2020年2月14日，這個本該充滿愛意的日子，因為這場已持續(xù)了一個多月的疫情，顯得有些失寵。在全民抗疫的目標(biāo)下，安全和健康成為大家的共同愿望。而AI在這個時期，更凸顯出優(yōu)勢，為這場沒有硝煙的戰(zhàn)役頻頻助攻。

從病毒基因檢測開放平臺，到AI熱感視覺行為監(jiān)控系統(tǒng)，到智能消毒洗地機(jī)器人，深蘭多維度防疫產(chǎn)品深入前線，為著大家的安全，為了最后的勝利全力以赴。

提到安全保障，計算機(jī)視覺作為人工智能的核心技術(shù)起到了至關(guān)重要的作用，除了特殊時期，在很多日常場景中也舉足輕重。比如，對建筑工地上安全帽佩戴情況的監(jiān)管。安全帽佩戴檢測對于提高在崗人員的安全意識、降低管理難度以及保障安全生產(chǎn)有著重要的意義。

2020年伊始，深蘭科技就在AI研習(xí)社主辦的安全帽佩戴檢測賽中小試牛刀，獲得了冠軍。作為國內(nèi)專注于AI技術(shù)發(fā)展的知名平臺，AI研習(xí)社主辦的此次比賽也是吸引了眾多專業(yè)機(jī)構(gòu)和人士的參與。下文將帶來競賽中技術(shù)細(xì)節(jié)的分享。

安全帽佩戴檢測

賽題介紹：

比賽主辦方提供了6057張圖片作為訓(xùn)練集，1514張圖片作為測試數(shù)據(jù)。圖片包括工地照片、某大學(xué)監(jiān)控視頻圖片、普通場景圖片。主辦方對訓(xùn)練集圖片中人員進(jìn)行標(biāo)注，佩戴安全帽的人員標(biāo)注為＂hat＂，未佩戴安全帽的人員標(biāo)注為＂person＂。比賽選手需要能夠正確給出測試圖片中佩戴安全帽人員及未佩戴安全帽人員的數(shù)量。

評測指標(biāo)：

對測試數(shù)據(jù)集的測試結(jié)果以csv格式進(jìn)行提交，csv第一列字段為測試圖片的ID，第二列字段為圖片中佩戴安全帽人員數(shù)量，第三列字段為圖片中沒有佩戴安全帽人員數(shù)量。根據(jù)提交結(jié)果的Score進(jìn)行排名。

其中True表示同時正確預(yù)測佩戴安全帽與沒有佩戴安全帽人員數(shù)量的圖片張數(shù)（因此該賽題如果想取得較好的成績，就必須同時解決誤檢與漏檢問題），Total表示測試圖片的總數(shù)。

題目特點以及常用方法

安全帽佩戴檢測屬于目標(biāo)檢測問題，針對目標(biāo)檢測問題現(xiàn)在的算法比較多，如以Faster RCNN為代表的二階段檢測網(wǎng)絡(luò)，及以YOLO v3為代表的單階段檢測網(wǎng)絡(luò)。同時由于本次比賽訓(xùn)練數(shù)據(jù)集都是針對人的頭部為標(biāo)注框進(jìn)行數(shù)據(jù)標(biāo)注（佩戴安全帽人員將人臉與安全帽共同標(biāo)注為“hat”，沒有佩戴安全帽的人員將頭部標(biāo)注為“person”），因此也可以考慮先使用人臉檢測算法對人臉進(jìn)行識別，然后將識別結(jié)果送入分類網(wǎng)絡(luò)，對佩戴安全帽的情況進(jìn)行分類。

由于本次比賽要求盡可能提高檢測的準(zhǔn)確率，對檢測速度沒有要求，因此針對本次比賽，采用了二階段的檢測網(wǎng)絡(luò)。

比賽數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)分析

本次比賽的訓(xùn)練數(shù)據(jù)集共6057張圖片，首先通過對比賽數(shù)據(jù)的分析，我們發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)有以下特點：

類別間數(shù)據(jù)分布不平衡：訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中hat的數(shù)量為7502，person的數(shù)量為87043，person與hat的比例達(dá)11：1。檢測框的長寬比基本分布在0．7－1．2之間。訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中單張圖片目標(biāo)總個數(shù)（person與hat的數(shù)量之和）不大于10的圖片，占訓(xùn)練集總量約64％，因此想要取得較好的成績，必須保證這部分?jǐn)?shù)據(jù)檢測的準(zhǔn)確率。此外圖片中只包含person的圖片數(shù)量為3449，占圖片總數(shù)量的57％，只包含hat的圖片數(shù)量為2253，占圖片總數(shù)的37．2％，圖片中僅含一個類別（只有person或只有hat）的數(shù)量占圖片總數(shù)的94．2％。

測試數(shù)據(jù)集無標(biāo)注信息，根據(jù)對測試圖片數(shù)據(jù)的觀察分析，測試數(shù)據(jù)集person與hat的分布與訓(xùn)練數(shù)據(jù)集相似。

訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的標(biāo)注如下圖所示，其中綠色矩形框是對佩戴安全帽人員的標(biāo)注，紅色矩形框是對沒有佩戴安全帽人員的標(biāo)注。

實驗中使用的數(shù)據(jù)增強方法

通過對實驗圖片的分析，發(fā)現(xiàn)圖片中包含很多密集的教室場景及人員之間的遮擋情況，因此在正式訓(xùn)練模型之前，進(jìn)行數(shù)據(jù)增強對結(jié)果的影響實驗。所使用的數(shù)據(jù)增強方法如下：

（1）隨機(jī)換通道：該方法主要是為了解決部分顏色安全帽在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中數(shù)量較少，從而引起對該顏色安全帽的漏檢問題。對圖片進(jìn)行隨機(jī)換通道的增強方法如下圖所示，其中左側(cè)為原圖，右側(cè)為隨機(jī)換通道后的結(jié)果。

（2）增強圖片亮度：該數(shù)據(jù)增強方法目的是增強模型對亮度較高或者較低的圖片檢測的泛化能力。對圖片亮度進(jìn)行改變的數(shù)據(jù)增強方法結(jié)果如下圖所示，左側(cè)為原始圖片，右側(cè)是亮度增強后的結(jié)果。

（3）增強圖片的對比度：該數(shù)據(jù)增強方法的目的使目標(biāo)的特征更加清晰。增強圖片對比度的結(jié)果如下圖所示，其中左側(cè)為原圖，右側(cè)是增強對比度之后的結(jié)果。

（4）改變圖片的色調(diào)：對圖片色調(diào)的改變?nèi)缦聢D所示，左側(cè)為原圖，右側(cè)為色調(diào)改變后的結(jié)果。

使用以ResNet－50為backbone的Faster RCNN作為baseline，分別使用以上數(shù)據(jù)增強方法，實驗結(jié)果如下表所示。

實驗?zāi)Ｐ?/strong>

我們的實驗是以ResNet－50作為backbone的Faster RCNN模型為baseline進(jìn)行的，在Faster RCNN網(wǎng)絡(luò)模型的基礎(chǔ)上，使用了更大的基座網(wǎng)絡(luò)、增加可變性卷積，并使用cbnet結(jié)構(gòu)。Faster RCNN網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下圖所示。

同時為了提升模型效果，我們嘗試了增加級聯(lián)結(jié)構(gòu)與使用更大的backbone等方法，同時使用了CBNet網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如下圖所示。下圖是一個三個backbone的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖，考慮到顯存與訓(xùn)練時間成本，本次比賽，我們采用的是雙backbone的CBNet結(jié)構(gòu)。

結(jié)果如下表所示（以下結(jié)果都是在mmdet預(yù)訓(xùn)練模型的基礎(chǔ)上finetune，并且在模型訓(xùn)練的過程中都使用了隨機(jī)換通道的數(shù)據(jù)增強方法）：

模型融合

模型融合是算法大賽中常用的提高模型精度方法，有些比賽在競爭激烈的后期用了幾十甚至上百模型。我們最終選擇了單模型得分較高的Cascade RCNN＋ResNeXt－101＋DCN＋CBNet結(jié)構(gòu)，并在該結(jié)果做為預(yù)訓(xùn)練模型的基礎(chǔ)上，又使用增強圖片亮度的方法，繼續(xù)訓(xùn)練出一個模型，我們記為Cascade RCNN＋ResNeXt－101＋DCN＋CBNet＋gamma。在對這兩個模型結(jié)果可視化時，發(fā)現(xiàn)在教室場景上存在部分漏檢情況，因此，針對數(shù)據(jù)集中的教室圖片重新訓(xùn)練出一個模型，記為classroom＿only。對以上三個模型進(jìn)行模型融合，最終得到64．7952的得分，拿下安全帽佩戴檢測賽的冠軍。

模型效果

（1）常見場景模型效果

（2）密集小目標(biāo)、目標(biāo)重疊場景模型效果

（3）面部遮擋場景模型效果

（4）光線較差場景模型效果

應(yīng)用場景

按照規(guī)定，正確佩戴安全帽對于安全生產(chǎn)有著重要的意義，但是傳統(tǒng)的安全帽佩戴檢查需要耗費極大的人力與物力，在實際檢查過程中存在諸多不便。使用深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型檢測安全帽的佩戴情況，可以彌補傳統(tǒng)方法的不足。具體的應(yīng)用場景包括：

（1）門禁系統(tǒng)：在高危區(qū)域部署安全帽佩戴檢測與門禁聯(lián)動系統(tǒng)，確保工作人員必須佩戴安全帽才能打開門禁進(jìn)入防護(hù)區(qū)工作；該應(yīng)用可以應(yīng)用在工地入口、一線生產(chǎn)車間門口等處，門禁系統(tǒng)識別工作人員的身份，安全帽佩戴檢測系統(tǒng)在身份確認(rèn)之后進(jìn)行檢測識別，確保正確佩戴安全帽的相關(guān)工作人員才可以進(jìn)入高危作業(yè)區(qū)。

（2）高危工作區(qū)域安全生產(chǎn)：在高危工作區(qū)域內(nèi)部署安全帽佩戴檢測系統(tǒng)，通過監(jiān)控畫面實時監(jiān)測在崗人員安全帽佩戴情況，若未按規(guī)定佩戴安全帽，則輸出報警信息，自動保存工作人員未按規(guī)定佩戴安全帽的截圖作為憑證，并通知后臺監(jiān)控人員。該應(yīng)用可以通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實時監(jiān)測高危工作區(qū)域工作人員的安全帽佩戴情況，既能確保安全生產(chǎn)的平穩(wěn)進(jìn)行，又可以降低監(jiān)管難度和管理成本。

（3）智慧工地：將安全帽檢測系統(tǒng)與高空墜落物檢測、工作人員疲勞程度檢測系統(tǒng)結(jié)合起來，打造智慧工地，及時對潛在的危險進(jìn)行預(yù)警，通知相關(guān)人員采取措施，從而及時阻斷人身傷害事故，確保安全生產(chǎn)。

總結(jié)

安全生產(chǎn)是社會發(fā)展永恒的主題，然而傳統(tǒng)的安全生產(chǎn)監(jiān)督方法存在監(jiān)控盲區(qū)大、監(jiān)督效率低、外包人員管理困難等缺點。而深度學(xué)習(xí)的發(fā)展，為安全生產(chǎn)帶來新的解決思路。

安全帽佩戴檢測作為安全生產(chǎn)的一項重要檢測項目，是搭建智慧廠區(qū)、智慧工地的一項重要工作，同時安全帽佩戴檢測問題又是一項目標(biāo)檢測任務(wù)，網(wǎng)絡(luò)模型可擴(kuò)展性強，可以根據(jù)不同需求，同時完成明火檢測、工作區(qū)誤入報警、工作區(qū)車輛識別等多項任務(wù)，搭建一套完整的智能檢測系統(tǒng)。