基于YOLOv8的無(wú)人機(jī)圖像目標(biāo)檢測(cè)算法

作者：趙繼達(dá)，甄國(guó)涌，儲(chǔ)成群

來(lái)源：《計(jì)算機(jī)工程》

編輯：東岸因?yàn)锧一點(diǎn)人工一點(diǎn)智能

原文：http://www.ecice06.com/CN/10.19678/j.issn.1000-3428.0068268#1

在無(wú)人機(jī)(UAV)目標(biāo)檢測(cè)任務(wù)中，存在因檢測(cè)目標(biāo)尺度小、檢測(cè)圖像背景復(fù)雜等原因?qū)е碌穆z、誤檢問(wèn)題。針對(duì)上述問(wèn)題，提出改進(jìn)YOLOv8s的無(wú)人機(jī)圖像目標(biāo)檢測(cè)算法。

首先，針對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝目標(biāo)普遍為小目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景，減少算法骨干網(wǎng)絡(luò)(Backbone)層數(shù)，增大待檢測(cè)特征圖尺寸，使得網(wǎng)絡(luò)模型更專(zhuān)注于微小目標(biāo)；其次，針對(duì)數(shù)據(jù)集普遍存在一定數(shù)量低質(zhì)量示例影響訓(xùn)練效果的問(wèn)題，引入Wise-IoU損失函數(shù)，增強(qiáng)數(shù)據(jù)集訓(xùn)練效果；再次，通過(guò)引入上下文增強(qiáng)模塊，獲得小目標(biāo)在不同感受野下的特征信息，改善算法在復(fù)雜環(huán)境下對(duì)小目標(biāo)的定位和分類(lèi)效果；最后，設(shè)計(jì)空間-通道濾波模塊，增強(qiáng)卷積過(guò)程中目標(biāo)的特征信息，濾除無(wú)用的干擾信息，改善卷積過(guò)程中部分微小目標(biāo)特征信息被淹沒(méi)、丟失的現(xiàn)象。

在VisDrone2019數(shù)據(jù)集上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該算法的平均檢測(cè)精度([email protected])達(dá)到45.4%，相較于原始YOLOv8s算法提高7.3個(gè)百分點(diǎn)，參數(shù)量減少26.13%。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，相比其他常見(jiàn)小目標(biāo)檢測(cè)算法，檢測(cè)精度和檢測(cè)速度也有一定提升。

引言

近年來(lái)，無(wú)人機(jī)(UAV)技術(shù)因具有視野范圍廣、飛行速度快的優(yōu)勢(shì)而逐漸應(yīng)用于目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域，但是無(wú)人機(jī)目標(biāo)檢測(cè)存在的目標(biāo)尺度小、容易受到環(huán)境干擾等問(wèn)題，限制了算法的目標(biāo)檢測(cè)性能。因此，提高小目標(biāo)的檢測(cè)精度成為了近年來(lái)的熱點(diǎn)問(wèn)題。

在目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域存在2種算法：傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)算法和基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法。傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測(cè)算法魯棒性差，檢測(cè)效率和準(zhǔn)確度都很低，本文不做考慮。

基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法分為2種：兩階段目標(biāo)檢測(cè)算法(如R-CNN系列算法)和單階段目標(biāo)檢測(cè)算法(如YOLO系列算法、SSD系列算法)。兩階段目標(biāo)檢測(cè)算法雖然檢測(cè)精度比較高，但是算法復(fù)雜度高，不適用于無(wú)人機(jī)快速運(yùn)動(dòng)、快速檢測(cè)的運(yùn)行環(huán)境。在檢測(cè)速度較快的單階段目標(biāo)檢測(cè)算法中，開(kāi)發(fā)程度較高的YOLO系列算法對(duì)檢測(cè)精度和檢測(cè)速度有很好的平衡性。其中，2023年1月發(fā)布開(kāi)源的YOLOv8算法是YOLO家族最新成員，可以更好地平衡算法的檢測(cè)速度和檢測(cè)精度。因此，本文將YOLOv8算法作為無(wú)人機(jī)目標(biāo)檢測(cè)基礎(chǔ)算法并加以改進(jìn)[1]。

本文研究的重點(diǎn)和難點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面：特征信息不容易提取[2]；通用的模型適用于中等大小的目標(biāo)和大目標(biāo)，對(duì)于小目標(biāo)效果不佳；小目標(biāo)數(shù)據(jù)集樣本質(zhì)量不如一般數(shù)據(jù)集[3]。

針對(duì)以上問(wèn)題，研究人員首先基于錨框(Anchor)機(jī)制對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行優(yōu)化，如ZHANG等[4]提出加入錨框密度參數(shù)，在令不同錨框具有相同密度的情況下提高了小目標(biāo)檢測(cè)的召回率。

雖然錨框有很大的作用，但是近年來(lái)大量實(shí)驗(yàn)表明，基于錨框的目標(biāo)檢測(cè)算法也有不足：預(yù)設(shè)錨框會(huì)導(dǎo)致正負(fù)樣本失衡，而且需要對(duì)錨框大小、數(shù)量和比例進(jìn)行計(jì)算，這提高了算法復(fù)雜度。

因此，近年來(lái)無(wú)錨框(Anchor-free)機(jī)制因其優(yōu)良的特性而逐漸興起，例如：LAW等[5]提出一種CornerNet網(wǎng)絡(luò)模型，根據(jù)左上、右下2個(gè)角點(diǎn)實(shí)現(xiàn)定位，避免了原來(lái)固定尺寸的錨框?qū)π∧繕?biāo)檢測(cè)不友好的缺點(diǎn)；DUAN等[6]提出CenterNet網(wǎng)絡(luò)模型，在CornerNet基礎(chǔ)上增加了中心點(diǎn)參數(shù)，取得了比CenterNet更好的效果。其次，研究人員基于模型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，如謝星星等[7]提出一種動(dòng)態(tài)特征融合網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)可以動(dòng)態(tài)調(diào)整特征融合的權(quán)重，有效減少特征融合過(guò)程中小目標(biāo)特征的丟失。

近年來(lái)，在目標(biāo)檢測(cè)優(yōu)化方面，注意力機(jī)制的引入也成為了研究熱點(diǎn)，如LIM等[8]提出一種融合目標(biāo)上下文信息的注意力機(jī)制，使網(wǎng)絡(luò)聚焦于需要的部分從而降低背景信息的干擾，間接增強(qiáng)了所需要的小目標(biāo)特征信息。

此外，還有直接增強(qiáng)小目標(biāo)特征的優(yōu)化方法，主要有以下幾類(lèi)：設(shè)計(jì)生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)(GAN)[9]，如BAI等[10]提出的SOD-MTGAN、RABBI等[11]提出的EESRGAN等，都是對(duì)GAN方法的改進(jìn)；對(duì)訓(xùn)練用數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)，如KISANTAL等[12]提出的將小目標(biāo)復(fù)制增多的方法，提高了網(wǎng)絡(luò)對(duì)小目標(biāo)的訓(xùn)練量，ZOPH等[13]提出的強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法，先將質(zhì)量好的數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選再訓(xùn)練，有效提高了檢測(cè)性能；由于不同尺度的特征圖有不同的特征信息，通過(guò)融合多尺度特征圖也可以有效提升檢測(cè)精度，有很多基于經(jīng)典特征融合網(wǎng)絡(luò)——特征金字塔網(wǎng)絡(luò)(FPN)的改進(jìn)，如ZENG等[14]提出的空洞空間金字塔池化平衡特征金字塔網(wǎng)絡(luò)(ABFPN)，創(chuàng)新性地使用了跳躍連接，大幅提升了多尺度特征融合效果。

為了提高小目標(biāo)檢測(cè)的測(cè)量精度，本文提出YOLOv8-smr模型，相較于YOLOv8s做出的改進(jìn)主要有以下4點(diǎn)：

1) 針對(duì)無(wú)人機(jī)拍攝目標(biāo)普遍為小目標(biāo)的應(yīng)用場(chǎng)景，減少YOLOv8s算法骨干網(wǎng)絡(luò)(Backbone)的層數(shù)，增大檢測(cè)頭(Head)部分待檢測(cè)特征圖的尺寸，保留更多小目標(biāo)特征信息；

2) 針對(duì)數(shù)據(jù)集存在一定數(shù)量低質(zhì)量示例的問(wèn)題，引入Wise-IoU損失函數(shù)優(yōu)化數(shù)據(jù)集訓(xùn)練效果；

3) 引入上下文增強(qiáng)模塊(CAM)，通過(guò)不同擴(kuò)張率的擴(kuò)張卷積將待檢測(cè)目標(biāo)本身及其周?chē)卣餍畔⒔Y(jié)合起來(lái)，改善模型在復(fù)雜環(huán)境中對(duì)小目標(biāo)的定位和分類(lèi)效果；

4) 設(shè)計(jì)空間-通道濾波模塊(SCFM)，通過(guò)濾除干擾信息、增強(qiáng)小目標(biāo)特征信息，緩解卷積過(guò)程中微小目標(biāo)特征信息被淹沒(méi)的問(wèn)題。

系統(tǒng)模型

1.1 YOLOv8網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

YOLOv8的總體結(jié)構(gòu)包括Backbone、頸部網(wǎng)絡(luò)(Neck)、Head這3個(gè)部分。根據(jù)具體的需要，將模型按照網(wǎng)絡(luò)模型的大小分為YOLOv8n、YOLOv8s、YOLOv8m、YOLOv8l和YOLOv8x這5種模型[15]。

Backbone部分采用的結(jié)構(gòu)為Darknet53，其中包括基本卷積單元(Conv)、實(shí)現(xiàn)局部特征和全局特征的featherMap級(jí)別的融合的空間金字塔池化模塊(SPPF)，以及增加網(wǎng)絡(luò)的深度和感受野、提高特征提取能力的C2f模塊。C2f模塊結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 C2f模塊結(jié)構(gòu)

Neck部分采用PAN-FPN結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同尺寸特征圖的特征融合，其中同樣使用了C2f模塊作為特征提取的主要模塊。

Head部分采用解耦頭結(jié)構(gòu)將分類(lèi)和檢測(cè)分離，同時(shí)在檢測(cè)過(guò)程中采用效果較好的Anchor-free機(jī)制。解耦頭模型結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 解耦頭模型結(jié)構(gòu)

在損失函數(shù)計(jì)算方面，采用了Task Aligned Assigner正樣本分配策略，由分類(lèi)損失(VFL)和回歸損失(CIoU+DFL)2個(gè)部分的3個(gè)損失函數(shù)加權(quán)組合而成。

1.2 本文網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

經(jīng)過(guò)在YOLOv8s的基礎(chǔ)上優(yōu)化模型結(jié)構(gòu)、優(yōu)化損失函數(shù)、添加上下文增強(qiáng)模塊、添加SCFM模塊，本文最終的無(wú)人機(jī)目標(biāo)檢測(cè)算法網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示。下面各節(jié)分別對(duì)各個(gè)優(yōu)化模塊的具體結(jié)構(gòu)與算法進(jìn)行介紹。

圖3 本文目標(biāo)檢測(cè)算法模型結(jié)構(gòu)

1.3 模型結(jié)構(gòu)優(yōu)化

YOLOv8s模型輸入圖片的大小會(huì)被resize為640×640×3像素，最終檢測(cè)的3個(gè)特征圖的大小為80×80×128像素、40×40×256像素和20×20×512像素。當(dāng)待檢測(cè)目標(biāo)普遍為小目標(biāo)的時(shí)候，特征圖尺寸最小被壓縮到20×20×512像素，這會(huì)造成小目標(biāo)特征信息有較大的損失，而且經(jīng)過(guò)深層卷積會(huì)導(dǎo)致小目標(biāo)的特征信息被淹沒(méi)，從而影響檢測(cè)精度。

因此，本文將Backbone部分的Stage Layer3去除，令網(wǎng)絡(luò)模型不進(jìn)行過(guò)于深層次的卷積，同時(shí)將待檢測(cè)特征圖的尺寸放大到160×160×64像素、80×80×128像素和40×40×256像素。

通過(guò)改進(jìn)，模型可以保留更多的小目標(biāo)特征信息。在VisDrone2019數(shù)據(jù)集上，本文將所優(yōu)化的模型結(jié)構(gòu)與直接增加一層小目標(biāo)檢測(cè)層的模型YOLOv8-large[16]以及初始模型YOLOv8s進(jìn)行實(shí)驗(yàn)對(duì)比，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，用每秒10億次的浮點(diǎn)運(yùn)算數(shù)(GFLOPs)衡量算法復(fù)雜度。

與常見(jiàn)的直接增加一層小目標(biāo)檢測(cè)層的模型相比，本文模型結(jié)構(gòu)的算法復(fù)雜度大幅降低，但檢測(cè)精度差別不大，與初始YOLOv8s算法相比，優(yōu)化參數(shù)量明顯下降、精度明顯提升，證明降低網(wǎng)絡(luò)卷積層次在大幅提升小目標(biāo)檢測(cè)性能的同時(shí)，不會(huì)帶來(lái)復(fù)雜的算法開(kāi)銷(xiāo)，能夠?qū)崿F(xiàn)模型復(fù)雜度和精度之間更好的平衡。

表1 3種算法復(fù)雜度和精度比較

1.4 損失函數(shù)優(yōu)化

損失函數(shù)的計(jì)算是目標(biāo)檢測(cè)算法的重要組成部分，YOLOv8s算法的損失函數(shù)由VFL和CIoU+DFL這2個(gè)部分的3個(gè)損失函數(shù)加權(quán)組合而成。其中，CIoU是對(duì)邊界框的損失進(jìn)行計(jì)算，它加入了縱橫比的損失計(jì)算，但是沒(méi)有考慮數(shù)據(jù)集樣本本身的平衡問(wèn)題。

以往的大多數(shù)損失函數(shù)很少考慮數(shù)據(jù)集本身標(biāo)注示例的質(zhì)量，而是不斷致力于強(qiáng)化邊界框損失的擬合能力，導(dǎo)致一些低質(zhì)量標(biāo)注對(duì)檢測(cè)性能有很大的影響[17]。因此，本文引入Wise-IoU作為新的邊界框損失函數(shù)。Wise-IoU定義為：

其中： 和 分別為錨框和目標(biāo)框中心點(diǎn)的坐標(biāo)； 和 是最小包圍框的尺寸； 表示交并比(IoU)，是度量預(yù)測(cè)框和真實(shí)框的重疊程度的常見(jiàn)量；α和β作為超參數(shù)，通常設(shè)定為1.9和3.0[17]。

通過(guò)引入離群度參數(shù)來(lái)描述錨框的質(zhì)量，β與錨框質(zhì)量負(fù)相關(guān)。離群度計(jì)算公式為：

其中， 為單調(diào)聚焦系數(shù)的梯度增益，與 定義相同，這里的*表示在訓(xùn)練過(guò)程中會(huì)根據(jù)每個(gè)目標(biāo)檢測(cè)的情況不斷計(jì)算更改； 為動(dòng)量m的滑動(dòng)平均值，引入

意味著可以根據(jù)訓(xùn)練進(jìn)程動(dòng)態(tài)調(diào)整最高梯度增益。動(dòng)量m的計(jì)算公式為：

其中：t為epoch的值；n為batch size的值。引入動(dòng)量m的意義是經(jīng)過(guò)t輪訓(xùn)練以后，WIoU將小梯度增益分配給低質(zhì)量錨框以減少有害梯度。

WIoU所增加的計(jì)算成本主要在于聚焦系數(shù)的計(jì)算和IoU損失的均值統(tǒng)計(jì)。在相同實(shí)驗(yàn)條件下，WIoU因?yàn)闆](méi)有對(duì)縱橫比進(jìn)行計(jì)算反而有更快的速度，所以在更換損失函數(shù)后，在精度提高的基礎(chǔ)上，訓(xùn)練時(shí)間也得到有效降低。

1.5 上下文增強(qiáng)模塊

通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)集的觀(guān)察分析可以發(fā)現(xiàn)，在無(wú)人機(jī)目標(biāo)檢測(cè)過(guò)程中，待檢測(cè)目標(biāo)小而密，小目標(biāo)檢測(cè)可以通過(guò)上下文信息作為特征的一部分。因此，本文引入上下文增強(qiáng)模塊，通過(guò)擴(kuò)張率為1、3、5的擴(kuò)張卷積增大檢測(cè)感受野，同時(shí)將待檢測(cè)目標(biāo)及其周?chē)奶卣餍畔⑾嘟Y(jié)合，變相增強(qiáng)小目標(biāo)的特征信息，增強(qiáng)算法對(duì)目標(biāo)的理解能力。

CAM結(jié)構(gòu)如圖4所示。將Backbone部分輸出的圖像經(jīng)過(guò)擴(kuò)張率為1、3、5的擴(kuò)張卷積處理，將目標(biāo)自身特征與目標(biāo)周?chē)h(huán)境的相對(duì)特征都考慮在內(nèi)，再將處理后的3個(gè)特征圖經(jīng)Concat函數(shù)拼接后輸入網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的下一層進(jìn)行處理。

圖4 CAM結(jié)構(gòu)

1.6 空間-通道濾波模塊

在YOLOv8s模型結(jié)構(gòu)中，Neck部分使用了PAN-FPN結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)多個(gè)不同尺寸特征圖的特征融合。但是在卷積過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)各個(gè)層的特征圖中會(huì)存在大量的干擾信息，這些干擾信息在不斷卷積的過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致部分特別小的小目標(biāo)的特征信息丟失，嚴(yán)重影響檢測(cè)精度。因此，本文設(shè)計(jì)空間-通道濾波模塊，這種結(jié)構(gòu)可以有效地從通道和空間濾除特征圖的干擾信息，增強(qiáng)小目標(biāo)特征信息。SCFM結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 SCFM結(jié)構(gòu)

首先，將輸入的特征圖在通道方向上進(jìn)行壓縮，再將其分別輸入空間濾波模塊(SPM)和通道濾波模塊(CPM)。

空間濾波模塊將壓縮處理后的特征圖采用Log_Softmax激活函數(shù)處理，在空間上對(duì)特征圖過(guò)濾增強(qiáng)特征信息。Log_Softmax算法是在Softmax算法基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)果進(jìn)行Log操作，生成所有位置相對(duì)于通道的相對(duì)權(quán)重。

Softmax算法公式為：

Log_Softmax算法公式為：

其中：Z為輸入向量， 和 表示其中某個(gè)元素。

由兩者的算法公式可以得，雖然Log_Softmax和Softmax都是單調(diào)的，但是它們對(duì)損失函數(shù)相對(duì)值的影響不同，使用Log_Softmax函數(shù)可以更高地懲罰似然空間中的誤差，使算法收斂得更快。

通道濾波模塊結(jié)構(gòu)如圖6所示。將特征圖輸入CPM后，分別經(jīng)過(guò)平均池化和最大池化，兩者結(jié)合將會(huì)得到更詳細(xì)的全局特征，引入2層卷積層和Hardswish激活函數(shù)對(duì)小目標(biāo)特征進(jìn)行增強(qiáng)，最后經(jīng)過(guò)最鄰近上采樣操作將特征圖尺寸大小還原，再將2個(gè)經(jīng)過(guò)濾波的特征圖相加得到CPM模塊最終的輸出。

圖6 CPM結(jié)構(gòu)

Hardswish激活函數(shù)計(jì)算方式如式(8)[18]所示：

在這里引入Hardswish作為激活函數(shù)，是因?yàn)镠ardswish不但具有Swish函數(shù)的優(yōu)點(diǎn)，即有助于防止慢速訓(xùn)練期間梯度逐漸接近0并導(dǎo)致飽和、平滑度在優(yōu)化和泛化中起了重要作用，以及導(dǎo)數(shù)恒大于0，而且在Swish函數(shù)的基礎(chǔ)上使用常見(jiàn)的算子組合而成，在達(dá)到相似效果的情況下大大降低了算法模型的計(jì)算量。

實(shí)驗(yàn)與分析

本文實(shí)驗(yàn)均基于VisDrone2019數(shù)據(jù)集。VisDrone2019數(shù)據(jù)集有6 471張圖片用于訓(xùn)練、548張圖片用于驗(yàn)證，由配備攝像頭的無(wú)人機(jī)在不同地點(diǎn)和高度拍攝，包括pedestrian、person、car、van、bus、truck、motor、bicycle、awning-tricycle，以及tricycle的10個(gè)預(yù)定義類(lèi)別，幾乎包含了交通運(yùn)輸?shù)娜砍Ｒ?jiàn)目標(biāo)種類(lèi)，是小目標(biāo)檢測(cè)常見(jiàn)的訓(xùn)練評(píng)估用數(shù)據(jù)集。

實(shí)驗(yàn)軟件環(huán)境為Python 3.8.13、PyTorch 1.7.1、cuda 10.1，硬件環(huán)境為NVIDIA GeForce RTX 2080 Ti顯卡。所有實(shí)驗(yàn)都在相同超參數(shù)下進(jìn)行。性能評(píng)價(jià)指標(biāo)有[email protected]、[email protected]∶0.95、GFLOPs、檢測(cè)幀率(FPS)。其中：[email protected]表示閾值為0.5時(shí)所有類(lèi)別(共10類(lèi))待檢測(cè)目標(biāo)的平均檢測(cè)精度；[email protected]∶0.95表示閾值為0.5~0.95時(shí)所有類(lèi)別待檢測(cè)目標(biāo)的平均檢測(cè)精度；GFLOPs用來(lái)衡量算法復(fù)雜度；FPS用來(lái)衡量算法檢測(cè)速度。

為了證明本文提出模塊的有效性，通過(guò)消融實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證不同模塊對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)算法性能的影響，與此同時(shí)，通過(guò)展示同一張圖片的處理結(jié)果來(lái)可視化這種差異。通過(guò)與其他經(jīng)典目標(biāo)檢測(cè)算法以及近年來(lái)具有代表性的小目標(biāo)檢測(cè)算法的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，體現(xiàn)本文所提出的整體算法模型在小目標(biāo)檢測(cè)領(lǐng)域的優(yōu)越性。

2.1 消融實(shí)驗(yàn)

為了證明本文所提出的各個(gè)改進(jìn)模塊的優(yōu)越性，進(jìn)行消融實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示，其中加粗表示最優(yōu)值。

通過(guò)優(yōu)化YOLOv8s模型結(jié)構(gòu)得到的YOLOv8s-smr結(jié)構(gòu)，較原模型[email protected]提升5.5個(gè)百分點(diǎn)，[email protected]∶0.95提升3.8個(gè)百分點(diǎn)，參數(shù)量下降70.3%，算法復(fù)雜度基本一致，這里FPS下降較多是因?yàn)榇龣z測(cè)特征圖尺寸加大之后后處理時(shí)間由5.5 ms增加到9.3 ms造成的。

將YOLOv8s原來(lái)的損失函數(shù)由CIoU替換為WIoU，[email protected]提升1.0個(gè)百分點(diǎn)，F(xiàn)PS提升9.1幀/s，這是因?yàn)楦鼡Q的損失函數(shù)降低了數(shù)據(jù)集中低質(zhì)量示例的影響，而且與CIoU相比，WIoU因?yàn)闆](méi)有對(duì)縱橫比進(jìn)行計(jì)算，所以有更快的計(jì)算速度，其余參數(shù)變化較小。

如圖7所示，在相同模型下將損失函數(shù)替換為CIoU、SIoU和WIoU進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在設(shè)定耐心值為30的情況下，CIoU、SIoU在138個(gè)epoch的訓(xùn)練完全收斂，CIoU、SIoU和WIoU下精度分別為43.67%、43.64%和44.67%，雖然WIoU收斂較慢，但是明顯達(dá)到較高的精度，說(shuō)明WIoU的加入對(duì)提升小目標(biāo)檢測(cè)精度有效。通過(guò)直觀(guān)對(duì)比也可以發(fā)現(xiàn)WIoU漏檢和誤檢最少。

在YOLOv8s-smr-WIoU基礎(chǔ)上加入CAM后，[email protected]和[email protected]∶0.95都提升0.3個(gè)百分點(diǎn)，證明CAM擴(kuò)大感受野的操作對(duì)于小目標(biāo)檢測(cè)確實(shí)有明顯提升。在此基礎(chǔ)上加入SCFM后，通過(guò)將特征層中的小目標(biāo)特征進(jìn)行增強(qiáng)，[email protected]提升0.5個(gè)百分點(diǎn)，[email protected]∶0.95提升0.2個(gè)百分點(diǎn)。

最終算法模型的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，相較于基礎(chǔ)YOLOv8s算法模型，本文提出的算法模型[email protected]提升7.3個(gè)百分點(diǎn)，[email protected]∶0.95提升4.8個(gè)百分點(diǎn)，參數(shù)量下降26.13%，算法復(fù)雜度增加45.26%，F(xiàn)PS下降24.1幀/s。雖然算法復(fù)雜度有所增加，但是FPS可以達(dá)到62.1幀/s，表明本文目標(biāo)檢測(cè)算法可以滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性的要求。

表2 消融實(shí)驗(yàn)中目標(biāo)檢測(cè)精度和算法復(fù)雜度對(duì)比

圖7 不同損失函數(shù)下目標(biāo)檢測(cè)精度對(duì)比

目標(biāo)檢測(cè)效果可視化對(duì)比如圖8所示。可以看出，通過(guò)改進(jìn)，紅框標(biāo)注的地方漏檢情況相比于上一張圖明顯減少，藍(lán)框標(biāo)注的地方誤檢率也有下降，每一代算法模型在誤檢和漏檢方面都相比于前一代有一定的改進(jìn)，最終算法模型相比于前幾代模型也取得了更好的目標(biāo)檢測(cè)效果。

圖8 消融實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)檢測(cè)效果可視化對(duì)比

通過(guò)檢測(cè)結(jié)果的直觀(guān)對(duì)比，可以看到小目標(biāo)檢測(cè)精度不斷地提升。但是可以明顯看到，雖然算法經(jīng)過(guò)多輪改進(jìn)，但還是不可避免地存在漏檢和誤檢的問(wèn)題，這也是最終算法的[email protected]只有45.4%的直觀(guān)體現(xiàn)。

2.2 對(duì)比實(shí)驗(yàn)

為了體現(xiàn)本文所提出的算法在檢測(cè)精度和檢測(cè)速度上的優(yōu)越性和平衡性，將本文算法與目前主流的經(jīng)典的小目標(biāo)檢測(cè)算法進(jìn)行對(duì)比，包括RetinaNet[19]、Faster-RCNN[20]、CornerNet[5]、YOLOv5s[21]、Deformable DETR[22]、TPH-YOLOv5[23]、YOLOv7[24]，以及最近公開(kāi)發(fā)表的小目標(biāo)檢測(cè)精度最優(yōu)算法YOLO-DCTI[25]、速度最優(yōu)算法YOLO-PWCA[26]，在相同數(shù)據(jù)集和軟硬件條件下進(jìn)行比較，驗(yàn)證本文算法模型所作改進(jìn)的有效性和優(yōu)越性。

表3給出了不同算法的指標(biāo)對(duì)比，圖9給出了部分算法目標(biāo)檢測(cè)效果的可視化對(duì)比。

在檢測(cè)效果可視化對(duì)比中，觀(guān)察各個(gè)算法檢測(cè)結(jié)果的紅框標(biāo)注部分出現(xiàn)的漏檢和誤檢現(xiàn)象可知，本文算法相較于精度最高的YOLO-DCTI方法，雖然檢測(cè)率略低，但是圖片右側(cè)誤檢現(xiàn)象有所減少，相較于其他算法，左上角微小汽車(chē)以及圖像中央的motor、bicycle的檢測(cè)率更高。

在指標(biāo)對(duì)比中，本文算法的檢測(cè)精度雖然不是最高，但是精度最高的YOLO-DCTI方法是以犧牲檢測(cè)速度為前提的，11幀/s的檢測(cè)速度無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)時(shí)性，而YOLO-PWCA算法雖然速度非常快，達(dá)到181幀/s，但是檢測(cè)精度是明顯短板。

對(duì)比以上多種算法，本文算法雖然精度沒(méi)有達(dá)到最高，速度也不是最快，但是可以在滿(mǎn)足62幀/s實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)的條件下達(dá)到最高精度，在精度和速度之間達(dá)到了更好的平衡，更適合無(wú)人機(jī)的應(yīng)用環(huán)境。以上對(duì)比結(jié)果可以證明，本文所提出的算法在小目標(biāo)檢測(cè)方面的精度和速度更加平衡，具有優(yōu)越性。

表3 對(duì)比實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9 對(duì)比實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)檢測(cè)效果可視化對(duì)比

結(jié)束語(yǔ)

本文提出一種改進(jìn)YOLOv8s的小目標(biāo)檢測(cè)算法，用于提高無(wú)人機(jī)目標(biāo)檢測(cè)精度，從目前主流的幾個(gè)方向優(yōu)化，包括網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、數(shù)據(jù)集、注意力機(jī)制，使得經(jīng)過(guò)改進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)模型更適用于小目標(biāo)檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景。

本文放大待檢測(cè)特征圖的尺寸而不是單純地增加小目標(biāo)檢測(cè)層，通過(guò)這樣的改進(jìn)可以使網(wǎng)絡(luò)專(zhuān)注于小目標(biāo)的特征信息，而且不會(huì)帶來(lái)很大的計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)，更適合無(wú)人機(jī)目標(biāo)檢測(cè)的應(yīng)用場(chǎng)景；將損失函數(shù)更換為WIoU可以將數(shù)據(jù)集本身標(biāo)注示例的質(zhì)量加入訓(xùn)練參數(shù)；加入CAM將目標(biāo)與其周?chē)奶卣餍畔⒙?lián)系起來(lái)，可以改善對(duì)目標(biāo)的分類(lèi)識(shí)別效果；設(shè)計(jì)SCFM，通過(guò)濾除干擾信息、增強(qiáng)小目標(biāo)特征信息，可以改善卷積過(guò)程中部分微小目標(biāo)特征信息被淹沒(méi)的問(wèn)題。通過(guò)消融實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，以上所做出的改進(jìn)都對(duì)檢測(cè)精度有一定提升作用。

本文所提出的算法相對(duì)于YOLOv8s算法雖然復(fù)雜度有所增加，但是最終模型的檢測(cè)速度可以滿(mǎn)足應(yīng)用需求。與目前主流的經(jīng)典目標(biāo)檢測(cè)算法以及近年來(lái)公開(kāi)發(fā)表的具有代表性的小目標(biāo)檢測(cè)算法相比，本文所提出的改進(jìn)算法在小目標(biāo)檢測(cè)精度和檢測(cè)速度上可以達(dá)到平衡，具有一定的優(yōu)越性，算法模型的[email protected]達(dá)到了45.4%，實(shí)現(xiàn)了較大的精度提升。

為了使無(wú)人機(jī)在光照條件惡劣的情況下保持高精度目標(biāo)檢測(cè)，下一步計(jì)劃添加圖像預(yù)處理模塊，包括圖像增強(qiáng)和曝光校正2個(gè)部分。此外，還將對(duì)算法做進(jìn)一步輕量化處理，包括但不限于更換主干網(wǎng)絡(luò)等，將其部署到嵌入式GPU設(shè)備N(xiāo)vidia Jetson AGX Xavier上，在無(wú)人機(jī)有限的算力與功耗資源上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)目標(biāo)檢測(cè)。