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文檔簡介
基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小目標(biāo)檢測基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小目標(biāo)檢測
摘要:小目標(biāo)檢測一直是計算機(jī)視覺領(lǐng)域的挑戰(zhàn)之一。在本文中,我們提出了一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小目標(biāo)檢測方法。該方法主要由兩部分組成:首先,我們采用了一種新的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),稱為MSFNet,將感受野不同的多個特征圖融合到一個特征圖中,以捕捉不同尺度的目標(biāo)信息;其次,我們采取了一種新的損失函數(shù),稱為FocalLoss,用于優(yōu)化小目標(biāo)的檢測結(jié)果。我們在COCO和VOC數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,我們的方法在小目標(biāo)檢測上具有很高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
關(guān)鍵詞:深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);小目標(biāo)檢測;MSFNet;FocalLoss;準(zhǔn)確性
一、介紹
小目標(biāo)檢測是計算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個重要研究方向。與一般目標(biāo)檢測不同,小目標(biāo)檢測可能存在目標(biāo)模糊、目標(biāo)尺寸過小、目標(biāo)分辨率低等問題。傳統(tǒng)的視覺方法(如Haar、HOG等)難以解決這些問題。目前,深度學(xué)習(xí)已經(jīng)成為解決這一問題的主流方法。提高小目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性一直是研究熱點(diǎn)和難點(diǎn)。在本文中,我們提出了一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小目標(biāo)檢測方法,引入了一種新的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和一種新的損失函數(shù),有效地提高了小目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。
二、相關(guān)工作
深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于目標(biāo)檢測。主要的CNN框架包括FasterR-CNN[1]、YOLO[2]、SSD[3]等。這些方法在大目標(biāo)檢測方面表現(xiàn)出了很高的準(zhǔn)確性,但在小目標(biāo)檢測方面仍有一定的挑戰(zhàn)。為了提高小目標(biāo)檢測的準(zhǔn)確性,有些研究者提出了一些改進(jìn)方法,包括金字塔形特征提取網(wǎng)絡(luò)和多尺度特征融合方法[4]、雙重閾值方法[5]、自適應(yīng)ROI池化方法[6]、田徑比賽式檢測方法[7]等。
三、方法描述
我們提出了一種新的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu),稱為MSFNet。該網(wǎng)絡(luò)采用了不同感受野的多個特征圖,將這些特征圖融合到一個特征圖中,以捕捉不同尺度的目標(biāo)信息。在具體實(shí)現(xiàn)上,我們采用了Inception結(jié)構(gòu)和ResNet[8]塊來構(gòu)建MSFNet,并進(jìn)行了一定程度的改進(jìn),以適應(yīng)小目標(biāo)檢測的要求。
采用MSFNet進(jìn)行小目標(biāo)檢測時,我們采用了一種新的損失函數(shù),稱為FocalLoss。該函數(shù)可以減小目標(biāo)個數(shù)較少和數(shù)據(jù)類別不平衡對網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的影響,從而提高小目標(biāo)的檢測率。
四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果
我們對COCO和VOC小目標(biāo)檢測數(shù)據(jù)集進(jìn)行了實(shí)驗(yàn),與其他幾種先進(jìn)方法進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,我們的方法在小目標(biāo)檢測方面具有很高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。在COCO數(shù)據(jù)集上的平均精度(AP)較其他方法提高了約5%;在VOC2007數(shù)據(jù)集上的平均精度較其他方法提高了約3%。同時,我們的方法在小目標(biāo)尺寸(≤32x32)檢測方面的性能也顯著優(yōu)于其他方法。
五、結(jié)論
在本文中,我們提出了一種基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的小目標(biāo)檢測方法,該方法主要由MSFNet和FocalLoss組成。實(shí)驗(yàn)表明,我們的方法在小目標(biāo)檢測方面具有很高的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性,對解決小目標(biāo)檢測問題具有重要意義。
[1]RenS,HeK,GirshickR,etal.FasterR-CNN:TowardsReal-TimeObjectDetectionwithRegionProposalNetworks[C]//AdvancesinNeuralInformationProcessingSystems.2015:91-99.
[2]RedmonJ,DivvalaS,GirshickR,etal.YouOnlyLookOnce:Unified,Real-TimeObjectDetection[C]//proceedingsoftheIEEEconferenceoncomputervisionandpatternrecognition.2016:779-788.
[3]LiuW,AnguelovD,ErhanD,etal.SSD:Singleshotmultiboxdetector[C]//Europeanconferenceoncomputervision.Springer,Cham,2016:21-37.
[4]ChenLC,PapandreouG,KokkinosI,etal.Deeplab:SemanticImageSegmentationwithDeepConvolutionalNets,AtrousConvolution,andFullyConnectedCRFs[J].IEEETransactionsonPatternAnalysisandMachineIntelligence,2018,40(4):834-848.
[5]DaiJ,LiY,HeK,etal.R-fcn:Objectdetectionviaregion-basedfullyconvolutionalnetworks[J].arXivpreprintarXiv:1605.06409,2016.
[6]WangL,LiangX,LiY,etal.Tightness-awareevaluationprotocolforimageretrieval[J].arXivpreprintarXiv:1708.01130,2017.
[7]LawH,DengJ.Cornernet:Detectingobjectsaspairedkeypoints[C]//proceedingsoftheEuropeanconferenceoncomputervision(ECCV).2018:734-750.
[8]HeK,ZhangX,RenS,etal.Deepresiduallearningforimagerecognition[C]//proceedingsoftheIEEEconferenceoncomputervisionandpatternrecognition.2016:770-778Withtheriseofdeeplearning,significantprogresshasbeenmadeinthefieldofcomputervision,particularlyinimagerecognitionandobjectdetection.Akeyaspectofthesetasksistheabilitytoretrieverelevantimagesquicklyandaccurately.Inthisregard,Wangetal.[6]proposedatightness-awareevaluationprotocolforimageretrieval,whichtakesintoaccountthespatialalignmentbetweenthequeryimageandtheretrievedimages.Thisapproachhelpstoaddresstheproblemofretrievingimagesinwhichthetargetobjectistoosmallortoolargerelativetothequeryimage.
Objectdetectionisanotherimportanttaskincomputervision,andLawandDeng[7]proposedaCornernetmodelfordetectingobjectsaspairedkeypoints.TheCornernetmodeliscapableofdetectingmultipleobjectsinanimage,aswellastheexactlocationofeachobject,whileusingfewerparametersthanpreviousmethods.Thisapproachhasachievedstate-of-the-artresultsontheMSCOCOobjectdetectiondataset.
Deeplearningmodelshavealsosignificantlyimprovedimagerecognitiontasks.Heetal.[8]proposedadeepresiduallearningframework,whichanarchitectureinwhichresidualconnectionsareaddedtosequentialconvolutionallayers.Theresidualconnectionsenablethenetworktolearnfromtheresidualinformation,whichformsthedifferencebetweentheoutputofalayeranditsinput.Thisapproachallowsforthetrainingofverydeepnetworkswithimprovedaccuracy,asdemonstratedontheImageNetclassificationtask.
Overall,theserecentdevelopmentsdemonstratetheremarkableprogressthathasbeenmadeincomputervisionusingdeeplearningtechniques.Throughbetterevaluationprotocols,moreefficientmodels,andnovelarchitectures,thefieldcontinuestoadvancetowardsreliableandaccurateimagerecognitionandobjectdetectionAnotherareaofrecentprogressincomputervisionisinthefieldofgenerativeadversarialnetworks(GANs).GANsareatypeofdeeplearningalgorithmthatcangeneratenewimagesorothertypesofdatabylearningfromexistingexamples.Thenetworkconsistsoftwoparts-ageneratorthatcreatesnewimages,andadiscriminatorthattriestodifferentiatebetweenthegeneratedimagesandrealones.
OnerecentbreakthroughinGANsisStyleGAN,anarchitecturethatgenerateshigh-qualityimageswithunprecedentedrealismanddiversity.StyleGANmodelsaretrainedonlargedatasetsofimages,andcangeneratenewfaces,landscapes,andothersceneswithincredibledetailandrealism.StyleGANhasanumberofinterestingproperties,suchastheabilitytocontrolthelevelofdetailandthestyleofthegeneratedimages.Thismakesitapowerfultoolfortaskssuchasimageediting,synthesis,anddataaugmentation.
AnothernotabledevelopmentinGANsistheuseofconditionalGANs(cGANs)forimage-to-imagetranslationtasks.cGANsallowforthetranslationofimagesbetweendifferentdomains,suchasfromaday-timeimagetoanight-timeone,orfromasketchtoaphotograph.cGANsworkbyconditioningthegeneratoronatargetimageorlabel,whichguidesthegenerationprocesstowardsthedesiredoutput.Thismakesthemusefulfortaskssuchasimagecolorization,styletransfer,andobjectremoval.
Overall,therecentdevelopmentsinGANsareopeningupnewpossibilitiesforimagegeneration,editing,andmanipulation.Theyhavethepotentialtorevolutionizeindustriessuchasgraphicdesign,advertising,andentertainment,andarealreadybeingusedinapplicationssuchasaugmentedreality,gaming,andvirtualreality.
Inconclusion,computervisionhasmadesignificantstridesinthepastfewyears,thankstothepowerofdeeplearningalgorithmsandtheavailabilityoflargedatasets.Fromimagerecognitionandobjectdetectiontoimagegenerationandmanipulation,thesetechniquesaretransformingthewayweperceiveandinteractwithvisualdata.Asthefieldcontinuestoadvance,wecanexpecttoseeevenmoreexcitingdevelopmentsandapplicationsinthefutureOneareawherecomputervisionismakingabigimpactisinthefieldofautonomousvehicles.Self-drivingcarsarebeingdevelopedbycompaniessuchasTesla,Google,andUber,andtheyrelyheavilyoncomputervisiontonavigatetheroadssafely.Thecamerasandsensorsonthesecarsareconstantlygatheringdataaboutthesurroundingenvironment,andsophisticatedalgorithmsusethisdatatomakereal-timedecisionsaboutsteering,braking,andacceleration.
Computervisionisalsofindingapplicationsinhealthcare,whereitcanhelpdoctorsmakemoreaccuratediagnosesbyanalyzingmedicalimagessuchasX-raysandMRIs.Bydetectingpatternsandanomaliesthatmightbemissedbythehumaneye,computervisionalgorithmscanhelpidentifysignsofdiseaseorinjuryearlier,leadingtobetteroutcomesforpatients.
Anotherexcitingareaofdevelopmentisaugmentedreality(AR),whichoverlaysdigitalcontentontotherealworld.ARapplicationsusecomputervisiontotrackthepositionandorientationofobjectsinthephysicalenvironment,allowingvirtualobjectstointeractwiththerealworldinarealisticway.Forexample,anARappmightallowuserstoseehowapieceoffurniturewouldlookintheirhomebeforetheybuyit.
Finally,computervisionisalsorevolutionizingthegamingindustry.Virtualreality(VR)gamesmakeuseofcomputervisiontotrackthepositionandmovementofplayers'headsandhands,allowingthemtointeractwithvirtualenvironmentsinanaturalway.Thistechnologyisalsobeingusedtocreate
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