蔣镕圻 謝郭蓉

武警工程大學(xué) 研究生大隊(duì) 陜西 西安 710086

引言

近年來在無人機(jī)技術(shù)不斷成熟無人機(jī)趨于小型化、智能化的背景之下，民用無人機(jī)市場成為整個(gè)無人機(jī)市場的主要成分。隨著我國對低空空域的逐步開放，民用消費(fèi)級無人機(jī)使用數(shù)量逐年成指數(shù)增長，由此引發(fā)的無人機(jī)竊取隱私、擾亂航空秩序等事故也是逐年攀升，給公共設(shè)施和軍事等領(lǐng)域構(gòu)成了巨大威脅。

自目標(biāo)檢測這一概念提出以來，國內(nèi)外學(xué)者針對這個(gè)問題做出了不懈的努力[1]，有包括經(jīng)典的運(yùn)動目標(biāo)檢測算法[2]和傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測[3]，到現(xiàn)在流行的基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測算法相繼被提出[4-5]。近年來，基于視頻的入侵無人機(jī)目標(biāo)檢測已經(jīng)有了初步的研究與應(yīng)用，特別是在目標(biāo)檢測算法上的不斷創(chuàng)新，使得檢測無人機(jī)這種弱小目標(biāo)成為可能。

1 基于傳統(tǒng)方法的檢測

基于傳統(tǒng)方法的檢測通常包括經(jīng)典的運(yùn)動目標(biāo)檢測和傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測的方法。

經(jīng)典的運(yùn)動目標(biāo)檢測是尋找運(yùn)動目標(biāo)和靜態(tài)背景之間的差異進(jìn)行檢測，主要包括光流法、幀間差分法和背景減除法。由于光流法[6]受光照變化等環(huán)境因素影響非常嚴(yán)重且復(fù)雜度較高難以滿足實(shí)時(shí)性，所以幀間差分法、背景減除法以及兩者的結(jié)合算法成為檢測無人機(jī)的常用方法[7]，例如Li等人通過使用三幀差分法改善兩幀差分法存在的“空洞”等問題。運(yùn)動目標(biāo)檢測算法能檢測出運(yùn)動的物體卻無法區(qū)分識別目標(biāo)，同時(shí)幀間差分法與背景減除法都要求背景保持一致，特殊天氣下會出現(xiàn)極大的虛警，使得此類方法的使用受限。但由于此類方法能較快檢測出運(yùn)動目標(biāo)，所以多與傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測法結(jié)合使用。

傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測方法多基于滑動窗口搜索整張圖像提取候選區(qū)域，再提取區(qū)域的特征并輸入到分類器進(jìn)行分類。此方法通過人為提取相關(guān)特征[3]并訓(xùn)練出合適的分類器即可分類[8]，例如Eren U等人基于無人機(jī)的SURF特征提高檢測效果，又通過提取無人機(jī)的傅里葉描述子特征實(shí)現(xiàn)無人機(jī)與鳥類區(qū)分。但此類方法需要人為提取相關(guān)的特征，在面對環(huán)境多樣性的條件下魯棒性較差；同時(shí)以滑窗搜索整張圖片再進(jìn)行處理的步驟會帶來巨大的運(yùn)算量，無法達(dá)到實(shí)時(shí)檢測的效果。

2 基于深度學(xué)習(xí)的檢測

基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測主要分為兩階段法和端到端的單階段法。

兩階段法遵循“候選區(qū)域+分類”的思路，在R-CNN網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上不斷發(fā)展并應(yīng)用于無人機(jī)的檢測[4]，例如翟等人引入殘差網(wǎng)絡(luò)抑制深層次的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)的難以收斂的問題。以YOLO模型為代表的基于端到端的單階段檢測由于其快速檢測的特性滿足無人機(jī)目標(biāo)實(shí)時(shí)檢測的要求被眾多研究者引用[5]。也有研究人員針對兩者目標(biāo)檢測的效果做出了對比，通過實(shí)驗(yàn)證明基于候選區(qū)域的方法在檢測準(zhǔn)確率和定位精度上占優(yōu)勢，但檢測時(shí)間較長，而基于端到端一階段檢測方法雖檢測速度上較有優(yōu)勢，檢測精度卻比不上前者。就目前深度神經(jīng)網(wǎng)路趨向輕量化、實(shí)時(shí)化的趨勢來看，更多的研究人員更加側(cè)重于研究在一階段檢測算法的基礎(chǔ)上提升對無人機(jī)目標(biāo)的檢測性能。

但基于深度學(xué)習(xí)的檢測算法需要大量的數(shù)據(jù)集做支撐，目前缺乏相關(guān)的公共數(shù)據(jù)集是研究入侵無人機(jī)目標(biāo)檢測的基礎(chǔ)問題，大部分學(xué)者都是通過自己建立小樣本實(shí)現(xiàn)對深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，都是對簡單背景下的單一無人機(jī)進(jìn)行檢測，并不能滿足實(shí)際的情況要求。

3 結(jié)束語

雖然目前研究人員提出了多種無人機(jī)的檢測方式，但上述檢測多處于簡單背景下的研究，并沒有實(shí)現(xiàn)在光線不充足、有飛鳥干擾、城市高樓等干擾物龐雜的復(fù)雜環(huán)境下的檢測；同時(shí)無人機(jī)數(shù)據(jù)集的不足是基于深度學(xué)習(xí)檢測方法的硬限制，而傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測雖然在小的數(shù)據(jù)集中性能良好，但其巨大的計(jì)算量嚴(yán)重影響了實(shí)時(shí)性要求。目前擴(kuò)大無人機(jī)數(shù)據(jù)集，研究適合檢測無人機(jī)這類小目標(biāo)的輕量化深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是目前對入侵無人機(jī)目標(biāo)檢測算法研究的主要趨勢。