劉 坤，楊懷卿，楊 華，胡志偉，孟 珂

(1 山西農(nóng)業(yè)大學(xué) 信息科學(xué)與工程學(xué)院，山西 太谷 030801； 2 呂梁學(xué)院 城鄉(xiāng)規(guī)劃系，山西 呂梁 033001)

隨著生豬養(yǎng)殖規(guī)模的擴(kuò)大，養(yǎng)殖密度的不斷增加，生豬感染病患風(fēng)險(xiǎn)也大大增加，對群養(yǎng)生豬健康狀況監(jiān)測，直接關(guān)系到豬場的經(jīng)濟(jì)效益。豬只行為富含多種生物學(xué)信息，對其進(jìn)行精確快速檢測可有助于發(fā)現(xiàn)生豬異常行為，及時(shí)采取相應(yīng)措施，降低疾病發(fā)生率?；跈C(jī)器視覺的圖像分析技術(shù)可為群養(yǎng)生豬提供低成本、非接觸式的監(jiān)控方法。但生豬粘連、雜物遮擋等客觀因素給豬只個(gè)體研究帶來較大挑戰(zhàn)，對其進(jìn)行有效分割是實(shí)現(xiàn)群豬視覺跟蹤及監(jiān)測的關(guān)鍵步驟。

基于機(jī)器視覺的多種方法在生豬個(gè)體分割領(lǐng)域已取得較多研究成果。傳統(tǒng)分割方法主要分為靜態(tài)分割[1-2]與動態(tài)分割[3-4]兩大類。但其依賴于人工篩選的顏色、形狀、紋理等形態(tài)學(xué)特征，在真實(shí)養(yǎng)殖場景下，關(guān)照強(qiáng)度、雜物遮擋、生豬粘連等因素給高質(zhì)量圖像獲取帶來較大挑戰(zhàn)。而基于深度學(xué)習(xí)的卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional neural network，CNN)對圖像特征具有強(qiáng)大的表征能力[5-6]，其已在生豬姿態(tài)檢測[7-9]、目標(biāo)檢測[10-12]、目標(biāo)跟蹤[13-14]、行為識別[15-16]、個(gè)體計(jì)數(shù)[17]等領(lǐng)域取得較大進(jìn)展。在生豬目標(biāo)分割領(lǐng)域，基于CNN的全卷積網(wǎng)絡(luò)(Fully convolutional network，F(xiàn)CN)[18]通過反卷積層替代全連接層的方式，能有效保留圖像空間維度信息，實(shí)現(xiàn)對其像素級分割。楊阿慶等[19]以Visual geometry group 16(VGG16)[20]為基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，構(gòu)建深層抽象特征與淺層細(xì)節(jié)特征融合并執(zhí)行上采樣8倍跳躍式FCN結(jié)構(gòu)對哺乳母豬圖像進(jìn)行分割；Yang等[21]利用哺育行為的時(shí)空信息，通過FCN準(zhǔn)確分割母豬，并通過母豬的幾何特性和仔豬長度動態(tài)計(jì)算乳房區(qū)域，以自動識別哺育行為；Yang等[22]提出了一種將FCN和Ostu閾值相結(jié)合的分階段方法，從俯視圖上分割母豬圖像；Psota等[23]引入了一種新的數(shù)據(jù)集和方法，用于對群養(yǎng)環(huán)境的生豬個(gè)體進(jìn)行分割，并使用FCN檢測豬只的位置和方向；胡志偉等[24]基于VGG16與UNET[25]相結(jié)合的全卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對單只生豬個(gè)體進(jìn)行分割。但上述基于FCN的分割方法只能將生豬個(gè)體與環(huán)境信息有效分離，卻無法分割出同一類物體中的不同個(gè)體，不適用于分割群養(yǎng)豬中的粘連豬個(gè)體。實(shí)例分割主要用于分割同類物體中的不同個(gè)體，即可將同一張圖像中的生豬個(gè)體分離開來。由He等[26]提出的Mask R-CNN可用于對圖像進(jìn)行高精度實(shí)例級分割，并已在柑橘樹枝[27]、稻飛虱[28]等個(gè)體領(lǐng)域得到應(yīng)用，在生豬個(gè)體研究領(lǐng)域，李丹等[29]基于Mask R-CNN構(gòu)建豬只分割網(wǎng)絡(luò)模型，分別實(shí)現(xiàn)94%的分割準(zhǔn)確率與94.5%的爬跨行為識別準(zhǔn)確率；高云等[30]基于Mask R-CNN提出PigNet網(wǎng)絡(luò)對粘連生豬個(gè)體進(jìn)行實(shí)例級分割。但上述基于Mask R-CNN的方法只是將Mask R-CNN模型應(yīng)用于生豬研究領(lǐng)域，并未進(jìn)行實(shí)質(zhì)性模型結(jié)構(gòu)調(diào)整，而在生豬群養(yǎng)環(huán)境中，粘連生豬個(gè)體在豬體、豬鼻等細(xì)節(jié)部位存在差異性，若能使模型強(qiáng)化不同生豬區(qū)別性部位則可更好地提升分割邊緣精度。注意力機(jī)制的出現(xiàn)可有效解決該問題，其在處理信息時(shí)只關(guān)注部分利于實(shí)例分割的區(qū)域信息，抑制次要信息以提升模型效果，并已在開放領(lǐng)域的圖像分類[31]、圖像分割[32]、目標(biāo)檢測[33]等任務(wù)中得到較大應(yīng)用，因此探討將其應(yīng)用于豬舍場景下群養(yǎng)生豬實(shí)例分割成為可能。

基于此，本文提出一種基于深度卷積網(wǎng)絡(luò)的非接觸、低成本的群養(yǎng)生豬實(shí)例分割新方法，該方法結(jié)合不同骨干網(wǎng)絡(luò)特征提取結(jié)果與Mask R-CNN、Cascade mask R-CNN任務(wù)分割網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行端到端訓(xùn)練，將不同循環(huán)殘差注意力(Recurrent residual attention, RRA)模塊融入任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，在真實(shí)養(yǎng)殖場景下，能實(shí)現(xiàn)對深度分離、高度粘連、雜物遮擋等不同條件生豬個(gè)體高精度分割，以期為生豬身份識別與行為分析等提供模型支撐。

1 試驗(yàn)數(shù)據(jù)

1.1 樣本采集

數(shù)據(jù)采集自山西省汾陽市冀村鎮(zhèn)東宋家莊村與山西農(nóng)業(yè)大學(xué)實(shí)驗(yàn)動物管理中心，分別于2019年6月1日09:00—14:00(晴，光照強(qiáng)烈)與2019年10月13日 10:30—12:00(多云，光照偏弱)進(jìn)行2次采集。為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯Σ煌贩N生豬個(gè)體的分割性能，選取大白、長白以及杜克混養(yǎng)豬作為拍攝對象，2個(gè)豬場豬欄大小分別為3.5 m×2.5 m×1.0 m和4.0 m×2.7 m×1.0 m，每欄生豬數(shù)量3～8只不等，選取其中8欄日齡20～105 d的群養(yǎng)生豬共計(jì)45 頭作為試驗(yàn)對象。與傳統(tǒng)采用固定鏡頭俯視視角拍攝方式不同，采用平視方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集更能有效獲取到生豬的臉部、腿部等關(guān)鍵部位信息，這些部位更有利于生豬的精細(xì)分割，且此方式采集的數(shù)據(jù)更適用于移動端場景，為此本文采用鏡頭不固定的平視視角數(shù)據(jù)采集方式，采用佳能700D防抖動攝像頭進(jìn)行拍攝，鏡頭距離生豬個(gè)體0.3～3.0 m不等，采集到不同大小及個(gè)體粘連、豬欄遮擋等不同場景數(shù)據(jù)，共拍攝得到多段時(shí)長為35 s～64 min的視頻，每欄選取2段時(shí)長超過30 min的視頻作為真實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)源以保證數(shù)據(jù)的連續(xù)性，對視頻數(shù)據(jù)每隔25幀進(jìn)行切割處理，得到1 920×1 080分辨率大小圖片，為適應(yīng)模型輸入，對其按照寬高比2∶1進(jìn)行分辨率大小調(diào)整，對邊緣采用白色像素值進(jìn)行填充，最終分辨率大小調(diào)整為2 048×1 024，并采用LabelMe (http://labelme.csail.mit.edu/Release3.0/)進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)標(biāo)注。

1.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)預(yù)處理

對調(diào)整分辨率后的數(shù)據(jù)做如下預(yù)處理操作以獲得群養(yǎng)生豬實(shí)例分割數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)展示及其處理過程如圖1所示：

圖1 數(shù)據(jù)集展示及預(yù)處理Fig. 1 Dataset display and preprocessing

1)為減少模型運(yùn)算量，降低訓(xùn)練顯存占用率，對2 048×1 024圖片與標(biāo)注結(jié)果進(jìn)行整體放縮操作，共得到1 917張512×256分辨率大小圖片，如圖1b中①所示。

2)為豐富數(shù)據(jù)集，提升模型魯棒性，對步驟1)得到的圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)增強(qiáng)操作。僅執(zhí)行改變亮度、加入高斯噪聲2種增強(qiáng)操作，以50%的概率隨機(jī)執(zhí)行2種增強(qiáng)中的1～2種變換，每張圖片生成1張?jiān)鰪?qiáng)圖片，隨機(jī)改變亮度值在0.8～1.2之間，大于1表示調(diào)暗，小于1表示調(diào)亮，其過程如圖1b中②所示。

經(jīng)上述處理后共獲得標(biāo)注圖片3 834張，將其劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集與測試集，其中訓(xùn)練集2 490張，測試集864張，驗(yàn)證集480張。

2 生豬實(shí)例分割模型

2.1 Mask R-CNN與Cascade mask R-CNN任務(wù)模型

Mask R-CNN是在Faster R-CNN[34]基礎(chǔ)上改進(jìn)而來的，其由5部分構(gòu)成，分別是特征提取部件(又稱為骨干網(wǎng)絡(luò)，如ResNet[6]系列網(wǎng)絡(luò))、特征金字塔網(wǎng)絡(luò)(Feature pyramid network, FPN)、區(qū)域提交網(wǎng)絡(luò)(Region proposal network, RPN)、感興趣區(qū)域?qū)R層(Region of interest align, ROIAlign)以及功能型輸出，其模型結(jié)構(gòu)如圖2a所示，其中骨干網(wǎng)絡(luò)主要用于對輸入圖像進(jìn)行特征提?。籉PN用于對骨干網(wǎng)絡(luò)不同階段輸出的不同大小特征圖進(jìn)行金字塔信息融合，以實(shí)現(xiàn)對大小差異較大的目標(biāo)均能做到較好地分割；RPN[34]主要用于提取候選區(qū)域，其能提取出可能感興趣的信息但無法確定信息所屬的真正類別，RPN所提取的區(qū)域信息可用于對FPN特征圖信息進(jìn)行引導(dǎo)；采用ROIAlign對RPN所截取的不同大小特征圖進(jìn)行尺度歸一化，以作為后續(xù)功能型部件的輸入；功能型部件由對目標(biāo)個(gè)體進(jìn)行分類的全連接網(wǎng)絡(luò)以及對目標(biāo)個(gè)體進(jìn)行分割的全卷積網(wǎng)絡(luò)組成。

圖2 Mask R-CNN與Cascade mask R-CNN模型對比圖Fig. 2 Mask R-CNN and Cascade mask R-CNN model comparison chart

Cascade mask R-CNN網(wǎng)絡(luò)是由Cai等[35]提出，其是在Mask R-CNN基礎(chǔ)上改進(jìn)得到的，核心模型結(jié)構(gòu)如圖2b所示。與Mask R-CNN使用單一頭部網(wǎng)絡(luò)(即圖2a中的H1)進(jìn)行預(yù)測不同的是，Cascade mask R-CNN通過串行級聯(lián)多個(gè)頭部網(wǎng)絡(luò)以達(dá)到不斷優(yōu)化預(yù)測的目的(即圖2b中的H1、H2、H3)，前一個(gè)頭部網(wǎng)絡(luò)的輸出作為后一個(gè)頭部網(wǎng)絡(luò)的輸入，且不同頭部網(wǎng)絡(luò)采用不同大小交并比(Intersection over union，IOU)[36]閾值以確定預(yù)測結(jié)果中的正負(fù)樣本，位置越靠后的頭部網(wǎng)絡(luò)其采用的IOU閾值越大，如圖2b中①～③IOU閾值分別對應(yīng)為0.5、0.6與0.7。Cascade mask R-CNN由于采用多閾值頭部網(wǎng)絡(luò)的級聯(lián)結(jié)構(gòu)，級聯(lián)順序按照閾值由小到大排列，不斷修正目標(biāo)位置及其像素點(diǎn)區(qū)域，避免了傳統(tǒng)單一網(wǎng)絡(luò)因?yàn)殚撝翟O(shè)置誤差所帶來的性能損失問題。

2.2 循環(huán)殘差注意力模塊

常規(guī)卷積網(wǎng)絡(luò)在特征提取過程中，其低階提取特征語義信息欠缺，但目標(biāo)位置準(zhǔn)確，高階特征語義信息豐富，但目標(biāo)位置粗糙。FPN引入圖像金字塔思想，能夠考慮多種感受野信息，進(jìn)而提取不同尺度特征，對高低階特征進(jìn)行有效融合，針對尺度較大或者較小的目標(biāo)均有較強(qiáng)的識別效果，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3a所示，包括自底向上(Bottom-up)、自頂向下(Top-down)以及階段輸出(Stage-output)三大組件，對于Bottom-up組件，其實(shí)際為骨干網(wǎng)絡(luò)不同階段的輸出(如ResNet網(wǎng)絡(luò))，經(jīng)過每1次0.5倍(0.5×)下采樣操作后，特征圖分辨率大小降低一半，而對于Top-down組件，每經(jīng)過2倍(2×)上采樣操作后，特征圖大小增為原來的2倍，并將上述上采樣結(jié)果與對應(yīng)層級的Bottom-up組件進(jìn)行線性相加，得到相應(yīng)層級的Stage-output輸出。但傳統(tǒng)FPN結(jié)構(gòu)中不同尺度特征圖間僅通過簡單線性疊加的方式完成特征融合，忽視了不同層級分支間的非線性關(guān)聯(lián)關(guān)系，注意力機(jī)制可提升利于任務(wù)相關(guān)的區(qū)域部位權(quán)重，抑制次要信息，進(jìn)而提升模型效果，將其引入FPN結(jié)構(gòu)中的高低階特征融合中，勢必將改善模型分割結(jié)果，本文結(jié)合FPN與注意力思想，提出加入RRA模塊的FPN，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖3b所示，RRA模塊如圖3c所示。

RRA模塊由循環(huán)殘差簇(Recurrent residual cluster, RRC)和注意力組件塊(Attention component block, ACB) 2個(gè)部分構(gòu)成，分別如圖3c中①②所示。RRC簇中的詳細(xì)操作如圖3d所示，對于輸入特征，其通過執(zhí)行3×3大小卷積操作并將操作結(jié)果與輸入特征進(jìn)行殘差融合形成循環(huán)殘差模塊(Recurrent residual block, RRB)，進(jìn)而捕獲輸入特征的長距離依賴信息，為探究RRC內(nèi)部RRB塊數(shù)量對試驗(yàn)效果影響以尋找最適用于群養(yǎng)生豬實(shí)例分割的RRC簇，構(gòu)建包含有N個(gè)RRB塊的RRC簇記為 R RCN，其內(nèi)部為N個(gè)RRB塊經(jīng)過循環(huán)級聯(lián)方式堆疊以實(shí)現(xiàn)多重長距離信息獲?。籄CB塊用于對RRC簇獲取的高低階特征融合進(jìn)行注意力權(quán)重圖計(jì)算，其分別對高低階特征執(zhí)行1×1大小卷積操作并將各自操作結(jié)果進(jìn)行線性疊加，利用ReLU激活函數(shù)對疊加結(jié)果實(shí)現(xiàn)非線性化，此外，為進(jìn)一步改善融合效果以擴(kuò)大其注意力信息捕捉區(qū)域，對ReLU非線性操作后的結(jié)果拼接1×1大小卷積運(yùn)算，并使用Sigmoid激活函數(shù)對其運(yùn)算結(jié)果進(jìn)行歸一化以獲取注意力結(jié)果圖Att，并將Att與RRA模塊輸入的高低階特征進(jìn)行按位相乘操作，以對模塊輸入特征進(jìn)行深度篩選，兩大組件通過級聯(lián)方式組合可用于捕捉語義與目標(biāo)位置間的顯著性依賴關(guān)系。上述RRA操作過程如式(1)～式(7)所示。

圖3 傳統(tǒng)FPN與加入RRA模塊的FPN對比結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Comparative structure diagram of traditional FPN and FPN added with RRA module

式中，F(xiàn)h與Fl分別表示RRA模塊高階與低階特征輸入，分別對應(yīng)于FPN結(jié)構(gòu)中的同層Top-down與Bottom-up模塊，F(xiàn)h′與Fl′分別表示經(jīng)過2次RRC操作后高低階特征對應(yīng)的輸出，F(xiàn)h′′與Fl′′分別表示經(jīng)過RRA模塊輸入與經(jīng)過RRC簇處理后的輸出結(jié)果間的融合特征，C onvsize×size(I)表示對I(例如Fh′′)執(zhí)行卷積核大小為size×size(如1×1或者3×3)的卷積操作，其中I可以是任意特征圖，σ1與 σ2分別表示ReLU與Sigmoid激活函數(shù)，Att表示經(jīng)過ACB塊處理后獲取的注意力結(jié)果圖，將其與RRA模塊輸入進(jìn)行按位相乘得到最終RRA模塊輸出結(jié)果Output，F(xiàn)rrc表示RRC簇的特征輸入。

3 試驗(yàn)平臺參數(shù)及模型結(jié)果評價(jià)指標(biāo)

3.1 試驗(yàn)平臺參數(shù)

試驗(yàn)運(yùn)行平臺配置為16 GB Tesla V100 GPU，系統(tǒng)為Ubuntu16.04，采用PyTorch框架進(jìn)行模型代碼編寫。1個(gè)批次訓(xùn)練8張圖片，遍歷完全部訓(xùn)練集數(shù)據(jù)稱為1輪迭代，試驗(yàn)中設(shè)置迭代輪數(shù)為50。圖像分辨率大小為512×256，數(shù)據(jù)集增強(qiáng)前的大小為1 917，數(shù)據(jù)增強(qiáng)后總數(shù)據(jù)集大小為3 834，將其劃分為訓(xùn)練集、驗(yàn)證集和測試集，其中訓(xùn)練集大小為2 490，測試集大小為864，驗(yàn)證集大小為480。采用隨機(jī)梯度下降(Stochastic gradient descent, SGD)作為優(yōu)化器，優(yōu)化器基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率超參數(shù)設(shè)置為0.005～0.030(“4.3”節(jié)會針對不同學(xué)習(xí)率大小進(jìn)行對比試驗(yàn))，為加速模型收斂避免其陷入局部最優(yōu)解或者跳過最優(yōu)解，設(shè)置正則化權(quán)值衰減系數(shù)(Weight decay)為0.000 1，設(shè)置動量因子(Momentum)為0.9。在圖像輸入網(wǎng)絡(luò)前，對3個(gè)通道分別進(jìn)行歸一化處理，其均值分別為123.675、116.280和103.530，方差分別為58.395、57.120和57.375。模型訓(xùn)練中僅對符合閾值約束條件的目標(biāo)框內(nèi)部生豬個(gè)體進(jìn)行分割損失值計(jì)算，對于Mask R-CNN任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，IOU和Score閾值均設(shè)置為0.5，對于Cascade mask R-CNN任務(wù)網(wǎng)絡(luò)，參考自Cai等[35]關(guān)于Cascade R-CNN的論文，其3個(gè)級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)IOU閾值分別設(shè)置為0.5、0.6和0.7、Score閾值設(shè)置為0.5。模型測試中采用COCO(http://mscoco.org/)指標(biāo)進(jìn)行模型優(yōu)劣評價(jià)。

3.2 模型結(jié)果評價(jià)指標(biāo)

模型采用實(shí)例分割領(lǐng)域公認(rèn)的平均精度(Average precision，AP)作為評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以衡量模型對群養(yǎng)環(huán)境下生豬分割能力。AP為精確率－召回率曲線下方面積，其計(jì)算方法如式(8)～(10)所示。

式中，P表示精確率，R表示召回率，TP表示模型預(yù)測為生豬個(gè)體區(qū)域且實(shí)際為生豬個(gè)體區(qū)域的樣本數(shù)量，F(xiàn)P表示模型預(yù)測為生豬個(gè)體區(qū)域但實(shí)際不為生豬個(gè)體區(qū)域的樣本數(shù)，F(xiàn)N表示預(yù)測為雜質(zhì)背景區(qū)域但實(shí)際為生豬個(gè)體區(qū)域的樣本數(shù)量。

考慮到選用不同的IOU閾值直接影響TP與假陽值FP給AP指標(biāo)值帶來波動，與COCO指標(biāo)定義相同，選用 0.50、0.75、0.50～0.95(其中 0.50～0.95以0.05大小步長選取10個(gè)數(shù))3種IOU閾值分別記為AP0.50、AP0.75、AP0.50-0.95以衡量不同條件下模型分割預(yù)測情況。同時(shí)考慮到本文生豬數(shù)據(jù)通過移動攝像頭拍攝得到，攝像頭與生豬個(gè)體距離不一帶來生豬個(gè)體占圖像比重大小差異問題，將生豬大小分為小目標(biāo)(生豬個(gè)體所占區(qū)域面積≤322)、中等目標(biāo)(322＜生豬個(gè)體所占區(qū)域面積≤962)與大目標(biāo)(生豬個(gè)體所占區(qū)域面積＞962)，并在IOU值為0.50～0.95間單獨(dú)計(jì)算大目標(biāo)下的AP指標(biāo)值，記為AP0.50-0.95-large。

4 結(jié)果與分析

4.1 不同骨干網(wǎng)絡(luò)對任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的影響

骨干網(wǎng)絡(luò)作為多種任務(wù)模型的共享結(jié)構(gòu)，常被用于特征提取操作，為探究不同骨干網(wǎng)絡(luò)對不同任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的群養(yǎng)生豬實(shí)例分割性能影響情況，選取常見的ResNet[6]衍生版本(ResNet50和ResNet101)作為骨干網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行特征提取，將提取結(jié)果分別作為Mask R-CNN與Cascade mask R-CNN任務(wù)網(wǎng)絡(luò)輸入，并計(jì)算其在測試集上的各個(gè)分割A(yù)P指標(biāo)值(表1)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，相同骨干網(wǎng)絡(luò)對Mask RCNN與Cascade Mask R-CNN任務(wù)網(wǎng)絡(luò)群養(yǎng)生豬分割效果不一。以ResNet50作為骨干網(wǎng)絡(luò)，選用Mask R-CNN比Cascade mask R-CNN作為任務(wù)網(wǎng)絡(luò)在 AP0.50、AP0.75、AP0.50-0.95和 AP0.50-0.95-large指標(biāo)上分別提升4.3%、3.5%、2.2%和2.2%。而將ResNet101作為骨干網(wǎng)絡(luò)條件下，選用Cascade mask R-CNN 比 Mask R-CNN 在 AP0.50、AP0.75、AP0.50-0.95和AP0.50-0.95-large指標(biāo)上分別提升17.4%、29.4%、17.3%和18.0%。可知，在選用不同骨干網(wǎng)絡(luò)情況下，Mask R-CNN與Cascade mask R-CNN任務(wù)網(wǎng)絡(luò)的性能狀況呈現(xiàn)不同趨勢，雖從網(wǎng)絡(luò)自身結(jié)構(gòu)上Cascade mask R-CNN通過級聯(lián)多種IOU閾值輸出結(jié)果理論上可獲得更佳效果，但在骨干網(wǎng)絡(luò)較淺的情況下，其效果卻弱于Mask R-CNN。

表1 不同骨干網(wǎng)絡(luò)下不同任務(wù)網(wǎng)絡(luò)分割的平均精度(AP)1)Table 1 Average precision(AP) for different task networks under different backbone networks

在相同任務(wù)網(wǎng)絡(luò)條件下，選用ResNet50作為骨干網(wǎng)絡(luò)，其預(yù)測AP指標(biāo)值均優(yōu)于ResNet101。以Cascade mask R-CNN為例，選用ResNet50作為骨干網(wǎng)絡(luò)比ResNet101在各個(gè)AP指標(biāo)上提升0.8%～3.7%，ResNet50骨干網(wǎng)絡(luò)相較于ResNet101其深度更淺，理論上其特征提取能力弱于后者，但深層網(wǎng)絡(luò)可能會帶來梯度消失問題，導(dǎo)致反向傳播過程中無法將梯度有效傳回，且在本文群養(yǎng)生豬環(huán)境下，圖像中僅存在生豬個(gè)體單類別信息以及豬欄、雜物等可控信息，選用較淺的ResNet50網(wǎng)絡(luò)在一定程度上能夠提取到合理的圖像特征，此外，選用較淺的ResNet50，其模型體積較小，訓(xùn)練也更為省時(shí)。

4.2 加入不同RRA模塊對任務(wù)網(wǎng)絡(luò)分割的影響

4.2.1 不同RRA模塊對任務(wù)網(wǎng)絡(luò)分割A(yù)P值的影響 為了能對群養(yǎng)環(huán)境中粘連生豬個(gè)體的豬體、豬鼻等細(xì)節(jié)部位差異性特征進(jìn)行強(qiáng)化，以更好地提升分割邊緣精度，有效將粘連生豬個(gè)體分離，避免光照、雜質(zhì)等信息對分割效果的影響，本文構(gòu)建了包含不同RRB塊數(shù)的RRA循環(huán)殘差注意力模塊，將其嵌入Mask R-CNN與Cascade mask R-CNN兩大任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，并計(jì)算其在測試集上的分割A(yù)P指標(biāo)值。表2表示不同骨干網(wǎng)絡(luò)在引入不同數(shù)量循環(huán)殘差注意力模塊的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)上的分割A(yù)P指標(biāo)值，其試驗(yàn)環(huán)境中選取的學(xué)習(xí)率大小為0.02。

試驗(yàn)結(jié)果表明, 在相同骨干網(wǎng)絡(luò)條件下，加入RRA與未加入任何RRA模塊的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)相比，其一般能提升分割預(yù)測AP值，即使在加入1個(gè)RRA模塊后的部分試驗(yàn)?zāi)Ｐ拖鲁霈F(xiàn)輕微的AP值降低現(xiàn)象(如Mask R-CNN-ResNet50在加入1個(gè)RRA模塊后，其在AP0.50、AP0.75指標(biāo)上與未加入RRA模塊相比降低2.5%和0.8%)，但其仍能產(chǎn)生有競爭力的分割結(jié)果。加入2～4個(gè)RRA模塊的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，在相同骨干網(wǎng)絡(luò)條件下與未加入RRA模塊的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)相比，均能帶來大幅度的AP值提升，以ResNet101為骨干網(wǎng)絡(luò)、Cascade mask R-CNN為任務(wù)網(wǎng)絡(luò)為例，在加入2～4個(gè)RRA模塊后，與未加入RRA模塊相比，在AP0.50和AP0.75指標(biāo)上分別提升3.9%～5.1%和11.4%～13.0%，證明RRA模塊有利于群養(yǎng)環(huán)境下的生豬目標(biāo)分割，這是因?yàn)镽RA模塊在FPN中的高低階特性融合中引入注意力信息，對特征圖中的每一點(diǎn)施以權(quán)重以對特征圖信息進(jìn)行重校準(zhǔn)，有效激活諸如豬鼻、豬耳等利于分割的部位信息，抑制諸如豬糞、豬欄等雜質(zhì)信息，改善了生豬分割部位準(zhǔn)確性及分割邊緣完整性。

表2 引入不同循環(huán)殘差注意力(RRA)模塊任務(wù)網(wǎng)絡(luò)分割的平均精度(AP)1)Table 2 Average precision (AP) of task network segmentation with different recurrent residual attention (RRA) modules

在相同骨干網(wǎng)絡(luò)條件下，加入不同RRA模塊的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)其性能表現(xiàn)有較大差異。隨著添加RRA模塊中RRC簇中RRB塊數(shù)的增加，各個(gè)骨干網(wǎng)絡(luò)條件下的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)AP指標(biāo)值均出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象，且在骨干網(wǎng)絡(luò)固定時(shí)，加入2個(gè)RRA模塊的任務(wù)網(wǎng)絡(luò)均取得最佳AP值。以ResNet50作為骨干網(wǎng)絡(luò)為例，將2個(gè)RRA模塊加入Cascade mask R-CNN 任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中，其 AP0.50、AP0.75、AP0.50－0.95和AP0.75指標(biāo)值分別達(dá)到0.874、0.767、0.631和0.654，比加入4個(gè)RRA模塊在各個(gè)指標(biāo)上分別提升1.0%、2.2%、1.7%和1.5%，說明并非加入越深的RRA模塊對生豬的分割越有效，加入較淺的RRA模塊(如1個(gè)模塊)其循環(huán)殘差注意力信息并未完全捕獲所有有效豬體部位信息，而加入過深的RRA模塊極易使模型出現(xiàn)過擬合，因此在實(shí)際融合RRA模塊時(shí)以2～3層為宜。

4.2.2 不同RRA模塊對任務(wù)網(wǎng)絡(luò)分割結(jié)果可視化 為探究加入不同層級RRA模塊的Cascade mask RCNN與Mask R-CNN模型在測試集上的預(yù)測情況，選用ResNet50作為骨干網(wǎng)絡(luò)分別在2個(gè)任務(wù)網(wǎng)絡(luò)上對部分分割結(jié)果進(jìn)行可視化(圖4)。

圖4 加入不同循環(huán)殘差注意力(RRA)模塊的Cascade mask R-CNN與Mask R-CNN模型測試集預(yù)測結(jié)果可視化展示Fig. 4 Visual display of prediction results of Cascade mask R-CNN and Mask R-CNN model test sets with different recurrent residual attention(RRA) modules

如圖4所示，與未加入RRA模塊相比，Cascade mask R-CNN與Mask R-CNN模型在加入RRA模塊后一般(加入1個(gè)RRA模塊的例外)均能帶來預(yù)測效果的提升，尤其是加入2個(gè)RRA模塊，與相同條件下加入其他數(shù)量模塊的模型相比均能取得最佳的分割效果。此外，在加入相同模塊條件下，與Cascade mask R-CNN相比，Mask R-CNN分割邊緣更為精細(xì)、分割結(jié)果更為精確。對于偏離鏡頭的生豬個(gè)體，如編號①的個(gè)體，除Mask R-CNN-ResNet50+2個(gè)RRA模塊與Mask R-CNN-ResNet50+3個(gè)RRA模塊這2種模型外，其余模型均未能對其進(jìn)行分割，這可能是因?yàn)榫幪枹俚纳i個(gè)體距離鏡頭較遠(yuǎn)，其臉部區(qū)域未在鏡頭捕捉范圍內(nèi)，使得模型無法準(zhǔn)確判斷其是否屬于生豬個(gè)體部位。而對于編號⑥的個(gè)體，所有模型均未能對其進(jìn)行有效分割，這是因?yàn)榫幪枹匏幬恢霉饩€過于薄弱，同時(shí)其頭部位置處遮擋嚴(yán)重，即使肉眼觀看圖片對其是否是生豬個(gè)體也會存在誤判，在本文后續(xù)研究工作中將著重解決這種多復(fù)雜條件下不存在臉部區(qū)域、光線昏暗無法辨識等場景生豬實(shí)例分割準(zhǔn)確度提升問題。

4.3 不同場景下不同模型預(yù)測結(jié)果可視化

為進(jìn)一步探究在任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中加入不同層級RRA模塊的模型在不同場景下的魯棒性能，將生豬測試集分為深度分離、高度粘連、雜物遮擋3種場景，采用表現(xiàn)性能最佳的模型Mask R-CNNResNet50，可視化展示在加入不同RRA模塊后的分割效果如圖5所示。

從圖5中可知，3種場景下，加入2個(gè)RRA模塊的Mask R-CNN-ResNet50均能取得最佳的分割效果。對于深度分離場景中編號①的生豬個(gè)體，其因?yàn)榫嚯x鏡頭較遠(yuǎn)、豬舍光照條件較差，且被其他生豬個(gè)體部分遮擋，導(dǎo)致除加入2個(gè)RRA模塊的模型外其余模型均未能將其從群養(yǎng)環(huán)境中分離出來，但加入2個(gè)RRA模塊的模型仍能將其部分部位分割出來，這是因?yàn)楹线m層級的RRA模塊能對有效生豬部位給予一定關(guān)注度，提升豬體部位的分割權(quán)重，將其與非豬體部位信息進(jìn)行區(qū)別化對待，提升了分割的精準(zhǔn)度；對于加入2個(gè)與3個(gè)RRA模塊的模型在高度分離與雜物遮擋場景下的分割結(jié)果較為接近，但加入2個(gè)RRA模塊的模型分割邊緣更為圓潤，如雜物遮擋場景下編號為⑤的生豬個(gè)體，加入2個(gè)RRA模塊后的模型對豬耳分割部位更為精細(xì)完整?？紤]到上述不同場景中加入2個(gè)RRA模塊的Mask R-CNN-ResNet50模型能夠取得最好的分割性能，實(shí)際中可將其作為群養(yǎng)生豬分割的參考模型。

圖5 加入不同循環(huán)殘差注意力(RRA)模塊的Mask R-CNN-ResNet50模型對不同場景數(shù)據(jù)分割可視化展示Fig. 5 Visualization of the segmentation of different scene data using the Mask R-CNN-ResNet50 model added with different recurrent residual attention(RRA) modules

5 結(jié)論

本文在Mask R-CNN與Cascade mask RCNN兩大任務(wù)網(wǎng)絡(luò)中引入循環(huán)殘差注意力信息，研究不同骨干網(wǎng)絡(luò)對任務(wù)網(wǎng)絡(luò)、包含不同數(shù)量的循環(huán)殘差塊的注意力模塊對分割性能的影響，并對不同群養(yǎng)場景生豬分割結(jié)果進(jìn)行可視化展示，主要結(jié)論如下：

1)不同骨干網(wǎng)絡(luò)對Mask R-CNN與Cascade mask R-CNN等任務(wù)網(wǎng)絡(luò)生豬分割效果具有一定影響。選用ResNet50為骨干網(wǎng)絡(luò)，Mask R-CNN為任務(wù)網(wǎng)絡(luò)能夠取得最佳分割結(jié)果。

2)加入帶有不同數(shù)量循環(huán)殘差塊的RRA模塊對模型的提升幅度有所差異。加入2個(gè)RRA模塊后對各個(gè)任務(wù)模型的提升效果最為明顯，且隨著RRA內(nèi)部循環(huán)殘差塊數(shù)量的增加，任務(wù)模型各個(gè)預(yù)測分割A(yù)P指標(biāo)值均出現(xiàn)先增加后減小的現(xiàn)象，說明并非循環(huán)殘差塊數(shù)量越多，其對應(yīng)模型特征提取能力越強(qiáng)。

3)對比加入不同數(shù)量循環(huán)殘差塊的RRA模塊后的Mask R-CNN-ResNet50模型，其在深度分離、高度粘連、雜物遮擋等群養(yǎng)場景下預(yù)測可視化結(jié)果表明，加入2個(gè)RRA模塊后的分割效果最佳，加入1個(gè)RRA模塊的效果最差。