趙浩如 張 永 劉國柱

(青島科技大學(xué)信息科學(xué)技術(shù)學(xué)院 山東 青島 266000)

0 引 言

作為計算機(jī)視覺的重要研究方向，圖像分類[1]問題一直備受學(xué)者關(guān)注。圖像分類又包括對象級分類，如對貓和狗進(jìn)行分類。還包括細(xì)粒度分類[2]，如對狗的不同品種進(jìn)行分類。由于細(xì)微的類內(nèi)差異，往往只能借助微小的局部差異才能分出不同的子類別，使得細(xì)粒度分類十分具有挑戰(zhàn)性。細(xì)粒度分類的方法主要包括兩種：一種是基于強(qiáng)監(jiān)督的分類模型，如Part-based R-CNN[3]不僅需要物體級標(biāo)注，還需要局部區(qū)域的標(biāo)注，這大大限制了在實(shí)際場景的應(yīng)用；另一種是基于弱監(jiān)督的分類模型，如B-CNN[4]僅僅需要圖像級別的標(biāo)注，不需要局部信息的標(biāo)注。因此，基于弱監(jiān)督的分類模型在識別精度上要比基于強(qiáng)監(jiān)督的分類模型差一些。Huang等[5]提出了Part-Stacked CNN進(jìn)行細(xì)粒度分類。這個網(wǎng)絡(luò)需要提供對象及部位級標(biāo)簽，它分為定位網(wǎng)絡(luò)和分類網(wǎng)絡(luò)兩個子網(wǎng)絡(luò)，采用經(jīng)典的AlexNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)作為整個網(wǎng)絡(luò)的基本結(jié)構(gòu)。Shen等[6]提出一種迭代的傳遞策略來優(yōu)化目標(biāo)框，借助對象及部分級標(biāo)注框進(jìn)行細(xì)粒度分類。Yao等[7]提出了多級的由粗到細(xì)的目標(biāo)描述方法進(jìn)行細(xì)粒度分類，不需借助標(biāo)注框，但識別率不如最前沿的算法。Liu等[8]提出了基于全連接的注意力機(jī)制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行細(xì)粒度分類，未考慮各層特征間的聯(lián)系。Murabito等[9]提出顯著性特征分類網(wǎng)絡(luò)(SalClassNet)。它包括兩個子網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)A計算輸入圖片的顯著性特征，網(wǎng)絡(luò)B計算網(wǎng)絡(luò)A輸出的顯著性特征進(jìn)行細(xì)粒度分類，計算顯著性特征首先要計算圖像像素對應(yīng)正確分類標(biāo)準(zhǔn)化分?jǐn)?shù)梯度的絕對值，然后取三個顏色通道的最大值，因此，計算成本太高。綜上，為避免人工標(biāo)注部位級標(biāo)簽花費(fèi)的巨大時間，以及減少計算成本。本文提出利用soft-nms和OHEM優(yōu)化RPN算法得到更精確的對象級標(biāo)注，以防止背景的干擾，同時改進(jìn)B-CNN網(wǎng)絡(luò)，加強(qiáng)不同層特征間的空間聯(lián)系，提高識別精度。

1 算法描述

為利用細(xì)微的類內(nèi)差異，本文采用OHEM[10]篩選出對識別結(jié)果影響大的數(shù)據(jù)，可以有效防止無關(guān)信息的干擾。然后，利用soft-nms[11]優(yōu)化RPN[12]網(wǎng)絡(luò)，選擇出置信度更高的目標(biāo)所在區(qū)域。最后，改進(jìn)B-CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行細(xì)粒度分類，具體的算法流程如圖1所示。

圖1 算法流程圖

1.1 獲取目標(biāo)區(qū)域

RPN網(wǎng)絡(luò)的作用是輸入一張圖像，輸出置信度排名前N個目標(biāo)可能在的區(qū)域。本文利用OHEM篩選出對最終識別結(jié)果影響大的樣本，并用篩選后樣本進(jìn)行隨機(jī)梯度下降。去除了對識別結(jié)果影響小的樣本后，有效防止過擬合，具體算法流程如圖2所示。

圖2 獲取目標(biāo)區(qū)域算法描述圖

圖2中，OHEM有兩個不同的ROI網(wǎng)絡(luò)。左邊的ROI網(wǎng)絡(luò)只負(fù)責(zé)前向傳播計算誤差，右邊的ROI網(wǎng)絡(luò)從左邊的ROI網(wǎng)絡(luò)中通過對誤差排序，選出誤差大的樣本作為右邊ROI網(wǎng)絡(luò)的輸入。RPN網(wǎng)絡(luò)輸出的矩形目標(biāo)框Di，其得分fi的計算如下：

(1)

式中：Si是重疊框的交集的面積；S是重疊框的并集的面積。

NMS(Non-maximum suppression)是RPN中重要的組成部分。RPN輸出一系列的檢測框Di以及對應(yīng)的分?jǐn)?shù)fi。NMS設(shè)置常數(shù)閾值τ，當(dāng)檢測框的得分大于閾值τ，將其放入最終的檢測結(jié)果集合D。同時，集合D中任何與檢測框M的重疊部分大于重疊閾值τ的檢測框，被強(qiáng)制歸零并移除。非最大抑制算法中的最大問題就是將相鄰檢測框的分?jǐn)?shù)均強(qiáng)制歸零后，如果真實(shí)的物體在重疊區(qū)域出現(xiàn)，則將導(dǎo)致對該物體的檢測失敗并降低了算法的平均檢測率。soft-nms不將大于閾值τ的相鄰目標(biāo)框得分重置為0，而是乘以一個衰減函數(shù)。選取所有的目標(biāo)框中得分最高的N個，這樣可以有效減少假陰性的概率，提高平均識別率。具體計算如下：

(2)

1.2 基于深度學(xué)習(xí)進(jìn)行細(xì)粒度分類

Bilinear CNN模型包括Stream A和Stream B，Stream A和Stream B的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)都是采用的VGGNet。Stream A的作用是對物體的局部信息進(jìn)行定位，而Stream B則是對Stream A檢測到的局部信息進(jìn)行特征提取。兩個網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)調(diào)作用，完成了細(xì)粒度圖像分類過程中兩個最重要的任務(wù)：物體、局部區(qū)域的檢測與特征提取。本文在B-CNN基礎(chǔ)上增加了兩個外積操作，外積計算如下：

B=fTA·fB

(3)

雙線性特征B2、B3分別是conv4_3的特征與conv5_3的特征，conv5_1的特征與conv5_3的特征進(jìn)行點(diǎn)乘得到的。然后將雙線性特征B2、B3與原有的conv5_3層特征與conv5_3層特征點(diǎn)乘得到的雙線性特征B1拼接起來，以加強(qiáng)不同層特征間的空間聯(lián)系。最后，將拼接后的特征B送進(jìn)全連接層，進(jìn)行softmax分類。具體算法流程如圖3所示。

圖3 改進(jìn)的B-CNN算法流程圖

(4)

(5)

2 實(shí)驗(yàn)仿真

2.1 實(shí)驗(yàn)背景

為驗(yàn)證本算法的有效性，與文獻(xiàn)[5-9]中的算法的結(jié)果進(jìn)行對比。文獻(xiàn)[5-9]分別采用CUB200-2011數(shù)據(jù)集[14]與Standford Dogs數(shù)據(jù)集[15]。因此本文也在兩組數(shù)據(jù)集上進(jìn)行兩組實(shí)驗(yàn)，來證明本算法的識別精度比文獻(xiàn)[5-9]中的結(jié)果高。第一組實(shí)驗(yàn)是在CUB200-2011數(shù)據(jù)集進(jìn)行的測試和驗(yàn)證。該數(shù)據(jù)集是最常用和經(jīng)典的細(xì)粒度分類數(shù)據(jù)集，包括200中不同類別，共11 788張不同鳥類圖片，不僅提供了對象級標(biāo)注框而且還提供了局部級標(biāo)注框。第二組實(shí)驗(yàn)是在Standford Dogs數(shù)據(jù)集[15]進(jìn)行測試和驗(yàn)證。該數(shù)據(jù)集包括120類狗的圖像數(shù)據(jù)，共有20 580張圖片，只提供對象級標(biāo)注框。基于RPN與B-CNN的細(xì)粒度分類過程中所用到的主要參數(shù)如表1所示。

表1 B-CNN主要參數(shù)表

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本文利用OHEM與soft-nms優(yōu)化RPN，獲取對象級標(biāo)注，然后輸入到改進(jìn)的B-CNN。在RPN階段，訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集的比例是7∶2∶1。采取的Anchor的尺度是(128,256,512)，比例為(0.5,1,2)，共九種。將一張圖片輸入到RPN就會產(chǎn)生大量的Anchor，對這些Anchor進(jìn)行soft-nms，最終輸出得分最高的目標(biāo)框。在目標(biāo)框提供的位置上剪貼圖片，剪貼后的圖片只含有目標(biāo)對象，沒有背景的干擾。B-CNN階段中訓(xùn)練集，驗(yàn)證集與測試集的比例是7∶1.5∶1.5。在ImageNet中1 000類分類訓(xùn)練好的參數(shù)的基礎(chǔ)上，在CUB200-2011數(shù)據(jù)集進(jìn)行微調(diào)。將圖片輸入到B-CNN后，Stream A的作用是對圖像中對象的特征部位進(jìn)行定位，而Stream B則是用來對Stream A檢測到的特征區(qū)域進(jìn)行特征提取。兩個網(wǎng)絡(luò)相互協(xié)調(diào)作用，完成了細(xì)粒度圖像分類過程中兩個最關(guān)鍵的任務(wù)。

本文采用softmax函數(shù)做分類函數(shù)輸出一個概率值，計算公式如下：

(6)

式中：Si是第i個類別的概率值；ei是第i個類別的得分。

與文獻(xiàn)[5-6]借助對象級及部位級標(biāo)注框進(jìn)行細(xì)粒度分類對比，本文僅僅采用了對象級標(biāo)注框。與文獻(xiàn)[7]利用迭代的方法獲取對象級與部位級標(biāo)注框?qū)Ρ龋疚睦肦PN提取目標(biāo)區(qū)域，并將深度學(xué)習(xí)框架的注意力[16]全放在目標(biāo)區(qū)域，防止無關(guān)信息的干擾，提高識別速度與精度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。實(shí)驗(yàn)表明，本文的算法識別率為85.5%，比文獻(xiàn)[5-7]中的方法分別高了8.90%、1.5%、3.0%。證明本文提出的基于RPN與B-CNN的細(xì)粒度分類算法，將識別的重心放在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)。利用B-CNN優(yōu)化目標(biāo)區(qū)域的同時，在目標(biāo)區(qū)域內(nèi)提取特征，不僅不需要提供額外的部位級標(biāo)注框，并且準(zhǔn)確率有較大提高。

表2 不同方法在CUB200-2011數(shù)據(jù)集的識別率

Standford Dogs數(shù)據(jù)集是從ImageNet數(shù)據(jù)集中提取狗的類別組成的。本文在第一組實(shí)驗(yàn)獲取的參數(shù)基礎(chǔ)上進(jìn)行微調(diào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。與文獻(xiàn)[8]基于對象級與部位級標(biāo)注框與注意力機(jī)制相比，雖然兩者都將識別重心放在目標(biāo)區(qū)域，但本文在僅僅使用對象級標(biāo)注框的前提下，利用外積將B-CNN的Strean A與Stream B統(tǒng)一成一個端到端的訓(xùn)練模型。與文獻(xiàn)[9]使用SalClassNet網(wǎng)絡(luò)提取顯著性特征，并對顯著性特征進(jìn)行細(xì)粒度分類相比，本文使用對象級標(biāo)注框在ROI區(qū)域上進(jìn)行特征提取。因此，識別率分別比文獻(xiàn)[8]和文獻(xiàn)[9]的方法高了1.2%和3.9%。這表明同時對標(biāo)注框與類別進(jìn)行端到端的訓(xùn)練能有效提高識別率。

表3 不同方法在Standford Dogs數(shù)據(jù)集的識別率

此外，對本文提出的算法，增加了5組對比實(shí)驗(yàn)分別為：方案一，不使用OHEM優(yōu)化RPN，不改變B-CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；方案二，不使用soft-nms優(yōu)化RPN，不改變B-CNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)；方案三，在使用OHEM及soft-nms的前提下，不增加B-CNN 的外積操作；方案四，僅增加B-CNN的外積操作；方案五，使用OHEM及soft-nms，同時增加B-CNN的外積操作。實(shí)驗(yàn)對比結(jié)果如表4所示。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，方案五的識別率為90.10%，比方案一、方案二、方案三、方案四分別高了2.9%、2.3%、1.6%、1.1%。方案一僅使用OHEM，僅有效地防止了過擬合；方案二僅使用soft-nms，使輸出的對象級標(biāo)注更加準(zhǔn)確，并減少了假陰性概率；方案三則結(jié)合了方案一與方案二，識別率有所提升；方案四僅增加B-CNN的外積操作，加強(qiáng)了不同層之間的空間聯(lián)系。這表明使用OHEM與soft-nms改進(jìn)RPN，能讓獲得的對象級標(biāo)注更加精確，既可以避免背景的干擾，減少假陰性，又能有效防止過擬合。而增加B-CNN的外積操作，增加了不同層特征間的空間聯(lián)系。這是因?yàn)椴煌瑢雨P(guān)注的特征不同并且感受野大小也不同，這可以有效地提高識別率。

表4 對比實(shí)驗(yàn)結(jié)果圖

3 結(jié) 語

本文針對細(xì)粒度分類子類別間細(xì)微的類間差異、較大的類內(nèi)差異、依賴大量人工標(biāo)注信息等問題，提出了基于RPN與B-CNN的細(xì)粒度分類算法。本文的主要貢獻(xiàn)如下：(1) 利用RPN網(wǎng)絡(luò)自動輸出對象級標(biāo)注，不需要部位級標(biāo)注，避免標(biāo)注對象部位花費(fèi)的精力。(2) 使用soft-nms和OHEM算法改進(jìn)RPN，輸出更加精確的區(qū)域提議，可以有效防止過擬合并減少假陰性概率。(3) 改進(jìn)B-CNN網(wǎng)絡(luò)，增加不同層間的外積操作，以融合不同層的特征，并將雙線性特征級聯(lián)在一起加強(qiáng)空間的聯(lián)系。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，基于RPN與B-CNN的細(xì)粒度分類算法能顯著提高識別率。但由于增加了RPN網(wǎng)絡(luò)以及OHEM與soft-nms操作，程序的運(yùn)行時間相比其他算法有所增加。并且，未將RPN網(wǎng)絡(luò)與B-CNN網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合起來，也是本文的不足。接下來，我們的工作重心將放在使RPN與B-CNN網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合成一個端到端的模型，并提取同類物體不同子類的差異特征，作為深度網(wǎng)絡(luò)的輸入來提高準(zhǔn)確率。