基于改進YOLOv5s的輕量級絕緣子缺失檢測

池小波，張偉杰，賈新春，續(xù)澤晉

（1.山西大學(xué) 自動化與軟件學(xué)院，山西 太原 030013；2.山西大學(xué) 數(shù)學(xué)科學(xué)學(xué)院，山西 太原 030006）

0 引言

絕緣子狀態(tài)檢測和安全防護對保障輸電線路的正常運行起著至關(guān)重要的作用。為了提高絕緣子的檢測效率，無人機巡檢已經(jīng)代替人工巡檢成為主流的巡檢方式。由于無人機采集到的圖片數(shù)量繁多且圖像中的背景復(fù)雜，絕緣子尺寸大小存在很大差異，如果采用人工判讀的方式極有可能出現(xiàn)誤檢和漏檢。因此，利用計算機視覺和圖像處理的技術(shù)進行絕緣子定位和故障檢測成為目前主要研究方向。Dalal N等［1］采用方向梯度直方圖（HOG）的方法提取目標(biāo)特征，然后利用提取到的特征訓(xùn)練圖像特征分類器；李衛(wèi)國等［2］，廖圣龍［3］，劉洋等［4］分別從絕緣子的紋理特征、顏色以及輪廓入手，采用邊緣計算的方法對絕緣子進行檢測；黃新波等［5］針對玻璃絕緣子在光照條件下顏色特征不明顯的問題，提出采用聯(lián)合分量灰度化算法來進行目標(biāo)增強。上述傳統(tǒng)檢測方法雖然可以識別絕緣子，但是其泛化性和魯棒性較差，識別準(zhǔn)確率也較低。

目前應(yīng)用廣泛的基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測模型主要分為兩大類：一類是基于回歸的一階段（one-stage）檢測方法，該類方法直接對圖像上的目標(biāo)進行預(yù)測和分類，不需要預(yù)先生成候選框，常見的one-stage 模型有SSD［6］以及YOLO 系列的改進模型，如YOLOv2［7］，YOLOv3［8］等；另一類是基于候選區(qū)域的兩階段（two-stage）檢測算法，首先通過算法生成一些候選框，進而對候選區(qū)域進行分類和位置修正，R-CNN［9］、Faster-RCNN［10］等是two-stage 的代表模型。Tao X 等［11］提出一種深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）級聯(lián)架構(gòu)，用于定位和檢測絕緣子缺陷；何寧輝等［12］采用改進的Faster-RCNN 網(wǎng)絡(luò)捕獲圖像中絕緣子和缺失部位。隨著YOLOv4［13］和YOLOv5 等方法的提出，不論是檢測精度還是速度，one-stage 均大幅度優(yōu)于two-stage。劉行謀等［14］提出一種基于K-means和YOLOV4 的復(fù)雜背景下絕緣子缺失檢測方法；王年濤等［15］利用GhostNet 模塊改進YOLOv5 主干網(wǎng)絡(luò)，提升了模型的檢測精度；田慶等［16］通過引入注意力模塊，提出基于SE-YOLOv5s的絕緣子檢測模型，顯著提升模型的準(zhǔn)確率和召回率。盡管上述文獻已經(jīng)取得了一些有價值的研究成果，但在實際應(yīng)用場景中，這類目標(biāo)檢測模型均存在參數(shù)量大、計算復(fù)雜度高、推理速度較慢等問題。針對這些問題以及考慮到航拍絕緣子圖像背景復(fù)雜、小目標(biāo)檢測困難等現(xiàn)狀，本文提出一種基于改進YOLOv5s 的輕量級絕緣子缺失檢測模型，實驗結(jié)果表明，所提模型對小目標(biāo)、遮擋目標(biāo)以及模糊等場景有著較強的魯棒性，且在保證近似檢測精度的同時極大減少了計算量。

1 YOLOv5s模型結(jié)構(gòu)

YOLOv5s 模型由輸入端（Input）、主干網(wǎng)絡(luò)（Backbone）、Neck 模塊、輸出端（Output）4 個部分組成。YOLOv5s 模型輸入端采用Mosaic 數(shù)據(jù)增強和自適應(yīng)圖片縮放等方法對圖像進行預(yù)處理。主干部分包括切片模塊（Focus）、卷積模塊（Conv）、C3 模塊和空間金字塔池化模塊（SPP）。其中，F(xiàn)ocus模塊是YOLOv5系列所特有的結(jié)構(gòu)，當(dāng)進行切片操作時，可確保下采樣不會丟失信息；SPP 模塊解決了卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對圖像特征重復(fù)提取的問題，提高了產(chǎn)生備選框的速度；C3模塊主要起到了精簡網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，減少計算量的作用。Neck模塊部分采用特征金字塔網(wǎng)絡(luò)（FPN）+路徑聚合網(wǎng)絡(luò)（PAN）的多尺度特征融合結(jié)構(gòu)，F(xiàn)PN 通過上采樣操作融合高層特征和底層特征信息；PAN則采用下采樣的方式傳達信息。

2 改進的YOLOv5s模型結(jié)構(gòu)

2.1 主干網(wǎng)絡(luò)輕量化

原始的YOLOv5s 模型各模塊的層數(shù)及參數(shù)量如表1 所示。其中C3 模塊通過引入1×1 的卷積核來降低整個模型的參數(shù)量。通過比較可知，主干網(wǎng)絡(luò)中C3模塊的層數(shù)較多且參數(shù)量大。為了降低網(wǎng)絡(luò)計算復(fù)雜度，同時考慮小目標(biāo)難以檢測以及有遮擋物、相似目標(biāo)干擾等問題，本文提出一種融合的輕量級絕緣子缺失檢測模型。

表1 各模塊層數(shù)及參數(shù)量Tab.1 Layers and parameters of each module

2.2 CBAM注意力機制

由于所采集的圖像存在分辨率和像素值較低以及目標(biāo)通道特征信息較少等問題，本文在Concat 模塊之后嵌入CBAM（Convolutional Block Attention Module）模塊［17］，使網(wǎng)絡(luò)能夠更好地關(guān)注絕緣子缺失部位的特征信息。CBAM 結(jié)合了空間（spatial）和通道（channel）的注意力機制，結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 CBAM整體結(jié)構(gòu)Fig.1 Overall structure of CBAM

CBAM的整體注意力過程表示如下

式中：將中間特征圖F∈RC×H×W作為輸入，CBAM依次輸出一維通道注意力圖MC∈RC×1×1和二維空間注意力圖MS∈R1×H×W；?表示逐元素相乘；C為特征圖通道數(shù)；H和W分別為特征圖的高度和寬度。如圖2 所示，通道注意力模塊MC(F)為

圖2 通道注意力模塊Fig.2 Channel attention module

圖3 空間注意力模塊Fig.3 Spatial attention module

式中：σ為sigmoid 函數(shù)；MLP（Multi-Layer Perceptron）表示多層感知器；AvgPool 和MaxPool 分別表示對特征圖進行平均池化和最大池化操作；分別為平均池化特征和最大池化特征；W0∈RC/r×C，W1∈RC×C/r為MLP的權(quán)重。

式中：σ為sigmoid 函數(shù)；f7×7為大小為7×7 的卷積運算。

2.3 雙向特征金字塔網(wǎng)絡(luò)多尺度特征融合

隨著檢測網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的不斷加深，特征逐漸由低層轉(zhuǎn)向高層。其中，低層特征由于分辨率較大，具有更強的位置信息，適合對目標(biāo)進行定位；高層特征由于感受野較大，具有更強的語義信息，適合對目標(biāo)進行分類。然而，在特征轉(zhuǎn)變過程中會造成低層特征信息的丟失，因此需要對不同尺度的特征進行融合，豐富特征的語義信息。不同特征融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖4 所示。其中，PAN 和FPN 均未考慮不同分辨率下特征的貢獻差異問題。因此，本文采用加權(quán)雙向特征金字塔網(wǎng)絡(luò)（WBiFPN）［18］構(gòu)造雙向通道，對特征進行跨尺度連接來實現(xiàn)加權(quán)融合。如圖4（c）中所示，對于同層級的原始輸入和輸出節(jié)點，WBiFPN 對兩者進行了連接，在增加極小計算量的情況下融合更多特征。

圖4 不同特征融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.4 Network structure of different feature fusion

由于不同的輸入特征分辨率不同，所以，對輸出特征的貢獻程度也不同。WBiFPN 為每個輸入特征賦予可學(xué)習(xí)的權(quán)重，令網(wǎng)絡(luò)可根據(jù)輸入特征的重要程度自主調(diào)整權(quán)重。

式中：ωi為可學(xué)習(xí)的權(quán)重，使用ReLU激活函數(shù)來保證ωi≥0；O為輸出特征；Ii為輸入特征；ε=0.000 1是一個很小的值，以保證數(shù)值的穩(wěn)定。以層級6為例，式（6）和式（7）描述了WBiFPN網(wǎng)絡(luò)的雙向跨尺度連接和加權(quán)特征融合的過程。

式中：Resize通常指上采樣或下采樣操作；為自上而下路徑第6層的中間特征；為由底向上路徑第6層的輸出特征；Pin和Pout分別為輸入和輸出特征。為了滿足輕量化的要求，本文使用Add融合模塊，在不增加參數(shù)量的情況下對特征進行跨尺度加權(quán)融合，保證所提取特征的完整性。

2.4 SIoU損失函數(shù)

傳統(tǒng)的目標(biāo)檢測損失函數(shù)僅考慮了真實框和預(yù)測框之間的距離、重疊區(qū)域和縱橫比這幾類指標(biāo)，未考慮預(yù)測框收斂時的方向特征。本文使用SIoU 損失函數(shù)，其由Angle cost，Distance cost，Shape cost，IoU cost 4 個Cost 函數(shù)組成。Angle cost 對損失函數(shù)的貢獻方案如圖5 所示，其中B為預(yù)測框，BGT為真實框，若收斂過程將優(yōu)先最小化α，否則最小化β。

圖5 Angle cost示意圖Fig.5 Schematic diagram of Angle cost

Angle cost表達式為

Distance cost對損失函數(shù)表達式為

式中：cw為預(yù)測框和真實框的水平距離；ch為預(yù)測框和真實框的豎直距離?？梢钥闯?，當(dāng)α→0時，Distance cost 的貢獻程度隨之變??；而當(dāng)時，貢獻程度則越來越大。

Shape cost表達式為

IoU cost表達式為

最后，回歸損失函數(shù)表達式為

總的損失函數(shù)表達式為

式中：Lcls為Focal loss；Wbox，Wcls分別為框和分類損失權(quán)重，可用遺傳算法進行選擇。圖6 為改進的YOLOv5s模型結(jié)構(gòu)圖。

圖6 改進的YOLOv5s模型結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Improved YOLOv5s model structure diagram

3 實驗結(jié)果與分析

3.1 數(shù)據(jù)集設(shè)置

本文所使用的數(shù)據(jù)集一部分來自于中國電力線絕緣子數(shù)據(jù)集（CPLID）［11］，另一部分利用背景融合、隨機旋轉(zhuǎn)、添加噪聲等數(shù)據(jù)增強的方式對數(shù)據(jù)集進行擴充。圖像中包含完整的絕緣子串以及有缺失部分的故障絕緣子。數(shù)據(jù)集共包含4 618 張圖片，訓(xùn)練集、測試集、驗證集按照8∶1∶1的比例劃分。

3.2 深度學(xué)習(xí)環(huán)境配置

本文所提方法是在pytorch框架上實現(xiàn)的。操作系統(tǒng)為Ubuntu，CPU 為24 核AMD EPYC 7642 48-Core Processor，內(nèi) 存80 G，GPU 為NVIDIA GeForce RTX 3090，顯存24 G。

3.3 參數(shù)設(shè)置

對輸入圖像進行Mosic 增強，增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)的多樣性，提高模型的泛化能力。初始學(xué)習(xí)率Ir0=0.001，采用余弦退火策略更新學(xué)習(xí)率，終止學(xué)習(xí)率Irf=0.2；優(yōu)化器選用SGD，動量momentum=0.937，避免網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)局部最優(yōu)解的情況；輸入圖像的尺寸、batch_size和訓(xùn)練輪數(shù)分別為640*640，16和300。

3.4 評價指標(biāo)

本文選用mAP@0.5 和mAP@0.5：0.95 作為模型檢測精度的評價指標(biāo)，mAP@0.5 為IOU=0.5 時的平均精度均值，mAP@0.5：0.95表示IOU 從0.5 到0.95，步長 為0.05 時mAP 的平均值。其中，IOU 為交并比，mAP綜合考慮了模型的精確率P（Precision）和召回率R（Recall）；使用浮點運算數(shù)（GFLOPS）作為模型計算量的評價指標(biāo)；使用參數(shù)量（Parameters）作為衡量模型大小的指標(biāo)；使用每秒處理圖像的數(shù)量（FPS）來評價模型的檢測速度。選用評價指標(biāo)計算公式為

式中：A為真實框；B為預(yù)測框；TP為正例被正確判斷為正例的數(shù)量；FP為負(fù)例被錯誤判斷為正例的數(shù)量；FN為正例被錯誤判斷為負(fù)例的數(shù)量；AP為P-R曲線所圍成的面積；mAP為各類別AP的平均值，mAP越高，表示模型的精確度越好。

3.5 消融實驗

為驗證本文所提 4 種改進策略的有效性，使用上述數(shù)據(jù)集進行消融實驗，分別測試每種改進以及混合使用的效果。消融實驗結(jié)果如表2 所示，其中表2 第 1 行為原始YOLOv5s的實驗結(jié)果。

表2 消融實驗結(jié)果Tab.2 Ablation experiment results

通過分析可知，去除C3模塊之后模型的浮點運算數(shù)是2.8 GFLOPS，僅為原始模型的17.2%，參數(shù)量為1.22 M，是原始模型的18.1%，精確度下降了約1.6%。實驗表明去除C3模塊可以有效減小模型的計算量和參數(shù)量，達到輕量化的目的，但是也帶來了一些精度上的損失。接下來在去除C3模塊的基礎(chǔ)上對檢測精度進行提升。由表2 可以看出，每一處改進之后模型的檢測精度都會有提高，且計算量與參數(shù)量沒有增大。綜合來看，當(dāng) 4 處改進同時進行時的效果最佳，精確度相較原始模型降低約0.8%，浮點運算數(shù)依然為2.8 GFLOPS。結(jié)果表明，計算量和參數(shù)量明顯降低，精確度損失極小，符合本文所提出輕量化檢測的目標(biāo)。

3.6 魯棒性檢測實驗

為了更直觀地展示所提模型的性能，本文選取了小目標(biāo)、遮擋目標(biāo)以及模糊 3 個特殊場景進行檢測，檢測結(jié)果如圖7 所示，左邊為原始YOLOv5s 檢測結(jié)果圖，右邊為改進后的YOLOv5s 檢測效果圖。由圖7（a）可以看出，原始YOLOv5s 漏檢了圖像上占比較小的絕緣子部分，改進后的模型可以順利檢測出小目標(biāo)；圖7（b）是在有遮擋物的場景中，原始YOLOv5s沒有檢測出桿塔遮擋下的絕緣子，由于本文引入WBiFPN 結(jié)構(gòu)，使得模型能夠在融合了不同層次語義信息的全局特征中進行學(xué)習(xí)，從而使模型在預(yù)測時能更好地區(qū)分背景和目標(biāo)，提高了在有遮擋物情況下目標(biāo)的識別率。因此，改進之后的模型可以很好地檢測出有遮擋物的絕緣子；圖7（c）中，原始YOLOv5s 誤將圖像右上角的一排樹木看作絕緣子，在存在相似目標(biāo)的場景中，本文所提YOLOv5s 模型能精確地識別絕緣子。實驗表明，原始YOLOv5s 模型在復(fù)雜多樣的檢測場景下出現(xiàn)了較多的漏檢以及誤檢的情況，而本文所提模型對此類特殊場景有很好的魯棒性，檢測效果明顯優(yōu)于原始YOLOv5s模型。

圖7 特殊場景檢測結(jié)果對比圖Fig.7 Comparison of detection results in special scenes

3.7 對比實驗

為了證明所提模型的優(yōu)越性，本節(jié)將從模型輕量化、注意力機制以及檢測性能 3 個角度設(shè)計對比實驗。首先，在主干網(wǎng)絡(luò)中分別對shuffle-NetV2，ghost，mobileNetV3 3 種輕量級模型進行對比，試驗結(jié)果如表3 所示。

表3 不同輕量化模型的性能對比Tab.3 Performance comparison of different lightweight models

由表3 可知，本文所提算法的精確度為96.8%，浮點運算數(shù)為2.8 GFLOPS，均優(yōu)于其他3種輕量級模型。實驗結(jié)果驗證了本文所提算法在保證較高目標(biāo)識別精確度的同時具有較低的計算量。其次，在改進YOLOv5s 模型中分別引入CBAM、CA（Coordinate Attention）、SE（Squeeze-and-Excitation）和ECA（Efficient Channel Attention）4 種注意力機制進行對比研究，具體結(jié)果如表4 所示。

表4 不同注意力機制下改進YOLOv5s模型的性能對比Tab.4 Performance comparison of improved YOLOv5s model under different attention mechanisms

分析數(shù)據(jù)可知，由于選用的都為輕量級注意力機制，因此，在浮點運算數(shù)和參數(shù)量方面差別較小。由于CBAM注意力機制可以同時關(guān)注到空間和通道信息，抓取重點特征，抑制一般特征，因此，融合了CBAM注意力機制的改進YOLOv5s模型的目標(biāo)識別精確度明顯優(yōu)于其他 3 種注意力機制。

為了進一步評估所提模型的有效性，使用上述數(shù)據(jù)集分別對YOLOv3，F(xiàn)aster-RCNN，SSD，YOLOv5s、改進的YOLOv5s進行對比實驗，結(jié)果如表5 所示。通過對比可以看出，本文模型因減少了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深度，檢測精度相較于原始YOLOv5s下降了0.8%，但仍高于YOLOv3和SSD等模型。在計算量、參數(shù)量和推理速度方面表現(xiàn)出極大的優(yōu)越性，實驗結(jié)果驗證了所提模型的有效性。

表5 與現(xiàn)有目標(biāo)檢測模型性能對比結(jié)果Tab.5 Performance comparison results with existing target detection models

4 結(jié)論

本文提出了一種基于改進的YOLOv5s 輕量級絕緣子缺失檢測模型。為了彌補主干網(wǎng)絡(luò)輕量化所帶來的精度損失，在Neck部分融合了輕量級CBAM 注意力模塊，并采用WBiFPN 機制有效提高了模型對重點信息的感知能力，最后利用SIoU損失函數(shù)提高模型的收斂速度。實驗結(jié)果表明，本文所提模型很好地解決了現(xiàn)有絕緣子故障檢測模型存在的計算量大、復(fù)雜度高以及對小目標(biāo)漏檢和誤檢的問題；在保證近似檢測精度的情況下，極大減小了計算量和復(fù)雜度，使得該模型更適用于實際工作場景。后續(xù)將針對因相機抖動而導(dǎo)致圖像模糊難以檢測的問題進行深入研究。