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精度优化思路分析

本小节侧重展示在模型迭代过程中优化精度的思路，在本案例中，有些优化策略获得了精度收益，而有些没有。在其他场景中，可根据实际情况尝试这些优化策略。

(1) 基线模型选择

相较于二阶段检测模型，单阶段检测模型的精度略低但是速度更快。考虑到是部署到GPU端，本案例选择单阶段检测模型YOLOV3作为基线模型，其骨干网络选择DarNet53。训练完成后，模型在验证集上的精度如下:

模型 推理时间 （ms/image） map(Iou-0.5) (coco)mmap 安全帽AP(Iou-0.5)
baseline: YOLOv3 + DarkNet53 + cluster_yolo_anchor + img_size(480) 50.34 61.6 39.2 94.58

(2) 基线模型效果分析与优化

使用PaddleX提供的paddlex.det.coco_error_analysis接口对模型在验证集上预测错误的原因进行分析，分析结果以图表的形式展示如下：

allclass head person helmet

分析图表展示了7条Precision-Recall（PR）曲线，每一条曲线表示的Average Precision （AP）比它左边那条高，原因是逐步放宽了评估要求。以helmet类为例，各条PR曲线的评估要求解释如下：

  • C75: 在IoU设置为0.75时的PR曲线, AP为0.681。
  • C50: 在IoU设置为0.5时的PR曲线，AP为0.946。C50与C75之间的白色区域面积代表将IoU从0.75放宽至0.5带来的AP增益。
  • Loc: 在IoU设置为0.1时的PR曲线，AP为0.959。Loc与C50之间的蓝色区域面积代表将IoU从0.5放宽至0.1带来的AP增益。蓝色区域面积越大，表示越多的检测框位置不够精准。
  • Sim: 在Loc的基础上，如果检测框与真值框的类别不相同，但两者同属于一个亚类，则不认为该检测框是错误的，在这种评估要求下的PR曲线, AP为0.961。Sim与Loc之间的红色区域面积越大，表示子类间的混淆程度越高。VOC格式的数据集所有的类别都属于同一个亚类。
  • Oth: 在Sim的基础上，如果检测框与真值框的亚类不相同，则不认为该检测框是错误的，在这种评估要求下的PR曲线，AP为0.961。Oth与Sim之间的绿色区域面积越大，表示亚类间的混淆程度越高。VOC格式的数据集中所有的类别都属于同一个亚类，故不存在亚类间的混淆。
  • BG: 在Oth的基础上，背景区域上的检测框不认为是错误的，在这种评估要求下的PR曲线，AP为0.970。BG与Oth之间的紫色区域面积越大，表示背景区域被误检的数量越多。
  • FN: 在BG的基础上，漏检的真值框不认为是错误的，在这种评估要求下的PR曲线，AP为1.00。FN与BG之间的橙色区域面积越大，表示漏检的真值框数量越多。

从分析图表中可以看出，head、helmet两类检测效果较好，但仍然存在漏检的情况，特别是person存在很大的漏检问题；此外，通过helmet中C75指标可以看出，其相对于C50的0.946而言有些差了，因此定位性能有待进一步提高。为进一步理解造成这些问题的原因，将验证集上的预测结果进行了可视化，然后发现数据集标注存在以下问题：

  • 本数据集主要考虑到头部和安全帽的检测，因此在人检测时，有个图片中标注了，而有的图片中没有标注，从而导致学习失效，引发person漏检。
  • head与helmet大多数情况标注较好，但由于部分拍摄角度导致有的图片中的head和helmet发生重叠以及太小导致学习有困难。

考虑到漏检问题，一般是特征学习不够，无法识别出物体，因此基于这个方向，尝试替换backbone: DarNet53 --> ResNet50_vd_dcn，在指标上的提升如下:

模型 推理时间 （ms/image） map(Iou-0.5) (coco)mmap 安全帽AP(Iou-0.5)
YOLOv3 + ResNet50_vd_dcn + cluster_yolo_anchor+img_size(480) 53.81 61.7 39.1 95.35

考虑到定位问题，通过尝试放大图片，不同的网络结构以及定位的优化策略: 利用cluster_yolo_anchor生成聚类的anchor或开启iou_aware。最终得到上线模型PPYOLOV2的精度如下:

模型 推理时间 （ms/image） map(Iou-0.5) (coco)mmap 安全帽AP(Iou-0.5)
PPYOLOV2 + ResNet50_vd_dcn + img_size(608) 81.52 61.6 41.3 95.32

其中helmet类误差分析如下图:

从分析表中可以看出:

  • C75指标效果明显改善，定位更加准确：从0.681提升到0.742。
  • 其中BG到FN的差距从0.03降低到了0.02，说明漏检情况有所改善。
  • 其中Loc与Sim的差距从0.002降低到了0.001，说明混淆程度也下降了。
  • 其中Oth与BG的差距从0.019降低到了0.015，说明检测错误下降了。

本项目优化整体分析可归纳为以下几点:

  • 通过选用适当更优的骨干网络可以改善漏检的情况，因此漏检方面的优化可以考虑先从骨干网络替换上开始——当然必要的数据清洗也是不可缺少的，要是数据集本身漏标，则会从根本上影响模型的学习。
  • 通过放大图像，可以对一些中小目标的物体检测起到一定的优化作用。
  • 通过聚类anchor以及iou_aware等操作可以提高模型的定位能力，直接体现是在高IoU上也能有更好的表现。【因此，定位不准可以从模型的anchor以及模型的结构上入手进行优化】

(3) 数据增强选择

训练预处理1(a1) 验证预处理
MixupImage(mixup_epoch=-1) Resize(target_size=480, interp='CUBIC')
RandomDistort() Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])
RandomExpand(im_padding_value=[123.675, 116.28, 103.53])
RandomCrop()
RandomHorizontalFlip()
BatchRandomResize(target_sizes=[320, 352, 384, 416, 448, 480, 512, 544, 576, 608],interp='RANDOM')
Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225])

在加入了RandomHorizontalFlip、RandomDistort、RandomCrop、RandomExpand、BatchRandomResize、MixupImage这几种数据增强方法后，对模型的优化是有一定的积极作用了，在取消这些预处理后，模型性能会有一定的下降。

PS：建议在训练初期都加上这些预处理方法，到后期模型超参数以及相关结构确定最优之后，再进行数据方面的再优化: 比如数据清洗，数据预处理方法筛选等。