)絡(luò)卷積層比較如表1所示。

使用空洞卷積能有效提高感受野，同時還可以改善局部特征信息丟失情況，以增加相似車型之間的差異特征。

2.2 ASPP

空洞空間金字塔池化（ASPP）是基于SPP（Spatital Pyr?amid Pooling）而提出，該方法對所給定的輸入以不同采樣率的空洞卷積并行采樣，相當(dāng)于以多個比例捕捉圖像上下文。ASPP 能增加對多尺度信息的提取效果，以此提升算法準(zhǔn)確性。

Table 1 Comparison between VGG-16 network structure with atrous convolution and original network表1 空洞卷積的VGG-16網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)與原網(wǎng)絡(luò)比較

本文在Faster R-CNN 中加入ASPP，從Conv-5 層輸出的特征圖輸入ASPP 結(jié)構(gòu)中，使用多個尺度的空洞卷積進行重采樣，并編碼多尺度信息，增加對多尺度信息的提取效果。rate 值的設(shè)定要適當(dāng)，既能保證較大的感受野，又不至于降低空洞卷積效果，這樣才能夠保證對多尺度信息的處理效果。

本文檢測對象中，消防車、出租車等與普通車輛的區(qū)分標(biāo)志圖案屬于小目標(biāo)，因而在檢測中應(yīng)使用多個小尺度的卷積進行重采樣工作，這樣才能保證盡可能多地獲取到相關(guān)的局部特征信息。經(jīng)實驗后發(fā)現(xiàn)提取多尺度信息的最佳方案為：ASPP 模塊第一個分支先進行平均池化操作，然后使用1*1 的卷積變換通道數(shù)，其他4 個分支分別使用rate 值為1、3、5、7 的3*3 卷積核對特征圖進行再采樣。ASPP 結(jié)構(gòu)如圖3所示。

Fig.3 Structure of atrous spatial pyramid pooling（ASPP）in void space圖3 空洞空間金字塔池化（ASPP）結(jié)構(gòu)

2.3 Reasoning-RCNN

該方法通過引入外部知識建立自適應(yīng)全局推理模塊。首先，通過收集上一層的分類層權(quán)重生成全局語義池，即集成每個類別的高級語義表示；然后，在訓(xùn)練和測試中定義一個類到類的無向圖G=，其中N是類別節(jié)點，每條邊ei，j ? ε編碼兩節(jié)點間的一種知識，通過在全局語義池中傳播知識圖G以增強區(qū)域特征；最后，將增強的特征與原特征連接得到新的特征用以增強檢測效果。其過程如圖4所示。

Fig.4 Global reasoning module圖4 全局推理模塊

3 實驗結(jié)果及分析

3.1 數(shù)據(jù)集

深度學(xué)習(xí)方法需要樣本數(shù)據(jù)進行訓(xùn)練，以學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的特征，本方法也不例外。在數(shù)據(jù)選擇上，需要選擇更有代表性的圖像才能獲得較好的檢測效果。本文使用從網(wǎng)絡(luò)上采集而來的數(shù)據(jù)樣本，包括9 個類別，即家用小轎車、大客車、消防車、重型卡車、吉普車、面包車、出租車、小卡車、運動型汽車（SUV）。數(shù)據(jù)圖像皆為車輛的正面或側(cè)面視角，符合大部分實際應(yīng)用的常見狀況。數(shù)據(jù)集包含2 035 張圖片，通過人工標(biāo)注制成。數(shù)據(jù)集的部分圖像如圖5所示。

Fig.5 Image display of data set圖5 數(shù)據(jù)集部分圖像展示

為了檢測本文網(wǎng)絡(luò)性能，采用綜合汽車數(shù)據(jù)集Com?prehensive Cars（CompCars）［17］驗證網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確性。該數(shù)據(jù)集由香港中文大學(xué)多媒體實驗室（MMLAB）發(fā)布，包含214 345 張汽車圖像，涵蓋兩種場景（網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、監(jiān)視環(huán)境）和1 687 種汽車型號。本次實驗取其中300 張圖片進行測試，改進后的網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確率達90%（原VGG-16 網(wǎng)絡(luò)檢測準(zhǔn)確率約為84%）。

3.2 不同骨干網(wǎng)絡(luò)比較實驗

本文使用模型的基礎(chǔ)框架為Faster R-CNN，分別將骨干網(wǎng)絡(luò)改為原VGG-16、ResNet-50、ZF 網(wǎng)絡(luò)以及改進后的網(wǎng)絡(luò)，得到如表2 所示的實驗結(jié)果。觀察結(jié)果可知，就原網(wǎng)絡(luò)而言，相比于其他網(wǎng)絡(luò)，VGG-16 網(wǎng)絡(luò)的效果更勝一籌。在引入ASPP 后，網(wǎng)絡(luò)的mAP 值有所提高。加入空洞卷積后，網(wǎng)絡(luò)感受野提高，mAP 也相應(yīng)提高。在引入基于Faster R-CNN 框架的Reasoning-RCNN 后，網(wǎng)絡(luò)的mAP 值達93.86%，整體提升1.59%。由此可見，該方法能有效提升算法識別準(zhǔn)確率。

本文方法下檢測不同類別車輛的mAP 值比較如表3所示。比較結(jié)果發(fā)現(xiàn)，改進后的算法在各類別上的mAP 值均有所提升，其中，在重型卡車、消防車、出租車、家用轎車這些易混淆類別上mAP 值的提升較大。

Table 2 Comparison of different backbone networks表2 不同骨干網(wǎng)絡(luò)比較

Table 3 Comparison of mAP values of different types of vehicle表3 各類別車輛mAP值對比

3.3 不同算法比較實驗

本文將改進的算法與SSD、YOLOv2 以及YOLOv3 算法進行比較，在控制相同實驗參數(shù)的情況下比較mAP 值，結(jié)果如表4 所示。可以發(fā)現(xiàn)，本文方法的mAP 值高于其他算法。同為one-stage 算法，YOLO 系列算法相對于SSD 效果更好，但該算法對于小尺度目標(biāo)信息的檢測效果不好，在檢測相似類型車輛時效果較差，同時對于部分遮擋的車輛無法準(zhǔn)確檢測。改進后的Faster R-CNN 增加了對多尺度信息的提取效果，同時增加感受野，在此基礎(chǔ)上還擁有全局推理能力，這都增加了改進后的算法檢測效果。

Table 4 Comparison of the effects of different detection methods表4 不同檢測方法效果比較

3.4 實際應(yīng)用效果驗證

本次使用400 張圖片驗證模型實用性，其中小轎車、出租車、消防車、重型卡車各50 張，吉普車、大客車、面包車、小卡車、SUV 各40 張，如表5 所示。可以看出，各類別車輛的檢測率均在90%及以上，表明該方法具有一定實用性。

Table 5 Picture test results表5 圖片測試結(jié)果

4 結(jié)語

本文提出了一種基于Faster R-CNN 的車輛識別與分類算法，該算法針對特征相似車輛檢測，通過引入空洞卷積提高感受野，引入ASPP 結(jié)構(gòu)以增強對多尺度信息的提取效果，引入Reasoning-RCNN 賦予算法推理能力，并對網(wǎng)絡(luò)進行整體優(yōu)化。該方法在測試集上mAP 可達93.86%，可見其檢測性能良好并具有一定實用性。但同時，作為一款two-stage 的算法，該算法在運行速度上尚有一定提升空間。