深度学习的目标检测算法综述

信息记录材料 2022年10月第23卷第10期

【摘要】目标检测是深度学习的一个重要应用，目前在智能驾驶、工业检测相关领域都获得应用，具有重要的现实意义。本文对基于深度学习目标检测算法原理和应用情况进行简述，首先介绍结合区域提取和卷积神经网络，以区域 R-CNN 为代表的分类目标检测框架的研究现状和相关模型；然后介绍与此相关的目标检测框架，YOLO 和 SSD；最后对这种目标检测领域的两种主流算法进行比较和总结，展望分析其未来的研究方向。

目标检测，主要是根据目标的相关特征对图像进行分割，从而实现目标识别目的。基于深度学习的目标检测算法在步骤上包括==双阶段（two-stage）和单阶（one-stage）==两种目标检测框架。

前一种框架在处理过程中先确定出样本的候选框，接着对样本通过 CNN网络分类；
后一种框架在处理时不产生候选框，直接在一定回归分析基础上实现目标检测。

对比分析可知这两种方法的特性明显不同，前者所得结果更准确，不过实时性差，后者速度上占优。各经典算法及主流特征提取网络出现的时间，如图 1 所示。
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基于区域提取目标检测框架

区域提取算法的核心框架是卷积神经网络 CNN，对这种网络的研究可追溯至神经认知机，神经认知机的主要特征表现为具有深度结构，属于一种研究相对深入的深度学习算法。根据相关资料可知这种网络中，隐含层是 S 层和C 层组合形成的，在运行过程中二者分别用于提取和接收图像特征的功能。20 世纪 80 年代 LECUN等对这种模型进行改进和优化，建立起功能更强大的 LeNet-5 网络，然后通过其识别手写数字，结果发现其可以很好地满足应用要求。LeNet-5 的主要特征为引入了池化层来筛选输入特征，这样可以显著提高网络的性能。LeNet-5 对 CNN 网络发展起到很大促进作用，并决定了其基本结构，通过这种网络进行图像处理时，可获得其平移不变特征。卷积神经网络主要由两部分组成，一部分是特征提取（卷积、激活函数、池化），另一部分是分类识别（全连接层）。

1.1 R-CNN

采用滑动窗口策略对图片进行反复特征提取，虽然能够尽量提取图片信息，但是穷举法导致识别结果多了很多其他信息，效率太低。GIRSHICK 等提出区域卷积神经网络 R-CNN（Region CNN），如图 3 所示。R-CNN 算法和改进前网络相比取得了 50% 的性能提升，但其也有缺陷存在：基于传统方法确定出候选区，这样降低了其处理实时性；卷积神经网络需要分别对各候选区来特征提取处理，实际存在大量的重复运算，也显著降低算法效率。
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1.2 Fast R-CNN

GIRSHICK等在研究过程中提出一种优化的 Fast R-CNN 模型，如图 4 所示。Fast R-CNN 和 R-CNN 相比，训练时间从 84 h减少到 9.5 h，测试时间从 47 s减少到 0.32 s，并且在 PASCAL平台上测试的准确率提高到 66%～ 67%之间。且在学习训练过程中，综合了分类损失和回归损失，这样可显著改善学习效果。然后根据要求输出相关分类和定位信息，对中间层信息不需要特定性的保存，有利于节约存储资源。梯度可利用池化层来高效的传播。Fast R-CNN 使人意识到了候选区域 + 卷积神经网络在提高检测实时性方面的优势，对比分析可知多类检测可在改善处理实时性基础上，也提高了处理准确性，不过其依然存在局限性，如处理过程中基于传统方法生成候选区。
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1.3 Faster R-CNN

为了解决上述算法的问题，2015 年微软研究院的REN等以及 Ross 团队推出快速 R-CNN，如图 5 所示，在处理过程中简单网络目标识别速度为 17 fps，在 PASCAL VOC上准确率为 59.9%，复杂网络的为 5 f p s，准确率也达到78.8%。在这种模型中加入边缘提取网络，这样使得生成候选区域，特征提取，分类以及定位相关的环节被纳入到整体框架中，有利于提高模型的标准性水平。在对此网络进行改进时，应用区域生成网络（RPN）取代其中的搜索方法。设计辅助生成样本的 RPN 网络，算法在目标检测时的流程为，先由 RPN 对候选框进行判断，确定出其是否为目标，接着判断目标的类型。在各环节都可以共享提取的特征信息，因而有利于提高处理效率，同时占据的空间减小，可以更快地生成候选框，而算法的精度并不受到影响。不过进一步分析可知 RPN 网在处理时可获得多尺寸的候选框，这样在处理时感受野和目标尺寸会产生不匹配问题，在目标平移变化情况下无法实现检测目的。
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1.4 Mask R-CNN

为了处理 two stage 算法应用中存在的问题，HE 等对上述问题进行分析，建立了Mask R-CNN 模型，取得了很好地识别效果。处理时面临的任务为 3 个，包括分类 +
回归 + 分割，如图 6 所示。基于全卷积网络预测候选框的掩膜，可使得目标空间结构相关的信息都很好的保留，实现目标像素级分割定位。
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基于回归的目标检测框架

为了进一步提高目标检测的实时性，出现了 YOLO（you only look once）和 SSD（single shot multibox detector）等基于回归的目标检测框架，这样不仅可以确保算法的可靠性，还能最大程度上提高其运算速度。

2.1 YOLO

2015 年美国计算机研究者 REDMON 等建立 YOLO 算法，通过这种算法进行处理时，对应的流程情况如图，其在预测过程中主要运用到图形全局信息，因而相应的处理过程显著简化。将输入图像尺寸进行还原，设置了7×7 网格单元。通过 CNN提取的特征进行学习训练，输出结果为目标的类别信息。然而该方法也存在一定的局限性，具体体现在定位不准、召回率不甚理想，尤其是在近距离的物体检测中不十分适用，从总体来看此方法的泛化能力相对弱。
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2.2 YOLOv2 和 YOLO9000

基于 YOLO 有 2 个改进版，YOLOv2 和 YOLO9000，它们有效弥补了以往方法的不足，可以减小召回率和定位误差。前者（如图 8 所示）主要是运用了 Faster R-CNN 的思想，在具体应用过程中采用锚框机制，同时还使用了典型的K-Means 聚类方式获得更为理想的锚框模板。这种算法的特殊性还体现在通过增加候选框的预测，引入更为科学的定位方法，=从而有效弥补了以往算法召回率低的问题，现阶段这种方法已经在实践中得到大量应用。YOLO9000 是基于 Y OLO v2 形成的一种算法，该算法的最大优势体现在能够检测超过 9 000 个类别的模型，其主要贡献点在于提出了一种分类和检测的联合训练策略。
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2.3 YOLOv4

YOLOv4（如图 9 所示）算法是也是基于 YOLO 形成的一种新方法，相对来说，前者更具先进性。其采用了近些年卷积神经网络领域中最优秀的优化策略，因此在很多场合中都非常适用，比如在数据处理、主干网络等场合中均有不同程度的优化。在 YOLOv4 中，借鉴了跨阶段局部网络 CSPNet（cross stage partial networks），对Darknet53 做了一点改进。CSPNet 解决了其他大型神经网络框架梯度信息重复这一瓶颈，其采用特殊的方式将梯度完全集成到特征图中，故而采用这种方法能够有效减少模型的参数量和 FLOPS 数值。因此与其他的算法相比，其有更高可靠性，推理速度也非常理想；同时显著减小了模型尺寸。
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2.4 SSD

LIU等建立此算法，如图所示。S S D 的主要特征表现为融合了以上两种算法的回归和锚盒机制，在各卷积层的特征图上进行定位预测，输出的为统一的 boxes 坐标，对对应的类别置信度主要是通过小卷积核进行预测分析。进行整体多尺度的边框回归分析，这样可以提高算法的处理速度，而定位准确性不受到明显影响。然而其利用多层次特征分类，因此在应用中也存在一定不足，比如对于小目标检测困难。
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深度学习目标检测有多方面性能优势和很广阔的应用场景，同时也面临着很多困难与挑战。本文以具有代表性的目标检测算法为主线，综述了这种检测技术的进展和思考。参考上下文特征的多特征融合，在此基础上，结合R N N 展开更为深入的探讨。当前这种目标检测算法虽然应用非常广泛，然而同样存在诸多局限性，如何减少复杂背景干扰以提高检测的准确性，基于深度学习目标检测技术的研究值得更深层次的研究。