王 斌，李 靖，趙 康，周 溫

1.中北大學(xué) 大數(shù)據(jù)學(xué)院，太原 030051

2.山西新思備科技股份有限公司，山西 晉中 030600

火災(zāi)一直在危害人類生命及財(cái)產(chǎn)安全?；趥鞲衅鞯膫鹘y(tǒng)火焰探測(cè)技術(shù)，例如感溫、感煙和感光傳感器等都需要通過敏感原件檢測(cè)火焰燃燒過程中溫度、煙霧顆粒和光照強(qiáng)度等物理參量。然而無論是哪種參量都需要一定時(shí)間積累，所以傳統(tǒng)傳感器火焰檢測(cè)在火藥制品等快速爆發(fā)、蔓延極快的應(yīng)用環(huán)境受到較大挑戰(zhàn)?；谝曈X的火焰檢測(cè)受距離限制較小、覆蓋范圍廣、響應(yīng)速度快，因此對(duì)視覺火焰極速探測(cè)的研究迫切且意義深遠(yuǎn)[1-2]。

傳統(tǒng)基于計(jì)算機(jī)視覺的火焰檢測(cè)技術(shù)依賴于手工特征，例如對(duì)火焰顏色[3-4]、紋理[5]等特征進(jìn)行提取。Wang 等[6]提出一種RGB-HIS 顏色模型，用于室內(nèi)環(huán)境提取圖像的火焰區(qū)域。另外，火焰在時(shí)間上的質(zhì)心運(yùn)動(dòng)也可以作為加強(qiáng)判斷依據(jù)。Xie等[7]提出一種視頻火焰探測(cè)方法，融合了火焰隨時(shí)間變化的閃爍特征與單張圖像深層靜態(tài)特征。Huang 等[8]對(duì)分幀圖像序列進(jìn)行去噪、濾波，提取可疑火焰區(qū)域的靜態(tài)特征和動(dòng)態(tài)特征，隨后基于改進(jìn)支持向量機(jī)利用融合特征進(jìn)行分類。然而現(xiàn)實(shí)中火災(zāi)類型和場(chǎng)景復(fù)雜，不確定因素眾多，依賴于人工算法提取特征泛化性不強(qiáng)。

近年來，基于深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)大的非線性表示能力及自動(dòng)特征提取性質(zhì)，深度學(xué)習(xí)在多個(gè)行業(yè)、領(lǐng)域的應(yīng)用取得突破性進(jìn)展[9-11]?；谏疃葘W(xué)習(xí)的火焰檢測(cè)可分為基于圖像分類網(wǎng)絡(luò)的識(shí)別方法和基于目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)的定位方法。在分類任務(wù)中只需辨別場(chǎng)景中是否有火焰存在，故火焰檢測(cè)常被判別為二分類問題。多位研究者用MobileNet[12]、DenseNet[13]、Inception[14]、VGG16和Resnet50[15]等作為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)來訓(xùn)練火焰數(shù)據(jù)集。這些方法在速度和準(zhǔn)確率方面都達(dá)到了一個(gè)較好水平，但其無法定位火焰的確切位置，通過目標(biāo)檢測(cè)方法可以很好地解決這一問題。

目前，目標(biāo)檢測(cè)方法可大致被分為兩階段和單階段目標(biāo)檢測(cè)方法。其中兩階段目標(biāo)檢測(cè)代表性方法是Faster-RCNN，盡管其在火焰檢測(cè)準(zhǔn)確率上取得不錯(cuò)效果，但是時(shí)間消耗較大[16]。Li 等[17]對(duì)Faster-RCNN、RFCN、SSD和YOLOv3上進(jìn)行火焰檢測(cè)性能對(duì)比，并得出結(jié)論YOLOv3是當(dāng)時(shí)火焰檢測(cè)性能最佳選擇。Sun等[18]提出雙網(wǎng)絡(luò)來解決燈光等類火目標(biāo)對(duì)火焰檢測(cè)的干擾，待檢測(cè)圖像先經(jīng)過YOLOv3中對(duì)類火目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，將類火目標(biāo)掩膜后送入Inceptionv4網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分類預(yù)測(cè)。Muhammad等[19]提出一種特征圖選擇算法，可以從訓(xùn)練過程中智能地選擇對(duì)火敏感的特征圖。為了進(jìn)一步提升檢測(cè)速度，更加輕量化YOLO系列目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)[20]受到研究者們的青睞。Shen 等[21]提出一種輕量化網(wǎng)絡(luò)模型LFnet用來進(jìn)行煙火檢測(cè)，該模型不僅對(duì)多尺度特征進(jìn)行融合，還加入通道注意力機(jī)制以增強(qiáng)模型抗干擾能力。

為了提高火焰檢測(cè)及定位精度，目前現(xiàn)有基于深度學(xué)習(xí)的火焰檢測(cè)算法通常依賴于大型卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，這往往導(dǎo)致參數(shù)量過多及檢測(cè)時(shí)間慢等問題[22-24]，難以滿足火焰極速檢測(cè)實(shí)時(shí)性需求。另外，火焰檢測(cè)過程往往會(huì)遇到光照（陽光、燈光直射及反射等）、太陽、晚霞等類火目標(biāo)造成的干擾。

針對(duì)這些問題，本文提出一種輕量級(jí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的魯棒火焰檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)。首先，通過Mosaic 數(shù)據(jù)增強(qiáng)方式建立火焰極速檢測(cè)多樣化場(chǎng)景數(shù)據(jù)集，其中包括了常見干擾因素，如多種條件下反射光、太陽、路燈等場(chǎng)景；然后，為進(jìn)一步輕量化YOLOv4-tiny 目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，本文選用深度可分離卷積替換YOLOv4-tiny 主干網(wǎng)絡(luò)的普通卷積，大大降低模型參數(shù)量；其次，融合了特征提取網(wǎng)絡(luò)多尺度特征形成四檢測(cè)頭網(wǎng)絡(luò)，適應(yīng)多種尺度火焰目標(biāo)檢測(cè)可有效避免火苗蔓延造成的誤檢、漏檢；最后，在特征融合網(wǎng)絡(luò)FPN中引入ECA通道注意力機(jī)制有效提升火焰檢測(cè)精度。

1 YOLOv4-tiny檢測(cè)模型簡(jiǎn)介

YOLOv4-tiny是近年來輕量化目標(biāo)檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)典型代表，其參數(shù)量大約只有600 萬，相當(dāng)于YOLOv4 的1/10。YOLOv4-tiny主干特征提取網(wǎng)絡(luò)采用CSPDarknet53-tiny，它包含15個(gè)卷積層。為緩解網(wǎng)絡(luò)模型退化問題，YOLOv4-tiny加入了3個(gè)殘差單元[25]，激活函數(shù)采用LeakyReLU。為了得到更多語義信息，YOLOv4-tiny使用特征金字塔網(wǎng)絡(luò)FPN提取并融合不同尺度特征。另外，YOLOv4-tiny輸出兩個(gè)檢測(cè)頭可分別用于預(yù)測(cè)不同尺度下目標(biāo)。

2 改進(jìn)檢測(cè)模型YOLOv4-tiny-L3/4

YOLOv4-tiny 在檢測(cè)精度和反應(yīng)速度上均取得了不錯(cuò)效果，本文將結(jié)合火焰極速檢測(cè)中存在問題提出魯棒性輕量化檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 YOLOv4-tiny-L3/L4網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 YOLOv4-tiny-L3/L4 network structure diagram

首先為進(jìn)一步減少模型參數(shù)及計(jì)算量，提出的模型通過深度可分離卷積（ConvDW）代替普通卷積進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)模型輕量化。

然后通過ConDW+BN+LeakyRelu模塊實(shí)現(xiàn)特征提取，其中BN 層可加速網(wǎng)絡(luò)收斂，有效控制梯度爆炸和梯度消失。同時(shí)改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中包含3個(gè)殘差模塊，每個(gè)殘差模塊由ConDW+BN+LeakyRelu 模塊和1 個(gè)MaxPooling塊構(gòu)成。

YOLOv4-tiny 在合并有效特征層時(shí)使用了特征金字塔（FPN）網(wǎng)絡(luò)，然而其結(jié)構(gòu)過于簡(jiǎn)單；而且不同尺度特征融合策略也比較單一，僅有一次上采樣后特征層堆疊。為擴(kuò)大YOLOv4-tiny 的網(wǎng)絡(luò)感受野并實(shí)現(xiàn)特征增強(qiáng)，本文融合4個(gè)特征層信息并且在多尺度融合過程中插入ECA通道注意力模塊實(shí)現(xiàn)精度提升。

考慮到火焰尺度往往會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化，尤其是某些火焰極易爆發(fā)的場(chǎng)景（如黑火藥火焰），本文提取4個(gè)檢測(cè)頭用于實(shí)現(xiàn)不同尺度下火焰檢測(cè)任務(wù)。

2.1 深度可分離卷積

深度可分離卷積是將一個(gè)完整普通卷積分解為逐通道卷積（depthwise convolution）和逐點(diǎn)卷積（pointwise convolution）兩部分用于完成特征提取，極大降低了參數(shù)量和運(yùn)算成本[26]，如圖2所示。

圖2 普通卷積和深度可分離卷積的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Network structure diagram of ordinary convolution and deep separable convolution

DW 卷積首先將多通道特征圖拆分為單通道特征圖，并分別對(duì)其進(jìn)行單通道卷積操作，然后重新堆疊到一起。DW 卷積完成后特征圖數(shù)量與輸入層通道數(shù)相同，只是對(duì)特征圖尺寸方面可能有所調(diào)整。DW卷積中輸入層各通道獨(dú)立進(jìn)行卷積運(yùn)算，沒有有效利用不同通道在相同空間位置上的特征信息。PW卷積的主要任務(wù)便是融合通道信息并實(shí)現(xiàn)特征圖擴(kuò)展。PW卷積與常規(guī)卷積運(yùn)算非常相似，只是它采取的卷積核均為1×1 大小，濾波器包含了與上一層通道數(shù)一樣數(shù)量的卷積核。一個(gè)濾波器輸出一張?zhí)卣鲌D，因此多個(gè)通道，則需要多個(gè)濾波器。

2.2 注意力機(jī)制

為加強(qiáng)特征提取質(zhì)量，YOLOv4-tiny-L3/L4 網(wǎng)絡(luò)引入ECA 通道注意力模塊[27]。它針對(duì)SE（squeeze-andexcitation）模塊做出改進(jìn)[28]，提出了一種不降維局部跨信道交互策略和自適應(yīng)選擇一維卷積核大小的方法，并且一維卷積核大小可以通過學(xué)習(xí)得到，以極少參數(shù)量顯著提升特征提取質(zhì)量。其模塊圖如圖3所示。

圖3 中X為輸入特征圖，X~ 為加權(quán)之后輸出特征圖。H、W、C為特征圖高，寬和通道維數(shù)。GAP（global average pooling）為全局平均池化操作，K為一維卷積核大小，為避免手動(dòng)調(diào)優(yōu)的不確定性，K采用公式（1）自適應(yīng)調(diào)整。σ為sigmoid激活函數(shù)。

圖3 ECA通道注意力模塊Fig.3 ECA channel attention module

其中|x|odd為最接近x的奇數(shù)。

2.3 多尺度檢測(cè)頭

另外，火焰爆發(fā)前期均為火苗、火星等小目標(biāo)，然后逐步發(fā)展為大面積火焰，這要求檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)對(duì)不同尺度火焰目標(biāo)有較強(qiáng)敏感度。由于卷積過程中淺層特征包含更多位置信息，為增強(qiáng)原YOLOv4-tiny（輸入為416×416×3）對(duì)于小目標(biāo)敏感程度，在原有兩層特征金字塔（13×13、26×26）基礎(chǔ)上又增加兩層淺層特征（52×52、104×104）用于檢測(cè)頭預(yù)測(cè)。多尺度特征融合及檢測(cè)頭預(yù)測(cè)一方面可提升目標(biāo)檢測(cè)精度；另一方面能有效降低不同尺度下火焰誤檢、漏檢。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)置與結(jié)果分析

3.1 數(shù)據(jù)集

本文將數(shù)據(jù)集圖像分為訓(xùn)練集、測(cè)試集和驗(yàn)證集，共11 037張。其中8 939張圖像用于作訓(xùn)練集，994張圖像用于作驗(yàn)證集，1 104 張圖像作測(cè)試集。本文數(shù)據(jù)集主要從三方渠道獲取，一部分為網(wǎng)絡(luò)資源獲取，一部分為自行采集的火藥燃燒數(shù)據(jù)集，其余為文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[13]提供的火焰圖片。在制作數(shù)據(jù)集方面首先將自行采集的視頻數(shù)據(jù)集分幀操作，形成視頻幀圖像和火焰圖像混合數(shù)據(jù)集，然后將圖像進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)，包含旋轉(zhuǎn)、翻轉(zhuǎn)、顏色增強(qiáng)、隨機(jī)顏色、對(duì)比度增強(qiáng)、亮度增強(qiáng)和Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)，增強(qiáng)后數(shù)據(jù)集共11 037張圖像。其中Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法是將4張圖像先進(jìn)行簡(jiǎn)單矩陣變換，例如旋轉(zhuǎn)、色域變化、縮放等，然后再進(jìn)行裁剪拼接形成四宮格圖像。通過這種方式極大豐富了檢測(cè)物體背景，并且在batch normalization 計(jì)算時(shí)會(huì)同時(shí)考慮4 張圖片數(shù)據(jù)，提高了訓(xùn)練效率。數(shù)據(jù)增強(qiáng)示例如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)增強(qiáng)示例效果Fig.4 Data enhancement example

為進(jìn)一步驗(yàn)證算法魯棒性，本文利用類火目標(biāo)通過Mosaic 數(shù)據(jù)增強(qiáng)方式制作干擾數(shù)據(jù)集用于訓(xùn)練和測(cè)試模型。其中部分類火目標(biāo)圖片來自于文獻(xiàn)[9]，真實(shí)火焰目標(biāo)圖像則來主要自于本文采集火焰視頻數(shù)據(jù)集分幀后的圖像，由此形成1 000 張干擾圖像。干擾集圖像制作過程如圖5所示。

圖5 基于Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)的魯棒數(shù)據(jù)集Fig.5 Robust data set based on Mosaic data enhancement

3.2 參數(shù)設(shè)置

對(duì)于有錨框（anchor）的目標(biāo)檢測(cè)算法來說，需要預(yù)先設(shè)定錨框大小比例。本文采用基于改進(jìn)YOLOv4-tiny 輕量化目標(biāo)檢測(cè)算法，將圖片分別劃分為13×13、26×26、52×52、104×104 大小的網(wǎng)格。對(duì)于自建數(shù)據(jù)集以及經(jīng)過數(shù)據(jù)標(biāo)注后的真實(shí)目標(biāo)框，本文通過K-means算法對(duì)標(biāo)注后真實(shí)目標(biāo)框進(jìn)行長(zhǎng)寬比聚類計(jì)算[29]，得出12 個(gè)尺寸的先驗(yàn)框大小。實(shí)踐表明經(jīng)過K-means 聚類后得出的先驗(yàn)框更加符合火焰真實(shí)大小，能夠加快模型收斂速度，同時(shí)可有效提升檢測(cè)精度。

在訓(xùn)練過程中，隨機(jī)梯度下降法很可能陷入局部最優(yōu)解，從而使得訓(xùn)練效果不理想。本文采用余弦退火（cosine annealing）算法通過衰減學(xué)習(xí)率可有效解決這一問題。余弦退火算法主要通過熱重啟（warm restart）突然增加學(xué)習(xí)率，以此來跳出局部最優(yōu)解[30]。采用余弦退火算法學(xué)習(xí)率更新方式如下所示：

其中，lrnew表示新學(xué)習(xí)率，etamin為最小學(xué)習(xí)率，lrinitial為初始學(xué)習(xí)率，Tmax表示余弦周期的1/2。

本文訓(xùn)練參數(shù)Tmax=5，etamin=0.000 05，權(quán)重衰減正則項(xiàng)為0.000 5，學(xué)習(xí)率為0.001，迭代次數(shù)epoch=500，選取loss最低權(quán)重作為最后預(yù)測(cè)權(quán)重。

3.3 評(píng)價(jià)指標(biāo)

本文所使用評(píng)價(jià)指標(biāo)包括準(zhǔn)確率（precision，P）、平均準(zhǔn)確率（average precision，AP）、多類別AP 平均值（mean AP，mAP）、召回率（recall，R）、基于準(zhǔn)確率與召回率綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)（F1-score，F(xiàn)1）、模型復(fù)雜度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為參數(shù)量大?。∕Byte，MB）和每秒浮點(diǎn)運(yùn)算次數(shù)（floating-point operations per second，F(xiàn)LOPs）。計(jì)算公式如下：其中，TP代表正確預(yù)測(cè)正樣本數(shù)量，F(xiàn)P表示錯(cuò)誤預(yù)測(cè)正樣本數(shù)量，F(xiàn)N表示錯(cuò)誤預(yù)測(cè)負(fù)樣本的數(shù)量，Spr表示不同置信度下precision-recall 曲線下面積，表示多類別AP平均值。

3.4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)對(duì)比方法包括YOLOv4-tiny、Efficientnet 作為主干網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)檢測(cè)方法EfficientDet[31]、Mobilenet 替換SSD 原先主干網(wǎng)絡(luò)而形成的Mobilenet-SSD，以及本文改進(jìn)YOLOv4-tiny 之后形成三層探測(cè)頭方法YOLOv4-tiny-L3（13×13，26×26，52×52）和四層探測(cè)頭方法YOLOv4-tiny-L4（13×13，26×26，52×52，104×104）。

3.4.1 模型復(fù)雜度對(duì)比實(shí)驗(yàn)

各種方法參數(shù)量和計(jì)算量如表1 所示，改進(jìn)后YOLOv4-tiny 由于在骨干網(wǎng)絡(luò)使用深度可分離卷積代替普通3×3卷積，其參數(shù)量和計(jì)算量大幅降低。雖然計(jì)算量略多于MobileNet-SSD，但是在參數(shù)量方面本文改進(jìn)后方法優(yōu)于其余輕量化目標(biāo)檢測(cè)算法。

表1 各種方法參數(shù)量和計(jì)算量對(duì)比Table 1 Comparison of parameters and calculation amount of each method

3.4.2 消融和對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證提出算法有效性，本文對(duì)輕量化火焰檢測(cè)模型做了消融實(shí)驗(yàn)，并在包含1 104 張圖像測(cè)試集上進(jìn)行性能測(cè)試。各種方法關(guān)于測(cè)試集性能如表2所示，其中YOLOv4-tiny-L3（no-ECA）是在原YOLOv4-tiny基礎(chǔ)上使用深度可分離卷積并且在FPN 網(wǎng)絡(luò)增加了52×52 有效特征層。同理，YOLOv4-tiny-L4（no-ECA）是在YOLOv4-tiny-L3（no-ECA）基礎(chǔ)上在特征融合層FPN增加104×104 特征層。而YOLOv4-tiny-L3（ECA）和YOLOv4-tiny-L4（ECA）是將上述兩種方法分別加入ECA 通道注意力模塊。YOLOv4-tiny（ECA）是直接將原YOLOv4-tiny加入ECA通道注意力模塊。

表2 各方法指標(biāo)性能對(duì)比Table 2 Index performance comparison of each method

通過表2 分析可得，增加有效特征層后，三層有效特征層方法YOLOv4-tiny-L3（no-ECA）在mAP和Precision上有提升，但在F1和Recall上有小幅下降。而加入第四層有效特征層YOLOv4-tiny-L4（no-ECA）后，各項(xiàng)數(shù)據(jù)均有提升。該實(shí)驗(yàn)可說明FPN增加特征層（13×13和104×104）的有效性，多尺度檢測(cè)頭有利于模型實(shí)現(xiàn)不同尺度目標(biāo)檢測(cè)，進(jìn)而促進(jìn)模型準(zhǔn)確率、召回率等性能指標(biāo)提升。

對(duì)于ECA 通道注意力模塊來說，YOLOv4-tiny-L4（no-ECA）增加ECA通道注意力模塊后指標(biāo)上有少量提升，YOLOv4-tiny-L3（no-ECA）則有升有降。此外，表格前兩行對(duì)EfficientDet和Mobilenet-SSD同樣在測(cè)試集做了對(duì)比測(cè)試。通過上述分析可證明ECA通道注意力模塊的有效性。注意力機(jī)制可助模型通過特征權(quán)重重分配實(shí)現(xiàn)有效特征提取，進(jìn)而有效提升模型主要性能指標(biāo)。

不僅如此，通過深度可分離卷積的改進(jìn)可使得模型更加輕量化。這意味著提出模型參數(shù)量?jī)H為原YOLOv4-tiny的18%，但在火焰目標(biāo)檢測(cè)方面卻實(shí)現(xiàn)了更優(yōu)性能。

為進(jìn)一步驗(yàn)證mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)有效性，本文采用不同數(shù)據(jù)集對(duì)模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試。具體地，分別通過增強(qiáng)前/后數(shù)據(jù)集對(duì)三種關(guān)鍵模型進(jìn)行訓(xùn)練，然后統(tǒng)一根據(jù)增強(qiáng)后數(shù)據(jù)集進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如表3所示。

表3 各方法關(guān)于不同數(shù)據(jù)集指標(biāo)性能對(duì)比Table 3 Index performance comparison of each method on different data sets

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)不難發(fā)現(xiàn)通過Mosaic 數(shù)據(jù)增強(qiáng)的YOLOv4-tiny、YOLOv4-tiny-L3 以及YOLOv4-tiny-L4等目標(biāo)檢測(cè)模型在準(zhǔn)確率、召回率、mAP、F1 等指標(biāo)方面整體上均有所提升。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在訓(xùn)練和推理代價(jià)保持不變情況下，Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)可通過豐富圖片背景增加數(shù)據(jù)多樣性，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)模型精確率及魯棒性等目的。

為進(jìn)一步驗(yàn)證ECA 注意力機(jī)制有效性，本文驗(yàn)證了不同注意力機(jī)制對(duì)模型YOLOv4-tiny-L4 效果的影響，具體如表4所示。

表4 不同注意力機(jī)制對(duì)模型YOLOv4-tiny-L4的性能影響Table 4 Effects of different attention mechanisms on YOLOv4-tiny-L4

通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知ECA注意力機(jī)制在性能方面要優(yōu)于SE、CBAM[32]、SAM 和scSE[33]等空間、通道及空間通道混合注意力模塊，它們?cè)谧⒁饬?quán)重分配過程中大都使用數(shù)據(jù)降維手段以減少模型訓(xùn)練過程中計(jì)算量。ECA則實(shí)現(xiàn)了通道不降維情況下通道權(quán)重的調(diào)節(jié)，并通過自適應(yīng)交叉通道學(xué)習(xí)提升性能收益。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明ECA 有效避免了通道降維對(duì)模型性能的影響，局部交叉通道學(xué)習(xí)機(jī)制也對(duì)模型性能提升產(chǎn)生了一定促進(jìn)作用。

3.4.3 檢測(cè)時(shí)間對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證火焰檢測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)時(shí)性，本文分別對(duì)五種方法進(jìn)行了檢測(cè)時(shí)間對(duì)比。算法所采取運(yùn)行環(huán)境為筆記本電腦（CPU-i5-8250U），記為M1；谷歌云服務(wù)器colab（GPU-Tesla K80），記為M2。算法均以干擾集圖像做檢測(cè)并求取檢測(cè)時(shí)間平均值，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表5 所示。不難得出，在CPU 環(huán)境下MobileNet-SSD 檢測(cè)速度最快，但與本文提出算法相差并不是很大，尤其是YOLOv4-tiny-L3（ECA）；在GPU環(huán)境下本文提出YOLOv4-tiny-L3（ECA）和YOLOv4-tiny-L4（ECA）網(wǎng)絡(luò)均優(yōu)于其他方法。

表5 各方法檢測(cè)時(shí)間性能對(duì)比Table 5 Comparison of detection time of each method

4 結(jié)語

本文首先建立火焰檢測(cè)魯棒性數(shù)據(jù)集，然后使用深度可分離卷積改進(jìn)YOLOv4-tiny主干網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，增加有效特征層并引入ECA 注意力機(jī)制，最后實(shí)現(xiàn)多尺度火焰檢測(cè)頭用于完成不同尺度下火焰目標(biāo)檢測(cè)。改進(jìn)后YOLOv4-tiny 參數(shù)量?jī)H為原模型的18%，然而檢測(cè)性能卻得到較大幅度提升，其中YOLOv4-tiny-L3 和YOLOv4-tiny-L4 在魯棒火焰檢測(cè)數(shù)據(jù)集上mAP 和F1分別達(dá)到87.73%、90.69%和81%、85%。接下來將致力于在輕量化、準(zhǔn)確性和實(shí)時(shí)性等方面進(jìn)一步提升火焰檢測(cè)性能。