基于YOLOv4-GS檢測算法的服裝識別方法

田魏偉，邱衛(wèi)根，張立臣

（廣東工業(yè)大學(xué)計算機學(xué)院，廣州 510006）

0 引言

如今，隨著電子商務(wù)技術(shù)的迅速發(fā)展，我國服裝電商市場規(guī)模總體呈逐年井噴增長態(tài)勢。直播帶貨銷售讓用戶可以更為真切地感受到服裝的實際穿著效果，對服裝的效果有更深的了解。但服裝直播類型繁多，用戶難以高效準確地發(fā)現(xiàn)自己喜歡類型的服裝。如何快速、精準地對不同類型的服裝直播進行分類具有重要的研究意義。

近年來，服裝圖像分析在圖像處理和計算機視覺領(lǐng)域引起了巨大的關(guān)注。例如，2016 年公開的最大服裝數(shù)據(jù)集DeepFashion，擁有超過80 萬張圖片數(shù)據(jù)，但該數(shù)據(jù)集的每張圖片包含一件服裝，因此在此類數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練的模型無法在檢測圖像中檢測多個服裝目標。2019 年Ge 等提出了Deepfashion2 數(shù)據(jù)集，其中包含超過20 萬張服裝圖像，一共擁有13 種不同類型的服裝，每張圖片包含一個或多個服裝目標，彌補了DeepFashion 數(shù)據(jù)集的缺點。Ge等也嘗試使用基于Mask R-CNN 的改進模型對DeepFashion2 進行實驗，取得了良好的精度結(jié)果，mAP 值達到了66.7%。Mask R-CNN是類似于Faster R-CNN 系列的two-stage 算法，首先識別區(qū)域建議框，然后再對其進行分類識別，因此具有較高的準確性和定位能力，但該算法需要大量的參數(shù)量與浮點運算量。由于要將服裝檢測應(yīng)用到直播當中，就要將模型部署到手機等嵌入式設(shè)備當中，其巨量的參數(shù)與浮點運算，嚴重阻礙了這類模型在嵌入式設(shè)備上的部署，也極大地限制了這類模型在更廣泛領(lǐng)域中的應(yīng)用。因此，研究基于更輕量級的深度學(xué)習(xí)算法對于擴展檢測模型在服裝檢測領(lǐng)域的應(yīng)用具有至關(guān)重要的作用。

鑒于Two-stage 算法一直都存在效率方面的巨大劣勢，2016 年Iandola 等提出了輕量級神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)SqueezeNet，通過減少參數(shù)量來進行模型壓縮，減少模型部署時的額外開銷。2017 年Howard 等在文獻中提出了MobilNets，利用逐點卷積構(gòu)造卷積層，實現(xiàn)了更好的性能。2020年Han 等提出了新的輕量級網(wǎng)絡(luò)GhostNet，其新穎的Ghost 模塊使用低廉的操作生成更多的特征圖，在效率和準確率方面都優(yōu)于現(xiàn)有的輕量級網(wǎng)絡(luò)。但是，由于這些輕量級網(wǎng)絡(luò)犧牲了檢測的準確度，不利于在實際生活中的應(yīng)用。后續(xù)出現(xiàn)了一些花費很小就可以提升網(wǎng)絡(luò)模型精度的方法，其中注意力機制就是相對高效的一種。注意力機制通過給予人類選擇性視覺注意，

其 主 要 包 括 三 部 分：backbone 部 分、Neck 部分、head 部分。Backbone 部分使用CSP?DarkNet53 網(wǎng)絡(luò)提取目標特征，在不同圖像細粒度上聚合并形成圖像特征。該網(wǎng)絡(luò)由殘差結(jié)構(gòu)和與CSPNet連接的1×1 和3×3 卷積組成。其中殘差結(jié)構(gòu)可以有效降低復(fù)雜度并提升識別效果。同時，該網(wǎng)絡(luò)使用了Mish 激活函數(shù)，其優(yōu)點是無邊界（正值可以達到任何高度），避免導(dǎo)致訓(xùn)練速度急劇下降的梯度飽和。Mish 函數(shù)是非單調(diào)函數(shù)，保持有小的負值，從而穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)梯度流，它的光滑性使它具有較好的泛化能力和對結(jié)果的有效優(yōu)化能力；Neck 部分使用了PANet結(jié)構(gòu)和SPP 模塊。PANet 模型通過其金字塔結(jié)構(gòu)，對從骨干網(wǎng)絡(luò)中提取的三個尺度特征圖進行增強，使模型性能獲得了極大的提升。SPP模塊可以極大地增加感受野，分離出顯著的上下文特征；head 部分延續(xù)了YOLOv3 的YOLO head 結(jié)構(gòu)設(shè)計，其利用前面部分提取的特征得到最終的預(yù)測結(jié)果，包括目標的類別、框位置信息和置信度。

1.2 YOLOv4-GS算法

為了進一步壓縮YOLOv4模型規(guī)模，使其輕量化的同時擁有高精度的性能，本文提出一種體積更小，計算量更少的YOLOv4-GS 目標檢測模型。

本文首先針對DeepFashion2 數(shù)據(jù)集進行Kmeans 聚類獲得對應(yīng)的anchors，再將Ghost 模塊和SimAM 注意力機制進行深度組合獲得GS 模塊，并重構(gòu)CSPDarkNet53 網(wǎng)絡(luò)，獲得新的骨干網(wǎng)絡(luò)GS- CSPDarkNet53，最終通過迭代訓(xùn)練獲得高性能、高精度的YOLOv4-GS模型。

1.2.1 利用K-means聚類方法獲得數(shù)據(jù)集對應(yīng)的anchors

本模型中，錨框的引入將目標檢測的問題轉(zhuǎn)化為檢測固定格子內(nèi)是否存在目標以及預(yù)測框與真實框的偏差問題。所以，先驗框的設(shè)置對預(yù)測結(jié)果起著至關(guān)重要的作用。因此，本文算法使用K-means 聚類生成適應(yīng)的先驗框從而增加模型的檢測精度。

主要步驟為：

（1）隨機選取9 個樣本框分別作為9 個簇的聚類中心；

（2）計算相似性參數(shù)，由聚類中心和標簽的交集（IOU）決定；

（3）根據(jù)參數(shù)的值將其他標簽劃分到對應(yīng)的簇中；

（4）一輪完成后將這9 個簇的均值作為新的聚類中心。

（5）重復(fù)步驟（2）到步驟（4），直到聚類中心不發(fā)生變化。最終獲得的先驗框符合大量服裝類型的尺寸，能有效提高模型的檢測精度。

本文算法一共輸出3 個特征層，所以生成9個anchor boxes，該算法所取的服裝數(shù)據(jù)集的寬度和高度相對應(yīng)的anchor box如表1所示。

表1 服裝數(shù)據(jù)集對應(yīng)的anchors

1.2.2 GS模塊和GS-CSP模塊

在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，一般會生成大量的特征圖，雖然有利于模型全面理解輸入數(shù)據(jù)，但其中必定存在一定數(shù)量的冗余。Han等研究表明，這些冗余特征圖可以利用低廉的線性操作映射部分特征圖得到。為減少其中大量的卷積運算，利用Ghost 模塊將普通的卷積層分成兩部分：一部分是正常的卷積操作，另一部分是對卷積操作獲得的特征圖做簡單的線性運算，以生成特征圖。這樣，降低了整個模型的參數(shù)量和計算量。Ghost卷積模塊如圖2所示。

圖2 Ghost卷積模塊

但是由此生成的特征圖豐富度降低，識別精度受到影響，因此提出GS 模塊。與殘差模塊類似，GS 模塊的主干部分是由兩個Ghost 卷積塊和SimAM 注意力機制進行深度組合構(gòu)成。其中，利用殘差機制，有效地降低了卷積操作的復(fù)雜度。最后，將兩部分的結(jié)果通過特征相加操作構(gòu)成最后的GS模塊。GS模塊如圖3所示。圖3 中，SimAM 是無參數(shù)注意力機制，其在特征圖推導(dǎo)注意力權(quán)值時不需額外的參數(shù)，確保了更輕量級和更高效。該注意力機制是通過度量神經(jīng)元之間的線性可分性來尋找重要的神經(jīng)元，將這些神經(jīng)元賦予更高的優(yōu)先級。定義每個神經(jīng)元的能量函數(shù)如式（1）所示。

圖3 GS模塊

其中：

和x為通道中目標神經(jīng)元和其他神經(jīng)元，是空間維度的索引，=×是該通道上的神經(jīng)元數(shù)量，ω和b是權(quán)重和偏差。采用二值標簽，并添加正則項，最終的能量函數(shù)如式（2）所示。

式（2）的解析解如式（3）和式（4）所示。

其中

最小的能量計算方法如式（5）所示。

其中

如圖4 所示，GS-CSP 模塊分為兩部分。主干部分是由兩個Ghost 模塊和GS 模塊進行串連，將結(jié)果連接到最后。另一部分經(jīng)過一個Ghost 卷積模塊后連接到最后。最后將兩部分的結(jié)果拼接起來，以有效地緩解梯度消失的問題，并獲取豐富的特征。

圖4 GS-CSP模塊

1.2.3 構(gòu)建YOLOv4-GS模型

YOLOv4-GS算法框架如圖5所示。

圖5 YOLOv4-GS算法框架

其中SPP 和CBL 結(jié)構(gòu)分別如圖6 和圖7所示。

圖6 SPP結(jié)構(gòu)圖

圖7 CBL結(jié)構(gòu)圖

本文算法由三部分組成：1、backbone 是由GS 模塊重構(gòu)整個YOLOv4 骨干網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的GSCSPDarkNet53 網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)更輕量級、更高效的特征提取；2、Neck 部分使用SPP 結(jié)構(gòu)擴大感受野，其中分別利用四個不同尺度的最大池化核13×13、9×9、5×5、1×1 結(jié)構(gòu)進行池化處理，同時，還使用了PANet 特征金字塔結(jié)構(gòu)，利用參數(shù)聚合來適用于不同level 的目標檢測；3、head部分使用三個不同尺寸的輸出頭，分別是76×76×255、38×38×255、19×19×255，對于大、中、小目標都有很強的魯棒性。

2 實驗與分析

2.1 實驗環(huán)境

本實驗利用Pytroch 深度學(xué)習(xí)框架實現(xiàn)YO?LOv4-GS 目標檢測算法。服務(wù)器硬件配置為Nvidia GTX1080ti 8g 顯存、內(nèi)存16 G、Intel（R）Core（R）i5-3230M 處理器。實驗的測試環(huán)境為Ubuntu16.04 操 作 系 統(tǒng)、Python3.6、Cuda10.0。基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率設(shè)為0.001，調(diào)整方式為到達預(yù)定迭代次數(shù)后，將現(xiàn)有的學(xué)習(xí)率乘以0.1 后作為新的學(xué)習(xí)率，Batch_size 設(shè)為16，訓(xùn)練輪次設(shè)為50次。

2.2 實驗數(shù)據(jù)集

為了測試本文算法在不同服裝檢測場景下的效果，訓(xùn)練數(shù)據(jù)集必須是多樣的、豐富的，因此本實驗選擇在DeepFashion2 數(shù)據(jù)集上進行訓(xùn)練和測試。

DeepFashion2 是DeepFashion 的 改 進 版，具有大量的流行服裝數(shù)據(jù)，為實驗提供了更好的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。DeepFashion2 包含13 個流行服裝類別，例如短袖、連衣裙和外套等類型，一共包括49 萬張圖片80 萬個服裝實例，訓(xùn)練出的模型具有很好的魯棒性，在不同場景下進行服裝檢測都可以起到很好的效果。

2.3 模型重構(gòu)及優(yōu)化實驗

在目標檢測中precision-recall 曲線是分別以精度和召回率為縱軸和橫軸的曲線，是該曲線下的面積，是所有類別的平均值，本實驗將作為模型評價指標進行對比。如表2所示，本文算法YOLOv4-GS在mAP這個評價指標上優(yōu)于DeepFashion2 論文中使用mask R-CNN模型得到的檢測結(jié)果，相比提升了1.1%。

表2 YOLOv4-GS在DeepFashion2上檢測結(jié)果對比

如表3所示，主要針對模型的骨干網(wǎng)絡(luò)計算量、骨干網(wǎng)絡(luò)參數(shù)量、模型大小和值進行了對比。引入了GS 模塊的YOLOv3 模型back?bone的計算量和參數(shù)量相比于原生YOLOv3模型幾乎都降低到了50%，模型體積下降了34.15%。在DeepFashion2 測試數(shù)據(jù)集下，值達到了61.5%，對比YOLOv3 模型，提升了1.4% 的。本文模型YOLOv4-GS 相比于傳統(tǒng)的YO?LOv4 模型，backbone 的計算力和參數(shù)量下降了50%左右，模型體積減少了33.12%，值達到了67.8%，相對原生YOLOv4 模型提高了

表3 改進YOLO模型對比

2.1%。

如表3數(shù)據(jù)所示，本文算法提出的GS模塊，引入到Y(jié)OLOv4 模型后，相對于傳統(tǒng)的YOLOv4模型參數(shù)量更少，計算力更低，擁有更小的模型大小和更高的精度，對于模型部署有一定的提升作用。由此證明，GS 模塊能有效使模型輕量化，模型的體積和運算量得到了有效的壓縮，并且模型的精度也得到了提升。YOLOv4-GS 模型的部分識別結(jié)果如圖8所示。

圖8 YOLOv4-GS模型部分識別結(jié)果

3 結(jié)語

針對現(xiàn)有模型無法滿足兼顧效率和檢測精度，不能適應(yīng)嵌入式環(huán)境的問題，本文提出更輕量高效的YOLOv4-GS 目標檢測算法。本文算法首先為了應(yīng)對不同的檢測任務(wù)，對數(shù)據(jù)集使用K-means 聚類方法獲取對應(yīng)先驗框參數(shù)。然后深度融合Ghost模塊和SimAM注意力機制組成GS 模塊，并以之重構(gòu)整個YOLOv4 模型，獲得一個參數(shù)少、模型尺寸小、檢測效率高和精度高的目標檢測器YOLOv4-GS模型。

本文在DeepFashion2 數(shù)據(jù)集上的實驗結(jié)果表明，融合GS 模塊的YOLOv4-GS 模型取得了較好的效果。相對于DeepFashion2 模型Mask R-CNN，本文算法提升了1.1%的值。相對于原生YOLOv4 算法，本文模型大小減小了33.12%，指標提升了2.1%。實驗也表明，GS 模塊不僅對YOLOv4 起到了提高效率和精度的作用，在應(yīng)用到其他模型時也能很好地提升性能，例如，YOLOv3等類似的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，都可以參考本文方案進行改進。實驗證明了本文算法通過引入GS 輕量模塊縮小了深度學(xué)習(xí)模型的規(guī)模，對于深度學(xué)習(xí)模型在后續(xù)嵌入式設(shè)備上部署有較好的理論支撐。本實驗的更輕量更高效的模型，可以在服裝領(lǐng)域起到更好的適應(yīng)性，同時擴展了深度學(xué)習(xí)在服裝領(lǐng)域的應(yīng)用。