基于YOLOv3增强模型融合的人流密度估计①

孙乾宇,张振东

(上海理工大学 机械工程学院,上海 200093)

随着消费水平的提高,人们外出旅游,商场购物已然成为常态,导致区域人流量急剧增加.一方面,在人流密集的场景下容易产生踩踏事件以及打架,纵火等恶劣行为造成人流恐慌.在另一方面,可以帮助商场等各大商铺有效的统计客流量.因此对特定场合的人流密度进行精确的估计具有重大意义.

现有的人流密度估计方法主要有两种,一种是针对检测的方法,另一种是针对回归的方法.对于检测的方法来说一般假设可以通过使用给定的对象检测器[1–3]来检测和定位人群图像上的每个人,然后通过累积每个检测到的人来计数,然而,这些传统的检测方法[4–6]需要耗费很大的计算资源而且还会受到行人人为遮挡以及背景复杂的限制.在实际情况下,精度较低,鲁棒性较差.基于回归的方法是给定一张图片,直接从图片中回归出人口的数量.Chan 等[7]使用手动制作的图像特征来将人数统计任务转变成回归任务;文献[8,9]提出了更多检测人数估计任务相关的特征,包括针对整体结构的特征和局部纹理的特征;Lempitsky等人[10]提出了一种密度图回归的算法,该算法通过对检测图像的密度图进行积分来统计人群个数.然而这些基于回归的方法在复杂背景下准确性相对较低.

近年来随着YOLO[11–13]系列模型的出现,以超高的推理速度和较高的精度在各个邻域广泛应用.然而在人流密集和行人互相遮挡的情况下直接使用目标检测模型精度相对较低.因此提出了基于YOLOv3增强模型融合的人流密度估计方法.一方面,使用YOLOv3 增强模型来提高精度.另一方面,使用人流头部标注数据集和人流身体标注数据集分别训练两个模型进行融合来提高鲁棒性.模型融合的方法在数据集上进行测试,结果表明具有较高的精度和鲁棒性.

1 模型

1.1 YOLOv3 模型原理

YOLOv3 算法的基本思想可以分成两部分:

首先,根据一定的规则在图片上生成一系列候选区域,然后根据这些候选区域与图片上物体的真实区域之间的位置关系对候选区域进行标记.跟真实框之间的距离小于阈值的那部分候选区域会被标注为正样本,同时将真实框的位置坐标作为正样本的位置坐标目标值.距真实框的距离较大的那些候选区域则会被标注为负样本,负样本不需要预测位置坐标或者类别信息.

其次是使用卷积神经网络提炼出图片的特征,并对候选区域的位置坐标和类别信息进行预测.这样,可以将每个预测框视为一个样本,并根据真实框相对于其的位置坐标和类别信息来获取标签值.使用网络模型来预测其位置和类别,并比较网络预测值和标签值.这样就可以构建损失函数来进行训练.YOLOv3 算法的思想如图1所示.

YOLOv3 采用的骨干网络是DarkNet-53.DarkNet-53 网络结构没有池化层,在前向传播过程中,通过改变卷积核的步长代替池化层,特征提取模型采用很多3×3和1×1的卷积层,再加上全连接层共有53 层.在经过DarkNet-53 特征提取后,为了提高不同大小物体的检测精度,YOLOv3在3个不同尺度上经行检测,每个尺度有3个界限值(bounding box),最后由与真实框的交并比(IOU)最大的界限值预测目标.YOLOv3 结构如图2所示.图中Resn表示一个残差块,其中含有n个残差单元;DBL是YOLOv3的基本组件,表示卷积(conv)+批归一化(BN)+激活函数leaky ReLU.

图1 YOLOv3 算法思想

1.2 YOLOv3 增强模型

为了在保持推理速度的同时最大限度的提升检测精度,YOLOv3 增强模型在原网络的基础下做了如下改进:

(1)骨干网络采用ResNet50-vd 替换原有的DarkNet-53.ResNet-vd是ResNet 系列的改进网络,ResNetvd的参数量和计算量与ResNet 几乎一致,但是精度提升了2%.虽然DarkNet-53 也使用了残差网络如图3,但是同ResNet50-vd 相比,ResNet50-vd在速度和精度上都有一定的优势,而且选用ResNet[14]系列网络更加容易扩展.可以根据不同的业务需求,灵活选择ResNet18、50、101 等不同的网络作为目标检测的骨干网络.

图2 YOLOv3 网络结构图

图3 残差结构

(2)引入可变形卷积(Deformable Convolution,DCN)[15],替代原始卷积操作.可变形卷积已经在各个邻域的视觉任务中广泛验证过其效果.在考虑到保持速度与提升精度平衡的前提条件下,YOLOv3 增强模型使用可变形卷积替换了主干网络中第5 阶段部分的3×3 卷积.

(3)由于YOLOv3 作为单阶段目标检测模型,在定位精度上相比Faster RCNN、Cascade RCNN 等两阶段目标检测模型有着其天然的劣势,所以YOLOv3 增强模型增加了IoU 损失[16]分支,可以一定程度上提高边界框的定位精度,缩小单阶段目标检测网络和两阶段检测网络精度的差距.

传统的L2 损失将检测目标的位置坐标信息当作互相独立的4个变量来进行训练.而IoU 损失直接使用预测的边界框与基本真实值之间的最大重叠,并将所有绑定变量作为一个整体进行回归,将位置坐标信息当作一个整体进行训练.所以使用IoU 损失能够获得更加精准的训练效果和检测结果.L2 损失和IoU 损失说明如图4所示.

图4 L2 损失和IoU 损失

1.3 改进的YOLOv3 模型与原模型对比

使用在Object365 数据集上训练的模型作为预训练模型,在COCO 数据集上进行训练和验证,用TensorRT 进行部署推理.不同改进变量的模型验证精度和推理速度如表1.

表1 不同改进变量的模型验证精度

2 实验过程与模型融合分析

实验环境为NVIDIA Tesla V100 16 GB 显存GPU,用Tensorflow 搭建的YOLO 目标检测模型进行训练.

2.1 数据集

为了验证所提出方法的精度和鲁棒性.实验所用的训练和测试数据集来自公开数据集ShanghaiTech.ShanghaiTech 数据集是一个大规模的人群统计数据集,其包含1198 幅图像.为了提高精度,还添加了公开数据集UCF-CC-50的部分数据.实验原始数据集共包含2000 张训练图片数据和1000 张测试图片数据.将2000 张训练数据用LabelImg 数据标注工具分别进行人流头部标注和人流身体标注,从而构建了两个训练数据集:头部集和身体集.

为了防止由于训练数据不足而导致模型训练过程发生过拟合,在数据处理阶段采用了随机反转、移动、改变饱和度、改变亮度、添加噪声等图像增强技术.图像增强效果图如图5所示.

图5 图像增强效果图

2.2 模型训练

原始的数据集分别经过头部标注和身体标注生成两个训练数据集:头部集和身体集.使用这两个数据集分别训练两个YOLOv3 增强模型:YOLO-head和YOLO-body.其中,为了提高模型的精度和提升训练速度,YOLO-head和YOLO-body 模型都选用了在旷世公开数据集Object365 上训练好的YOLOv3 增强模型预训练参数.模型具体训练参数如表2.

表2 训练参数

2.3 评估指标

采用平均错误率(AER)来对所提出的方法的人流密度估计精度进行评估.平均错误率如下:

对任意一张测试图像Ii,设总人数真值为Gi,预测值为Pi.则这张图片的评估错误率为:

所有测试数据平均错误率为:

平均错误率越低,模型预测效果越好.

2.4 模型融合

用头部集和身体集分别训练的两个YOLOv3 增强模型YOLO-head 模型和YOLO-body 模型.在使用相同的测试数据集测试时发现在人流密集人体互相遮挡的情况下,YOLO-body 模型会漏选而YOLO-head 模型表现更好,实验结果如图6所示.图6(a)为YOLOhead 模型检测结果,图6(b)为YOLO-body 模型检测结果.

在背景复杂以及行人头部为不完全裸露的情况下,YOLO-head 模型会漏选而YOLO-body 模型表现更好,实验结果如图7所示.图7(a)为YOLO-head 模型检测结果,图7(b)为YOLO-body 模型检测结果.

对于以上问题,采用YOLO-head与YOLO-body检测结果进行极大值融合的方法如图8所示,即将两个模型对人流密度的估计结果取最大值输出,从而能够改善由于背景复杂以及行人相互遮挡等场景下单模型漏测的情况.因此,能够有效地提高模型对人流密度估计的精度和鲁棒性.

图6 人流密集人体互相遮挡的情况下检测结果

图7 背景复杂以及行人头部为不完全裸露的情况下检测结果

2.5 实验结果

在实验时,将模型融合的方法与原始的单模型检测方法和高斯密度图回归方法进行了比较,结果如表3,表明所提出的模型融合的方法具有较高的精度和鲁棒性.

图8 极大值融合

表3 不同算法的错误率

3 结束语

提出了一种YOLOv3 增强模型融合的方法用于人流密度估计,通过使用YOLOv3 增强模型来提高检测精度同时保证检测速度.通过使用不同标注的数据集训练YOLO-head和YOLO-body 模型进行融合的方法来提高精度和鲁棒性.实验表明所提出的方法有较高的精度和较好的鲁棒性.