0  引言

行人檢測是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)重要方向，在自動(dòng)駕駛、智能監(jiān)控和智能機(jī)器人等方面有著廣泛應(yīng)用。然而，環(huán)境的復(fù)雜性、行人姿態(tài)的多樣性和行人遮擋等因素，使得行人檢測極具挑戰(zhàn)性。

傳統(tǒng)的行人檢測方法主要以DALAL N和TRIGGS B等提出的梯度方向直方圖（Histogram of Oriented Gradient, HOG）和支持向量機(jī)（Support Vector Machine, SVM）結(jié)合的算法為代表^［1］，但這類方法基于手工設(shè)計(jì)特征，特征表達(dá)能力有限，難以適應(yīng)復(fù)雜的場景。近年來，隨著深度學(xué)習(xí)的快速發(fā)展，越來越多的研究者試著用該類方法去解決行人檢測問題。在文獻(xiàn)［2］中，SERMANET P等人首次將深度學(xué)習(xí)應(yīng)用于行人檢測，提出了基于卷積稀疏編碼的ConvNet模型。文獻(xiàn)［3］將特征提取、變形處理、遮擋處理和分類統(tǒng)一于一個(gè)深度學(xué)習(xí)框架JointDeep進(jìn)行聯(lián)合學(xué)習(xí)。文獻(xiàn)［4］和［5］將行人檢測與語義分割任務(wù)聯(lián)系起來，實(shí)現(xiàn)了行人檢測和語義分割的聯(lián)合優(yōu)化。而隨著目標(biāo)檢測技術(shù)的發(fā)展，涌現(xiàn)出了很多優(yōu)秀的目標(biāo)檢測框架，如R-CNN（Region-based Convolutional Neural Network）^［6］、Fast R-CNN^［7］和Faster R-CNN^［8］等。有些研究者致力于改進(jìn)通用的目標(biāo)檢測框架，使其適用于行人檢測。在文獻(xiàn)［9］中，作者將Fast R-CNN進(jìn)行改進(jìn)，提出了具有尺度感知的行人檢測模型，該模型分為大小兩個(gè)子網(wǎng)絡(luò)，分別檢測不同尺度的行人。文獻(xiàn)［10］將Faster R-CNN框架中的區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)（Region Proposal Network, RPN）與級(jí)聯(lián)的隨機(jī)森林分類器結(jié)合，達(dá)到當(dāng)時(shí)最好的檢測效果。

雖然基于深度學(xué)習(xí)的行人檢測取得了很多突破性的進(jìn)展，但對(duì)小尺度行人的檢測效果并不理想。這主要是由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的一系列卷積池化操作，使得小尺度行人的特征圖變得更小，分辨率低，信息丟失嚴(yán)重，導(dǎo)致檢測失敗。而在智能監(jiān)控和自動(dòng)駕駛等應(yīng)用場景，小尺度行人占了很大的比重，以車載攝像頭拍攝的Caltech^［11］數(shù)據(jù)集為例，高度在20~80像素的行人超過了總數(shù)的70%。所以小尺度行人的檢測非常重要。

本文在Faster R-CNN框架的基礎(chǔ)上，對(duì)RPN進(jìn)行了改進(jìn)，使其適用于行人檢測；并提出了一種多層次特征提取和融合方式，用來提高小尺度行人的檢測效果。

1  相關(guān)知識(shí)

1.1 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是受到貓的視覺皮層細(xì)胞工作機(jī)制的啟發(fā)而提出的^［12］。CNN一般由卷積層、池化層和全連接層組成。在卷積層中，下一層的神經(jīng)元只與上一層的部分神經(jīng)元相連接，同一特征相關(guān)的神經(jīng)元之間通過卷積核來共享權(quán)值。相比于全連接神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，CNN大大減少了參數(shù)的數(shù)量并且降低了過擬合的概率。而池化層相當(dāng)于對(duì)輸入圖像不同位置特征進(jìn)行聚合統(tǒng)計(jì)，能夠進(jìn)一步減少計(jì)算量，簡化模型。CNN在特征提取方面表現(xiàn)出了巨大的優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于圖像識(shí)別、目標(biāo)檢測和場景分割等領(lǐng)域，并取得了很多突破性的進(jìn)展。

1.2  Faster R-CNN目標(biāo)檢測框架

Faster R-CNN是最為經(jīng)典的基于候選區(qū)域的目標(biāo)檢測框架之一，它是R-CNN和Fast R-CNN框架的升級(jí)版?；诤蜻x區(qū)域的檢測方法一般包含三個(gè)部分：候選區(qū)域的選擇、特征提取和分類器分類。R-CNN用選擇性搜索（Selective Search）算法^［13］來生成候選區(qū)域，用CNN提取特征，SVM作為分類器來檢測目標(biāo)。可以看出R-CNN的訓(xùn)練是分階段的，步驟繁瑣，而且每個(gè)候選區(qū)域都要用CNN提取特征，導(dǎo)致重復(fù)計(jì)算。Fast R-CNN改進(jìn)了R-CNN框架，它將Selective Search算法產(chǎn)生的候選區(qū)域的坐標(biāo)映射到最后一層卷積層，然后用感興趣區(qū)域采樣層（Regions of Interest Pooling Layer, ROI-Pooling層）將這些區(qū)域分別下采樣為7×7的特征向量，再輸入后續(xù)的全連接層。Fast R-CNN將特征提取和分類器分類都用CNN來實(shí)現(xiàn)，而且加入了分類和邊框回歸的多任務(wù)學(xué)習(xí)機(jī)制，進(jìn)一步簡化了模型。在此基礎(chǔ)上，F(xiàn)aster R-CNN提出了RPN，用CNN來替代Selective Search生成候選區(qū)域，并且RPN和檢測網(wǎng)絡(luò)共享前端的卷積層。Faster R-CNN將候選區(qū)域的選擇、特征提取和分類器分類都統(tǒng)一到了一個(gè)深度學(xué)習(xí)框架，實(shí)現(xiàn)了端到端的快速目標(biāo)檢測。

通用目標(biāo)檢測和行人檢測之間有一定的關(guān)聯(lián)性，深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在目標(biāo)檢測任務(wù)中學(xué)習(xí)到的知識(shí)可以遷移到行人檢測。對(duì)經(jīng)典的訓(xùn)練充分的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行改進(jìn)和微調(diào)，使其適用于新的任務(wù)，是深度學(xué)習(xí)中常用的手段之一。本文以Faster R-CNN目標(biāo)檢測框架為基礎(chǔ)，根據(jù)行人檢測任務(wù)的特點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，提出了兼顧小尺度行人檢測的網(wǎng)絡(luò)SP-CNN（Convolutional Neural Network for Small-size Pedestrian）。

2  檢測方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文提出的SP-CNN的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1 所示，它包含兩個(gè)部分：行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)和檢測網(wǎng)絡(luò)。行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)是在對(duì)RPN進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上提出的。在檢測網(wǎng)絡(luò)部分，本文從不同的層提取不同層次的特征并進(jìn)行融合，提出了適用于行人檢測的ROI-Pooling方式。如圖1所示，conv1~conv5是VGG-16^［14］網(wǎng)絡(luò)的一部分，是行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)和檢測網(wǎng)絡(luò)的共享卷積層部分。行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)在RPN的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，可以生成不同大小的行人參照框，進(jìn)而生成候選區(qū)域。這些候選區(qū)域的坐標(biāo)再映射到卷積特征層，用來提取相應(yīng)位置的特征。SP-CNN將這些候選區(qū)域坐標(biāo)映射至conv3_3、conv4_3和conv5_3多個(gè)卷積層的特征圖上，用ROI-Pooling層將對(duì)應(yīng)位置的特征采樣為5×10（區(qū)別于Fast R-CNN的7×7）的特征圖。由于不同層的特征尺度不同，SP-CNN引入了L2范數(shù)歸一化層^［15］對(duì)其進(jìn)行歸一化，然后用連接層將不同層的特征進(jìn)行連接和融合。之后用1×1的卷積層將其轉(zhuǎn)化為512×5×10的格式輸入到后續(xù)的全連接層。由于SP-CNN是在Faster R-CNN的基礎(chǔ)上提出的，更多細(xì)節(jié)可參考文獻(xiàn)^［8］。

2.2 行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)

在RPN中，候選區(qū)域是根據(jù)“錨”（Anchor）機(jī)制提供的參照框生成的^［8］，參照框的設(shè)計(jì)對(duì)于候選區(qū)域的生成和后續(xù)的訓(xùn)練至關(guān)重要。在Faster R-CNN中，RPN能夠提供3種尺度（128, 256, 512）和3種寬高比（1:1, 1:2, 2:1）共9種大小的參照框。顯然，這些參照框并不適用于行人檢測任務(wù)，因?yàn)樾腥说某叨确植挤秶容^大而其寬高比較為固定。本文就是從這方面出發(fā)改進(jìn)了RPN，使其適用于行人檢測，改進(jìn)后的RPN稱為行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)。行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)將提供1種寬高比和12種尺度共12種大小的參照框。本文將寬高比設(shè)置為行人平均寬高比0.41^［11］。行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)提供12種尺度的參照框，但具體的尺度大小可根據(jù)數(shù)據(jù)集中行人高度分布來調(diào)整。本文在Caltech數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，而Caltech中行人高度主要分布在20~128像素之間，故本文設(shè)計(jì)的參照框的高度從25像素起，以1.25倍遞增，得到12種尺度的行人參考框。圖2展示了RPN提供的參照框和行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)提供的參照框，可以看出，行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)的參照框可以和行人進(jìn)行更好的對(duì)齊，進(jìn)而提供質(zhì)量更高的候選區(qū)域。

2.3  多層次特征融合

2.3.1 多層次特征的選擇

Faster R-CNN只從conv5_3卷積層提取候選區(qū)域特征，這對(duì)于小尺度行人來說，所提供的特征信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。為此，本文提出了多層次特征融合策略來豐富行人特征信息。低層特征分辨率高，對(duì)精準(zhǔn)定位有幫助，而高層特征包含豐富的語義信息，對(duì)目標(biāo)識(shí)別有幫助，將低層特征和高層特征相融合，有利于小尺度行人的檢測。但隨之而來的一個(gè)問題是選擇哪幾個(gè)層去進(jìn)行融合。在Fast R-CNN中，包含conv1~conv5共5個(gè)卷積部分，每個(gè)部分包含2~3個(gè)卷積層，并且同一部分的卷積層特征圖分辨率相同。考慮到在特征圖分辨率相同的情況下，越深層的特征其語義信息越豐富，故本文將conv2_2、conv3_3、conv4_3和conv5_3作為特征融合的候選層?？紤]到過多的底層信息可能會(huì)降低融合后特征的效果，本文將從conv3_3、conv4_3和conv5_3來提取特征進(jìn)行融合。

2.3.2 改進(jìn)的ROI-Pooling

確定了選擇哪些層的特征進(jìn)行融合后，下一步則是要從這些層提取特征。在Faster R-CNN中，映射在卷積層的不同大小的候選區(qū)域需要提取為同樣尺寸的特征才能輸入后續(xù)的全連接層。Faster R-CNN是通過7×7的ROI-Pooling來實(shí)現(xiàn)這一操作的。但7×7的ROI-Pooling并不適用于行人檢測任務(wù)，對(duì)于映射在conv5_3層的寬或高小于7的候選區(qū)域，它會(huì)直接拋棄，使得很多小尺度的行人得不到訓(xùn)練，進(jìn)而導(dǎo)致小尺度行人檢測效果不好。在SP-CNN中，結(jié)合行人的特點(diǎn)，改進(jìn)了ROI-Pooling方式，將映射在不同層特征圖上的候選區(qū)域分別下采樣為5×10的特征圖。改進(jìn)的ROI-Pooling的采樣機(jī)制為：對(duì)于輸入到ROI-Pooling層的特征圖，首先將其劃分為5×10個(gè)塊，然后對(duì)每個(gè)塊取最大值，得到ROI-Pooling之后的5×10的特征圖?？梢钥闯觯倪M(jìn)的ROI-Pooling充分考慮了行人的形狀和尺度等因素。

2.3.3 歸一化

在深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，來自不同層的特征圖往往具有不同大小的激活值，如果直接進(jìn)行特征融合，數(shù)值比較大的特征就會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，從而影響特征融合的效果。本文引入了L2范數(shù)歸一化層^［15］對(duì)不同層的特征進(jìn)行了歸一化，將其激活值的大小統(tǒng)一到一個(gè)數(shù)量級(jí)，從而在特征融合中獲得平等的地位。假設(shè)L2范數(shù)歸一化層的輸入為X，經(jīng)過L2范數(shù)歸一化層之后，輸出為  ，其中，m為縮放系數(shù)，為X的二范數(shù)。在SP-CNN中，從不同層經(jīng)過5×10的ROI-Pooling得到的特征圖首先要經(jīng)過L₂范數(shù)歸一化，然后用連接層將其連接聚合，再通過1×1的卷積進(jìn)行融合和通道調(diào)整，最后輸入到全連接層進(jìn)行分類。

3  實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

考慮到Caltech數(shù)據(jù)集中小尺度行人比較多，且環(huán)境比較復(fù)雜，具有挑戰(zhàn)性，故本文在Caltech上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

行人檢測算法一般用漏檢率（Miss Rate, MR）和平均每張圖片上錯(cuò)誤正例（False Positive Per Image, FPPI）的關(guān)系曲線來評(píng)估。本文用FPPI的對(duì)數(shù)在區(qū)間［10-2, 100］上時(shí)MR的對(duì)數(shù)平均值作為量化評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，簡稱為對(duì)數(shù)平均漏檢率（Log-average Miss Rate, LAMR）。本文先用文獻(xiàn)［11］提出的Reasonable 指標(biāo)來衡量算法的綜合性能，然后用行人高度在20~80像素的行人檢測結(jié)果來衡量算法對(duì)小尺度行人的檢測效果。Reasonable 指標(biāo)只考慮高度大于50像素且遮擋小于35%的行人。

3.1 行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)的作用

相比于RPN，行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)可以提供更適合行人的參照框，從而生成質(zhì)量更高的候選區(qū)域。表1顯示了在Reasonable 指標(biāo)下，行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)對(duì)檢測結(jié)果的影響。

3.2  不同層次特征融合的影響

多層次特征融合的一個(gè)首要問題就是選擇哪些層的特征進(jìn)行融合，表2顯示了SP-CNN不同層特征融合對(duì)行人檢測結(jié)果的影響，證明了SP-CNN網(wǎng)設(shè)計(jì)的合理性。

3.3  與其他行人檢測算法的比較

為了驗(yàn)證所提算法的有效性，本文將SP-CNN與一些具有代表性的行人檢測算法如HOG^［1］、ACF^［15］、SpatialPooling^［16］、JointDeep^［3］和Faster R-CNN等進(jìn)行了比較。實(shí)驗(yàn)分為Reasonable 指標(biāo)下的行人檢測和小尺度行人檢測兩個(gè)部分，它們分別用來評(píng)估算法的綜合性能和對(duì)小尺度行人的檢測效果。

3.3.1 在Reasonable 指標(biāo)下的比較

如圖3所示，在Reasonable 指標(biāo)下，SP-CNN取得了優(yōu)于其他算法的檢測效果。SP-CNN的對(duì)數(shù)平均漏檢率低至14.37%，表明SP-CNN的算法綜合性能很好。特別是與Faster R-CNN相比，SP-CNN的對(duì)數(shù)平均漏檢率降低了約10%，充分體現(xiàn)了本文對(duì)Faster R-CNN所做改進(jìn)的有效性。

3.3.2 小尺度行人檢測的比較

圖4為不同行人檢測算法在小尺度行人（高度在20~80像素）檢測上的結(jié)果比較。SP-CNN的對(duì)數(shù)平均漏檢率為48.52%，比Faster R-CNN低18.92%，而其他算法的對(duì)數(shù)平均漏檢率都超過了70%。由此可知，SP-CNN的結(jié)果遠(yuǎn)優(yōu)于其他方法，表明了SP-CNN在小尺度行人檢測方面的優(yōu)越性。

4  結(jié)論

本文將Faster R-CNN通用目標(biāo)檢測框架遷移到了行人檢測領(lǐng)域，在RPN的基礎(chǔ)上，提出了行人區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)為了進(jìn)一步提高小尺度行人檢測效果，提出了一種適合于行人檢測的特征提取和融合方式。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文的方法具有良好的綜合性能，并且在小尺度行人檢測上有明顯的優(yōu)勢。

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（收稿日期：2018-03-26）

作者簡介：

郭愛心（1991-），女，碩士研究生，主要研究方向：深度學(xué)習(xí)、行人檢測。

殷保群（1962-），男，博士，教授，主要研究方向：離散事件動(dòng)態(tài)系統(tǒng)、深度學(xué)習(xí)。

李運(yùn)（1993-），男，碩士研究生，主要研究方向：深度學(xué)習(xí)、網(wǎng)絡(luò)壓縮。