基于Faster RCNN的行人檢測方法*

張 匯， 杜 煜， 寧淑榮， 張永華， 楊 碩， 杜 晨

(1.北京聯(lián)合大學(xué)智慧城市學(xué)院，北京 100101；2.北京聯(lián)合大學(xué)機(jī)器人學(xué)院，北京 100101；3.北京市信息服務(wù)工程重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100101)

0 引 言

行人檢測算法大致可以分為基于背景建模、基于輪廓模板、基于底層特征和基于統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)四大類。基于Codebook背景建模算法提取運(yùn)動前景，減少檢測過程的搜索范圍，構(gòu)建臨時塊模型，結(jié)合行人檢測結(jié)果更新背景模型，實(shí)現(xiàn)行人檢測[1]。雖然該算法能應(yīng)對光照突變，但是只能檢測運(yùn)動的行人而不能檢測靜止的行人。基于輪廓模板的方法是指利用圖像中目標(biāo)物體的邊緣輪廓、紋理和灰度等信息構(gòu)建模版，通過模板匹配的方法檢測目標(biāo)[2]。這種方法在原始圖像上進(jìn)行運(yùn)算，方法簡單易行，缺點(diǎn)是需要構(gòu)建大量的模板才能取得比較好的匹配效果。為了更好地刻畫行人圖像特征，Dalal N等人[3]提出了梯度方向直方圖(histogram of oriented gradient,HOG)特征描述子，并通過采用與線性分類器支持向量機(jī)(support vector machine,SVM)相結(jié)合的策略，使得行人檢測效果取得了很大突破。陳芝垚提出了將可變形的組件模型(deformable part model,DPM)算法與HOG特征描述子相結(jié)合的算法，進(jìn)一步提高了行人檢測率，改善了行人遮擋問題[4,5]。傳統(tǒng)的行人檢測方法主要存在以下幾個主要缺點(diǎn)：1)使用底層特征，對行人目標(biāo)的表達(dá)能力不足；2)行人的特征可分性較差，導(dǎo)致分類錯誤率較高；3)行人特征針對性強(qiáng)，某一種特征只能適應(yīng)某種特定場景，在另一種場景下很難到達(dá)同樣的效果[6～8]。

在目標(biāo)識別領(lǐng)域， 2006年Hinton G E等人[9]提出了基于深度學(xué)習(xí)的算法，并利用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)從大量的數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)高層特征。深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將特征提取、特征選擇和特征分類融合在同一模型中，通過端到端的訓(xùn)練，從整體上進(jìn)行功能優(yōu)化，從而進(jìn)一步增強(qiáng)了特征的分類。2012年，Krizhevsky A等人[10]在 ILSVRC比賽中使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法，以15.3 %的錯誤率獲得了第一名，遠(yuǎn)超出了第二名。Girshick R等人[11]提出了區(qū)域卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RCNN)模型[12],該模型利用Selective Search方法選取待檢測圖像中的若干個大小相同的候選區(qū)，并使用深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行高層特征提取。然后使用多個SVM對特征進(jìn)行分類，從而完成目標(biāo)檢測。Girshick R[13]為了提高RCNN模型的檢測準(zhǔn)確度和檢測速度，提出了快速RCNN(Faster RCNN)模型。

為了加快提取候選區(qū)域的速度，克服人工設(shè)計(jì)特征魯棒性差的難題，本文借鑒了目標(biāo)檢測領(lǐng)域的Faster RCNN模型[14,15]，加入K-means聚類算法提取初始候選區(qū)域，利用區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)(regional proposal network,RPN)生成建議候選區(qū)域，使用檢測網(wǎng)絡(luò)對行人目標(biāo)進(jìn)行分類和定位。K-means聚類和RPN聯(lián)合使用，減少了計(jì)算，大大節(jié)省生成候選區(qū)域的時間，實(shí)驗(yàn)中使用INRIA數(shù)據(jù)集訓(xùn)練該模型，得到Faster RCNN行人檢測模型參數(shù)，驗(yàn)證了Faster RCNN用于行人檢測耗時少，漏檢、誤檢少。

1 基于Faster RCNN的行人檢測方法

行人檢測過程如圖1所示,其中Faster RCNN包括RPN和檢測網(wǎng)絡(luò)。行人檢測的整個流程分為輸入圖像、通過ZFnet計(jì)算卷積特征、K-means聚類提取初始候選區(qū)域、利用RPN生成更加精準(zhǔn)的候選區(qū)域、利用檢測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分類和回歸計(jì)算得到行人矩形框等6個過程。

圖1 Faster RCNN 行人檢測過程

一般，行人只在一張圖像中占很小的區(qū)域，如果對圖像每一個區(qū)域都進(jìn)行計(jì)算，無疑增加了計(jì)算時間和學(xué)習(xí)訓(xùn)練的難度。該方法通過RPN和檢測網(wǎng)絡(luò)共用相同卷積層的方式減少了圖像中建議區(qū)域的計(jì)算時間，同時保證了圖像中行人的檢測準(zhǔn)確率。此外，聚類和RPN對檢測網(wǎng)絡(luò)的檢測位置提出建議，其輸入是待檢測圖像，輸出是一組可能是行人的矩形框建議區(qū)域，并且每個矩形框帶有一個得分值。

該方法利用INRIA行人檢測數(shù)據(jù)集對RPN區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)和檢測網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。如圖1所示，使用ZFnet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練，其輸出分別增加特定的層，從而得到RPN區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)和檢測網(wǎng)絡(luò)，用于提取輸入圖片中可能包含行人的區(qū)域，并計(jì)算其概率。

1.1 提取初始候選區(qū)域

將輸入的圖像劃分為M×N個單元，每個單元格給定B個不同規(guī)格的初始候選區(qū)域，初始候選區(qū)域通過卷積計(jì)算提取，每幅圖像的初始候選區(qū)域數(shù)量為M×N×B個。

在訓(xùn)練階段，需要設(shè)置候選區(qū)域的初始規(guī)格及數(shù)量。隨著迭代次數(shù)不斷增加，候選區(qū)域參數(shù)不斷調(diào)整，最終接近真實(shí)行人區(qū)域。為了加快收斂速度，使用K-means方法進(jìn)行聚類，得到圖像中與行人相近的候選區(qū)域。一般,K-means聚類采用歐氏距離衡量兩點(diǎn)之間的距離，對候選區(qū)域的高寬與單位網(wǎng)格長度之比進(jìn)行聚類。IOU(intersection over union)是反映候選區(qū)域與真實(shí)行人區(qū)域的重要指標(biāo)，IOU值越大，表明兩者差異越小，聚類的目標(biāo)函數(shù)為

(1)

式中N為聚類的類別，M為聚類的樣本集，Box[N]為聚類得到的候選區(qū)域?qū)捀撸琓ruth[M]為真實(shí)行人區(qū)域?qū)捀摺?/p>

1.2 RPN及訓(xùn)練

為了得到更加精準(zhǔn)的候選區(qū)域，將初始候選區(qū)域的卷積層特征作為RPN的輸入，輸出為一系列的矩形目標(biāo)候選區(qū)域。為了生成候選區(qū)域，在卷積層輸出特征圖上進(jìn)行了滑窗選擇。在特征圖中有若干個窗口，對于每個窗口，同時預(yù)測k個目標(biāo)候選區(qū)域，每個窗口與k個目標(biāo)候選區(qū)域存在聯(lián)系，稱為anchor。每個anchor有相對應(yīng)的比例和尺度。卷積特征圖中的每一個點(diǎn)都是 anchor的中心，有k個相對應(yīng)的anchors。每個滑窗被映射到一個256維的低維向量中。該特征向量被傳送到檢測網(wǎng)絡(luò)的兩個子網(wǎng)絡(luò)中：邊框回歸網(wǎng)絡(luò)和邊框分類網(wǎng)絡(luò)。邊框分類網(wǎng)絡(luò)輸出的是每個anchor屬于行人或者非行人的概率，因而對于每個滑窗，有2k個輸出，即將256維向量映射為2k維向量。行人矩形框的位置用(x,y,w,h)來表示，點(diǎn)(x,y)表示矩形框中心的頂點(diǎn)坐標(biāo),w,h分別表示矩形框的寬度和高度。邊框回歸網(wǎng)絡(luò)輸出的是每個anchor的平移縮放的值，根據(jù)行人矩形框的位置信息可知，對每個滑窗，有4k個輸出。

圖2 RPN

RPN的訓(xùn)練過程是端到端的，使用反向傳播法和梯度下降法對區(qū)域提議網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行調(diào)優(yōu)。在訓(xùn)練過程中，若待檢測區(qū)域與標(biāo)記的正樣本完全重疊或者重疊部分的面積超過正樣本面積的0.7，則判定為行人，否則，判定為非行人。

1.3 檢測網(wǎng)絡(luò)及訓(xùn)練

L(p,u,tu,v)=Lcls(p,u)+λ[u≥1]·Lreg(tu,v)

(2)

(3)

(4)

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練樣本來自INRIA數(shù)據(jù)集中的訓(xùn)練集，正負(fù)樣本分別選取5 000張作為訓(xùn)練樣本；測試集有21 790張圖片，包含了56 492個行人，此外，測試集還包括在校園中采集的500張圖片。實(shí)驗(yàn)硬件配置為Intel Core i7 處理器，內(nèi)存16 GB，英偉達(dá)顯卡GTX970M。在訓(xùn)練階段，需要對訓(xùn)練集中每張圖像中的每個行人用矩形框標(biāo)記，有遮擋的行人也要標(biāo)記。測試時，若識別出的行人框和標(biāo)記的矩形框重疊部分達(dá)到標(biāo)記的矩形框的90 %以上，則記為檢測成功。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。

圖3 行人檢測結(jié)果

實(shí)驗(yàn)使用Caffe框架實(shí)現(xiàn)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型， Faster RCNN中的Dropout、最大迭代值、批處理尺寸和非極大抑制值等參數(shù)對平均準(zhǔn)確率值(mAP)產(chǎn)生較大的影響，為了得到較好的輸出，需要對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)中,最大迭代次數(shù)為8 000，區(qū)域提議階段批尺寸為256，檢測階段尺寸為128，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證其優(yōu)化結(jié)果如表1所示。可知：當(dāng)Dropout從0.2升至0.6時，mAP的值在增加，當(dāng)Dropout從0.6升至0.8時，mAP值在減小。當(dāng)Dropout取0.6時，mAP取得最大值。

表1 不同Dropout比例的mAP的影響

在Dropout為0.6，最大迭代次數(shù)為8 000的條件下，得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)表明，區(qū)域提議階段的尺寸越小則mAP值越大。

表2 不同區(qū)域提議階段尺寸對mAP的影響

實(shí)驗(yàn)采用mAP最大時對應(yīng)的Faster RCNN的參數(shù)，并與DPM方法開展了對比分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4,表明采用Faster RCNN方法的行人檢測的準(zhǔn)確率和召回率明顯高于DPM 方法。

圖4 Faster RCNN方法和DPM方法的對比實(shí)驗(yàn)

3 結(jié)束語

提出了基于Faster RCNN的行人檢測方法，并與DPM方法進(jìn)行了對比分析實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相比基于DPM的行人檢測方法，F(xiàn)aster RCNN方法檢測準(zhǔn)確度更高、實(shí)時性更好。