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基于金字塔多尺度融合的交通标志检测算法

高涛 邢可 刘占文 陈婷 杨朝晨 李永会

高涛, 邢可, 刘占文, 陈婷, 杨朝晨, 李永会. 基于金字塔多尺度融合的交通标志检测算法[J]. 交通运输工程学报, 2022, 22(3): 210-224. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.03.017
引用本文: 高涛, 邢可, 刘占文, 陈婷, 杨朝晨, 李永会. 基于金字塔多尺度融合的交通标志检测算法[J]. 交通运输工程学报, 2022, 22(3): 210-224. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.03.017
GAO Tao, XING Ke, LIU Zhan-wen, CHEN Ting, YANG Zhao-chen, LI Yong-hui. Traffic sign detection algorithm based on pyramid multi-scale fusion[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2022, 22(3): 210-224. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.03.017
Citation: GAO Tao, XING Ke, LIU Zhan-wen, CHEN Ting, YANG Zhao-chen, LI Yong-hui. Traffic sign detection algorithm based on pyramid multi-scale fusion[J]. Journal of Traffic and Transportation Engineering, 2022, 22(3): 210-224. doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.03.017

基于金字塔多尺度融合的交通标志检测算法

doi: 10.19818/j.cnki.1671-1637.2022.03.017
基金项目: 

国家重点研发计划 2019YFE0108300

国家重点研发计划 2018YFB1600600

国家自然科学基金项目 52172379

国家自然科学基金项目 62001058

中央高校基本科研业务费专项资金项目 310833160212

中央高校基本科研业务费专项资金项目 300102242901

详细信息
    作者简介:

    高涛(1980-), 男,陕西西安人,长安大学教授,工学博士,从事智能交通系统研究

    通讯作者:

    陈婷(1982-),女,陕西西安人,长安大学副教授,工学博士

  • 中图分类号: U491.52

Traffic sign detection algorithm based on pyramid multi-scale fusion

Funds: 

National Key Research and Development Program of China 2019YFE0108300

National Key Research and Development Program of China 2018YFB1600600

National Natural Science Foundation of China 52172379

National Natural Science Foundation of China 62001058

Fundamental Research Funds for the Central Universities 310833160212

Fundamental Research Funds for the Central Universities 300102242901

More Information
  • 摘要: 为了解决传统交通标志检测算法针对小目标交通标志检测时存在误检与漏检的问题,提出了一个基于金字塔多尺度融合的交通标志检测算法;为了提高算法对交通标志的特征提取能力,引入ResNet残差结构搭建算法的主干网络,并增加网络浅层卷积层数,以提取较小尺度交通标志目标更准确的语义信息;基于特征金字塔结构的思想,在检测结构中引入4个不同预测尺度,增强深层和浅层特征融合;为了进一步提高算法检测精度,引入GIoU损失函数定位交通标志的锚点框,利用k-means算法对交通标志标签信息进行聚类分析并生成更精准的先验框;为了验证算法的泛化性与解决试验所用数据集TT100K的类间不平衡问题,增强与扩充了数据集。试验结果表明:本文算法的精确率、召回率与平均精度均值分别达到了86.7%、89.4%与87.9%,与传统目标检测算法相比有显著提高;多尺度融合检测机制、GIoU损失函数与k-means的引入能够不同程度提高算法的检测性能,使算法检测精确率分别提升4.7%、1.8%与1.2%;提出算法针对不同尺度交通标志检测时均有更优越的性能表现,在TT100K数据集中的(0, 32]、(32, 96]与(96, 400]尺度下的检测召回率分别达到90%、93%与88%;与YOLOv3相比,提出算法在不同天气、噪声与几何变换等干扰下均能实现对交通标志的正确定位与分类,证明了提出算法具有良好的鲁棒性与泛化性,适用于道路交通标志检测。

     

  • 图  1  ResNet的残差结构

    Figure  1.  Residual structure of ResNet

    图  2  FPN-TSD算法特征提取网络

    Figure  2.  Feature extraction network of FPN-TSD algorithm

    图  3  FPN-TSD算法检测网络结构

    Figure  3.  Predictive network structure of FPN-TSD algorithm

    图  4  k-means算法聚类过程

    Figure  4.  Clustering process of k-means algorithm

    图  5  FPN-TSD算法输出特征结构

    Figure  5.  Output characteristic structure of FPN-TSD algorithm

    图  6  预测框与真实框无重叠情况下IoU的表达

    Figure  6.  Expression of prior bounding box and anchor box without overlap under IoU

    图  7  预测框与真实框无重叠情况下GIoU的表达

    Figure  7.  Expression of prior bounding box and anchor box without overlap under GIoU

    图  8  FPN-TSD算法结构

    Figure  8.  Structure of FPN-TSD algorithm

    图  9  TT100K数据集中交通标志类别

    Figure  9.  Traffic sign categories in TT100K dataset

    图  10  不同TT100K数据集增强方法

    Figure  10.  Different enhancement methods of TT100K dataset

    图  11  FPN-TSD算法平均损失曲线

    Figure  11.  Average loss curve of FPN-TSD algorithm

    图  12  四种算法在TT100K三种尺度下的P-R曲线对比

    Figure  12.  P-R curves comparison of four algorithms tested under three scales on TT100K

    图  13  FPN-TSD与YOLOv3在原始数据集下检测结果对比

    Figure  13.  Comparison of detection results of FPN-TSD and YOLOv3 on original dataset

    图  14  FPN-TSD与YOLOv3在雾天条件下检测结果对比

    Figure  14.  Comparison of detection results of FPN-TSD and YOLOv3 under foggy weather condition

    图  15  FPN-TSD与YOLOv3在噪声条件下检测结果对比

    Figure  15.  Comparison of detection results of FPN-TSD and YOLOv3 under noisy condition

    图  16  FPN-TSD与YOLOv3在雨天条件下检测结果对比

    Figure  16.  Comparison of detection results of FPN-TSD and YOLOv3 under rainy weather condition

    图  17  FPN-TSD与YOLOv3在几何变换下的检测结果1对比

    Figure  17.  Comparison of detection results 1 of FPN-TSD and YOLOv3 under geometric transformation

    图  18  FPN-TSD与YOLOv3在几何变换下的检测结果2对比

    Figure  18.  Comparison of detection results 2 of FPN-TSD and YOLOv3 under geometric transformation

    表  1  各尺度特征图对应锚点框尺度

    Table  1.   Anchor box scales of each scale feature map

    特征图尺度 先验框尺度
    13×13 (3, 4)、(5, 5)、(5, 10)
    26×26 (6, 7)、(8, 9)、(11, 12)
    52×52 (12, 23)、(14, 15)、(19, 20)
    104×104 (25, 27)、(36, 38)、(62, 64)
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    表  2  试验所用交通标志

    Table  2.   Traffic signs utilized in experiment

    分类 标志
    警告类 wo、w13、w32、w55、w57、w59
    禁止类 pn、pne、pg、po、p3、p5、p6、p10、p11、p12、p19、p23、p26、p27、pr40、ph4、ph4.5、ph5、pm20、pm30、pm55
    指示类 io、ip、i2、i4、i5、il60、il80、il100
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    表  3  混淆矩阵

    Table  3.   Confusion matrix

    真实值 预测值 结果
    正例 正例 真正例
    正例 反例 假反例
    反例 正例 假正例
    反例 反例 真反例
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    表  4  三种尺度交通标志下四种算法检测结果

    Table  4.   Detection results of four algorithms under three scales of traffic signs

    算法 参数 (0, 32] (32, 96] (96, 400]
    YOLOv3[17] P 0.82 0.87 0.80
    R 0.83 0.90 0.84
    Faster R-CNN[9] P 0.72 0.69 0.76
    R 0.65 0.74 0.78
    Zhu等[10]的算法 P 0.80 0.88 0.84
    R 0.83 0.90 0.86
    本文算法 P 0.89 0.92 0.87
    R 0.90 0.93 0.88
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    表  5  四种算法检测实时性对比

    Table  5.   Detection speed comparison of four algorithms

    算法 Q/帧
    本文算法 14.3
    Faster R-CNN[9] 0.7
    YOLOv3[17] 14.7
    Zhu等[10]的算法 7.4
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    表  6  消融试验结果对比

    Table  6.   Comparison of ablation test results

    算法 P/% R/% $ {\bar B}$ /%
    1 81.1 84.3 83.6
    2 85.8 86.1 86.7
    3 82.9 84.6 84.8
    4 82.3 85.8 84.3
    5 86.7 89.4 87.9
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    表  7  算法准确率对比

    Table  7.   Accuracy comparison of algorithms

    算法 i2 i4 i5 il100 il60 il80 io ip p10 p11 p12 p19 p23 p26 p27
    Faster R-CNN[9] 0.44 0.46 0.45 0.41 0.57 0.62 0.41 0.39 0.45 0.38 0.60 0.59 0.65 0.50 0.79
    YOLOv3[17] 0.85 0.92 0.93 0.96 0.89 0.89 0.85 0.88 0.83 0.88 0.82 0.83 0.89 0.89 0.90
    Zhu等[10]的算法 0.72 0.83 0.92 1.00 0.91 0.93 0.76 0.87 0.78 0.89 0.88 0.53 0.87 0.82 0.78
    Liang等[11]的算法 0.90 0.92 0.94 0.93 0.98 0.94 0.86 0.90 0.89 0.90 0.94 0.75 0.93 0.89 0.98
    MSA_YOLOv3[22] 0.85 0.84 0.92 0.85 0.95 0.89 0.85 0.90 0.74 0.72 0.78 0.73 0.82 0.81 0.83
    Wu等[24]的算法 0.41 0.62 0.93 0.89 0.79 0.93 0.81 0.81 0.75 0.80 0.90 0.86 0.84 0.85 0.74
    本文算法 0.92 0.94 0.94 0.97 0.92 0.94 0.88 0.93 0.91 0.93 0.92 0.89 0.98 0.91 0.88
    算法 pl120 p5 p6 pg ph4 ph4.5 ph5 pl100 p3 pl20 pl30 pl40 pl5 pl50 pl60
    Faster R-CNN[9] 0.67 0.57 0.75 0.80 0.67 0.58 0.51 0.68 0.48 0.51 0.43 0.52 0.53 0.39 0.53
    YOLOv3[17] 0.92 0.91 0.83 0.87 0.75 0.75 0.58 0.94 0.79 0.77 0.83 0.91 0.84 0.88 0.82
    Zhu等[10]的算法 0.98 0.95 0.87 0.91 0.82 0.88 0.82 0.98 0.91 0.96 0.94 0.96 0.94 0.94 0.93
    Liang等[11]的算法 0.96 0.91 0.90 0.93 0.94 0.80 0.78 0.98 0.81 0.90 0.92 0.91 0.92 0.90 0.95
    MSA_YOLOv3[22] 0.80 0.77 0.72 0.92 0.82 0.83 0.63 0.88 0.81 0.75 0.74 0.74 0.78 0.72 0.76
    Wu等[24]的算法 0.93 0.92 0.82 0.94 0.64 0.92 0.76 0.89 0.86 0.76 0.68 0.90 0.86 0.83 0.91
    本文算法 0.98 0.96 0.95 0.93 0.87 0.90 0.87 0.95 0.93 0.93 0.96 0.97 0.94 0.96 0.97
    算法 pl70 pl80 pm20 pne pm55 pn pm30 po pr40 w13 w32 w55 w57 w59 wo
    Faster R-CNN[9] 0.81 0.52 0.61 0.47 0.61 0.37 0.61 0.37 0.75 0.33 0.54 0.39 0.48 0.39 0.37
    YOLOv3[17] 0.81 0.90 0.79 0.94 0.78 0.91 0.80 0.70 0.82 0.69 0.81 0.77 0.89 0.61 0.51
    Zhu等[10]的算法 0.95 0.95 0.91 0.93 0.60 0.92 0.81 0.84 0.76 0.65 0.89 0.86 0.95 0.75 0.52
    Liang等[11]的算法 0.98 0.92 0.98 0.97 0.86 0.90 0.97 0.81 0.79 0.90 0.91 0.89 0.90 0.68 0.50
    MSA_YOLOv3[22] 0.79 0.72 0.76 0.96 0.71 0.83 0.67 0.76 0.85 0.70 0.91 0.79 0.85 0.73 0.53
    Wu等[24]的算法 0.81 0.95 0.85 0.93 0.96 0.76 0.55 0.55 0.90 0.91 0.82 0.92 0.91 0.85 0.47
    本文算法 0.94 0.97 0.93 0.98 0.83 0.94 0.98 0.89 0.91 0.72 0.93 0.93 0.91 0.89 0.55
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  • 收稿日期:  2022-02-13
  • 刊出日期:  2022-06-25

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