ECV 2021 冠军方案解读：渣土车识别方案

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作者丨胡可飞团队

编辑丨极市平台

极市导读

 

本文为获得渣土车识别冠军的胡可飞团队方案解读，团队选用了yolov5s网络来作为此次比赛任务的检测模型，最后优化的模型推理速度从9FPS最高到52FPS，已具备CPU上实时推理的能力。>>加入极市CV技术交流群，走在计算机视觉的最前沿

一、赛题回顾

本赛题希望基于计算机视觉技术可以实时监测到“黑车”，能及时、安全地管理渣土车，实现智能化管理，保证无“黑车”上岗，为创造智慧工地提供大力保障。  赛题目标是使用计算机视觉算法对图片中的渣土车的车牌进行识别，并且输出车牌的文字内容。观察样例数据推测图片主要采集自交通监控摄像头。

比赛的评价指标由F1 score和性能分FPS组成，这要求算法设计要兼顾精度和速度，算法的推理性能要具备实时性（>30FPS）。本赛题主要难点如下：

• 采集自交通摄像头的图片存在分辨率低，对比对低，环境光污染等问题。
• 部分渣土车严重脏污导致车牌难以分辨。
• 人工标注存在错标（车牌中不应出现的字符），漏标，标准不一等问题（如遮挡严重的车牌）。
• 实时性要求高。

二、算法设计

主要算法设计如下图所示：

1. 使用比赛数据标注训练检测模型，同时检测渣土车目标和车牌目标
2. 将车牌部分抠图训练OCR识别模型
3. 使用匈牙利算法对渣土车和车牌目标进行匹配
4. 对算法进行轻量化等优化

其中检测模型我们选用了yolov5s网络，该网络具有较好的精度和速度的trade-off，常用于落地部署项目中。该检测网络直接使用数据标注的渣土车和车牌类进行训练，同时检出两类目标。最终输出中并不需要输出车牌框bbox，所以此处输出的车牌bbox仅用于提取车牌内容。

由于最终推理设备是cpu，所以对模型的轻量化要求较高，未经优化的yolov5s的推理速度越10FPS+，很难达到实时推理，所以我们对yolov5s网络进行剪枝，方法参考了slim-yolov3，通过bn层缩放系数，对模型各层的通道数进行结构化剪枝。剪枝的原理和操作流程如下：

1. 稀疏化训练yolov5s
2. 由bn层scaling factor对通道数进行排序
3. 生成8倍数通道剪枝后模型结构config
4. 使用剪枝后模型重新训练

由于检测网络同时输出渣土车和车牌的bbox，丢失了两者的关联关系，所以我们使用匈牙利算法对两者进行匹配，获得每个渣土车目标对应的车牌bbox。匹配的cost使用的是IoF，即Intersection over foreground，车牌即为foreground。理论上，车牌对于其所在的渣土车的IoF应该为1，实际匹配中我们设置了一个更宽松的阈值0.8。主要处理流程如下：

• Conf过滤+NMS去除误检框
• 计算渣土车目标和车牌目标的iof代价矩阵
• 使用匈牙利算法得到与渣土车匹配的车牌
• 删除低质量匹配（iof < 0.8）

OCR部分我们使用了经典的CRNN网络，backbone等组成部分都选用了轻量化网络结构：

• MobilenetV3
• RNN
• CTC head

因为检测网络已经输出了车牌bbox，且车牌bbox基本等于车牌的文字区域，考虑到算法整体的实时性要求，我们未使用专门的文字区域检测网络，而是将检测网络输出的车牌bbox直接抠图送入OCR网络进行推理。OCR的训练数据来自于原数据中使用车牌bbox抠图得到的车牌图片patch，数据的准备流程如下：

1. Bbox jitter：对原来的bbox标注添加随机抖动，模拟检测网络的回归误差，提高泛化性，防止OCR网络过拟合。
2. Data Cleaning：根据我国车牌的文字排列规则，对标注错误的数据进行剔除等。
3. Data augment：通用的OCR数据增强，如旋转，HSV，模糊等。
4. Weighted batch sample：由于车牌文字分布不均，在数据集采样时对出现频率低的字符提高权重。

整体算法流程即上文所述方法，为了提高推理速度，我们的轻量化策略主要如下：

• Openvino转换
• 减小输入图片尺寸
• 检测模型yolov5剪枝
• 减小CRNN中间层通道数
• 前后处理性能优化

优化后模型的推理速度从9FPS最高到52FPS，已具备CPU上实时推理的能力。

消融实验的结果如下表：

三、总结

极市平台的比赛提供了免费算力，并对数据进行了加密，使比赛更加公平，选手可以将更多注意力放在算法设计和优化上。为了提高开发效率，减少bug的发生。在比赛初期，大家可以将样例数据下载下来，在本地的设备上完成主要流程的开发后，再复制到平台的开发环境中。

由于线上运行时触发代码bug，需要选手重新debug和排队，会严重影响开发效率，所以代码的debug十分重要，可以利用好logger功能，将主要信息写入日志。

由于比赛需要兼顾性能分，算法的轻量化工作十分重要，可以通过模型选型，剪枝，量化，模型复用等方法提高推理性能。

我们设计的算法兼顾了精度和速度，可以部署落地在边缘段设备中，但精度仍存在提升空间。

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