基于改进的YOLOv5的大坝表面病害检测算法

doi:10.11772/j.issn.1001-9081.2022081207

《计算机应用》唯一官方网站 ›› 2023, Vol. 43 ›› Issue (8): 2619-2629.DOI: 10.11772/j.issn.1001-9081.2022081207

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基于改进的YOLOv5的大坝表面病害检测算法

段升位¹, 程欣宇¹(), 王浩舟¹, 王飞²

^1.公共大数据国家重点实验室（贵州大学），贵阳 550025
^2.中国电建集团贵阳勘测设计研究院有限公司，贵阳 550081

收稿日期:2022-09-01 修回日期:2022-11-07 接受日期:2022-11-14 发布日期:2023-01-11 出版日期:2023-08-10
通讯作者: 程欣宇
作者简介:段升位（1996—），男，四川攀枝花人，硕士研究生，主要研究方向：计算机视觉、目标检测
王浩舟（1994—），男，贵州贵阳人，硕士研究生，主要研究方向：机器视觉
王飞（1982—），男，贵州贵阳人，工程师，主要研究方向：工程安全监测软件、自动化控制系统。
基金资助:
贵州省水利厅科研项目(KT202010)

Dam surface disease detection algorithm based on improved YOLOv5

Shengwei DUAN¹, Xinyu CHENG¹(), Haozhou WANG¹, Fei WANG²

^1.State Key Laboratory of Public Big Data （Guizhou University），Guiyang Guizhou 550025，China
^2.Power China Guiyang Engineering Corporation Limited，Guiyang Guizhou 550081，China

Received:2022-09-01 Revised:2022-11-07 Accepted:2022-11-14 Online:2023-01-11 Published:2023-08-10
Contact: Xinyu CHENG
About author:DUAN Shengwei， born in 1996， M. S. candidate. His research interests include computer vision， object detection.
WANG Haozhou， born in 1994， M. S. candidate. His research interests include computer vision.
WANG Fei， born in 1982， engineer. His research interests include engineering safety monitoring software， automation control system.
Supported by:
Research Project of Water Resource Department of Guizhou Province(KT202010)

摘要/Abstract

摘要：

针对当前水利大坝主要依靠人工现场巡视，运营成本高且效率低的问题，提出一种基于YOLOv5的改进检测算法。首先，采用改进的多尺度的视觉Transformer结构改进主干网络，并利用多尺度Transformer结构关联的多尺度全局信息和卷积神经网络（CNN）提取的局部信息来构建聚合特征，从而充分利用多尺度的语义信息和位置信息来提高网络的特征提取能力。然后，在网络的每个特征检测层前加入同位注意力机制，以在图像的高度和宽度方向分别进行特征编码，再用编码后的特征构建特征图上像素的长距离关联，从而增强网络在复杂环境中的目标定位能力。接着，改进了网络正负训练样本的采样算法，通过构建先验框与真实框的平均契合度和差异度筛选样本来辅助候选正样本与自身形状相近的先验框产生响应，以帮助网络更快、更好地收敛，从而提升网络的整体性能和网络泛化性。最后，针对应用需求对网络进行了轻量化，并通过对网络结构剪枝和结构重参数化优化网络结构。实验结果表明：在当前采用的大坝病害数据上，对比原始YOLOv5s算法，改进后的网络mAP@0.5提升了10.5个百分点，mAP@0.5：0.95提高了17.3个百分点；轻量化后的网络对比轻量化之前的网络的参数量和计算量分别降低了24%和13%，检测速度提升了42%，满足当前应用场景下病害检测精度和速度的要求。

关键词: 目标检测, 工程缺陷, YOLOv5, 多尺度视觉Transformer, 同位注意力机制, 大坝病害

Abstract:

For the current water conservancy dams mainly rely on manual on-site inspections， which have high operating costs and low efficiency， an improved detection algorithm based on YOLOv5 was proposed. Firstly， a modified multi-scale visual Transformer structure was used to improve the backbone， and the multi-scale global information associated with the multi-scale Transformer structure and the local information extracted by Convolutional Neural Network （CNN） were used to construct the aggregated features， thereby making full use of the multi-scale semantic information and location information to improve the feature extraction capability of the network. Then， coordinate attention mechanism was added in front of each feature detection layer of the network to encode features in the height and width directions of the image， and long-distance associations of pixels on the feature map were constructed by the encoded features to enhance the target localization ability of the network in complex environments. The sampling algorithm of the positive and negative training samples of the network was improved to help the candidate positive samples to respond to the prior frames of similar shape to themselves by constructing the average fit and difference between the prior frames and the ground-truth frames， so as to make the network converge faster and better， thus improving the overall performance of the network and the network generalization. Finally， the network structure was lightened for application requirements and was optimized by pruning the network structure and structural re-parameterization. Experimental results show that on the current adopted dam disease data， compared with the original YOLOv5s algorithm， the improved network has the mAP （mean Average Precision）@0.5 improved by 10.5 percentage points， the mAP@0.5：0.95 improved by 17.3 percentage points； compared to the network before lightening， the lightweight network has the number of parameters and the FLOPs（FLoating point Operations Per second） reduced by 24% and 13% respectively， and the detection speed improved by 42%， verifying that the network meets the requirements for precision and speed of disease detection in current application scenarios.

Key words: object detection, engineering defect, YOLOv5, multi-scale visual Transformer, coordinate attention mechanism, dam disease

中图分类号:

TP391.41

段升位, 程欣宇, 王浩舟, 王飞. 基于改进的YOLOv5的大坝表面病害检测算法[J]. 计算机应用, 2023, 43(8): 2619-2629.

Shengwei DUAN, Xinyu CHENG, Haozhou WANG, Fei WANG. Dam surface disease detection algorithm based on improved YOLOv5[J]. Journal of Computer Applications, 2023, 43(8): 2619-2629.

图/表 29

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类别	训练集	验证集	测试集	类别	训练集	验证集	测试集
seepage	1 473	491	491	crack01	1 344	448	448
crack00	1 496	498	498	crack02	1 391	464	464

类别	训练集	验证集	测试集	类别	训练集	验证集	测试集
seepage	1 473	491	491	crack01	1 344	448	448
crack00	1 496	498	498	crack02	1 391	464	464

模型	AP/%				mAP%
模型	seepage	crack00	crack01	crack02	mAP%
YOLOv5s	61.7	85.7	43.8	89.1	70.1
YOLO-MT-CA	71.9	86.4	54.9	98.9	78.3

模型	AP/%				mAP%
模型	seepage	crack00	crack01	crack02	mAP%
YOLOv5s	61.7	85.7	43.8	89.1	70.1
YOLO-MT-CA	71.9	86.4	54.9	98.9	78.3

模型	AP				mAP
模型	seepage	crack00	crack01	crack02	mAP
YOLO-MT-CA	71.9	86.4	54.9	98.9	78.3
BPSS	72.1	87.0	65.1	99.1	80.8

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Dam surface disease detection algorithm based on improved YOLOv5

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实验轮次	数据增强	MT	CA	BPSS	轻量化	模型大小/MB	计算量/GFLOPs	mAP/%	准确率/%	召回率/%	帧速率/（frame·s^-1）
1						14.4	15.9	64.3	67.9	62.7	43
2	√					14.4	15.9	70.1	74.5	69.8	43
3	√	√				17.6	16.6	74.9	78.7	73.7	38
4	√	√	√			17.9	16.7	78.3	79.4	74.4	38
5	√	√	√	√		17.9	16.7	80.8	81.0	75.9	38
6	√	√	√	√	√	13.6	14.5	80.6	80.5	75.8	54

序号	当前层的输入层	模块数量	参数量	模块名称	参数设置
0	-1	1	3 520	Conv	［3， 32， 6， 2， 2］
1	-1	1	20 736	Rep_Block	［32， 64， 3， 2］
2	-1	1	18 816	C3	［64， 64， 1］
3	-1	1	82 432	Rep_Block	［64， 128， 3， 2］
4	-1	1	74 560	MT_Block	［128， 128， 1］
5	-1	1	328 704	Rep_Block	［128， 256， 3， 2］
6	-1	1	296 576	MT_Block	［256， 256， 1］
7	-1	1	1 312 768	Rep_Block	［256， 512， 3， 2］
8	-1	1	1 182 976	MT_Block	［512， 512， 1］
9	-1	1	656 896	SPPF	［512， 512， 5］
10	-1	1	131 584	Conv	［512， 256， 1， 1］
11	-1	1	0	Upsampling	［None， 2， 'nearest'］
12	［1，6］	1	0	Concat	［1］
13	-1	1	361 984	C3	［512， 256， 1， False］
14	-1	1	33 024	Conv	［256， 128， 1， 1］
15	-1	1	0	Upsampling	［None， 2， 'nearest'］
16	［1， 4］	1	0	Concat	［1］
17	-1	1	90 880	C3	［256， 128， 1， False］
18	-1	1	6 448	CA_Block	128， 128， 8］
19	-1	1	147 712	Conv	［128， 128， 3， 2］
20	［1， 14］	1	0	Concat	［1］
21	-1	1	296 448	C3	［256， 256， 1， False］
22	-1	1	12 848	CA_Block	256， 256， 16］
23	-1	1	590 336	Conv	［256， 256， 3， 2］
24	［1， 10］	1	0	Concat	［1］
25	-1	1	1 182 720	C3	［512， 512， 1， False］
26	-1	1	25 648	CA_Block	［512，512，32］
27	［18，22，26］	1	24 273	Detect	［4，［［10，13，16，30，33，23］，［30，61，62，45，59，119］，［116，90，156，198，373，326］］，［128，256，512］］

无人机到坝面/坝顶的距离/m	每帧图像覆盖面积/%	查全率/%	准确率/%	F1-score
［10，20）	11	82.7	91.7	0.870
［20，30）	20	81.6	91.2	0.861
［30，40）	52	75.3	88.2	0.812
［40，50）	97	58.1	69.6	0.633

无人机到防浪墙等区域距离/m	每帧图像覆盖面积/%	查全率/%	准确率/%	F1-score
［5，10）	7	87.6	93.2	0.903
［10，15）	10	87.4	93.1	0.902
［15，20）	15	75.8	89.6	0.821
［20，25）	32	61.9	83.2	0.710

序号	模型	输入尺寸	mAP@0.5	mAP@0.5：0.95	模型大小/MB	计算量/GFLOPs	帧速率/（frame·s^-1）
1	Faster R-CNN	640×640	0.727	0.424	315.00	276.1	5
2	RetinaNet	640×640	0.739	0.453	277.20	220.0	26
3	Casecade-swinTransformer	640×640	0.772	0.499	219.00	267.0	12
4	SSD-Lite	640×640	0.713	0.404	6.30	7.6	63
5	EfficientDet	640×640	0.724	0.398	15.10	16.9	25
6	YOLOX-s	640×640	0.696	0.315	17.70	26.8	33
7	PPYOLOE-s	640×640	0.717	0.376	15.90	17.4	51
8	YOLOV6s	640×640	0.731	0.372	28.40	44.2	37
9	YOLOV7-tiny	640×640	0.718	0.353	12.10	13.9	61
10	YOLOv3-tiny	640×640	0.695	0.322	16.60	12.9	56
11	YOLOv5s-mobilenetv3^［34］	640×640	0.688	0.356	6.90	7.9	57
12	YOLOv5s-ghostnet^［35］	640×640	0.719	0.443	7.34	8.1	42
13	YOLOv5s-shufflenet^［36］	640×640	0.687	0.363	3.30	4.7	78
14	YOLOv5s-Transformer	640×640	0.741	0.446	15.60	17.6	40
15	YOLOv5s	640×640	0.701	0.328	14.40	16.6	43
16	YOLOv5s6	640×640	0.729	0.411	23.80	16.2	41
17	本文模型	640×640	0.806	0.501	13.60	14.5	54

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[2]	姜钧舰, 刘达维, 刘逸凡, 任酉贵, 赵志滨. 基于孪生网络的小样本目标检测算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(8): 2325-2329.
[3]	周静, 胡怡宇, 胡成玉, 王天江. 基于点云补全和多分辨Transformer的弱感知目标检测方法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(7): 2155-2165.
[4]	李忠雨, 孙浩东, 李娇. 轻量化篮球裁判手势识别算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(7): 2173-2181.
[5]	姬张建, 张明, 王子龙. 基于改进VarifocalNet的高精度目标检测算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(7): 2147-2154.
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[8]	吕宗喆, 徐慧, 杨骁, 王勇, 王唯鉴. 面向小目标的YOLOv5安全帽检测算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(6): 1943-1949.
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[12]	李海丰, 张凡, 朴敏楠, 王怀超, 李南莎, 桂仲成. 基于通道和空间注意力的机场道面地下目标自动检测[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(3): 930-935.
[13]	李佳东, 张丹普, 范亚琼, 杨剑锋. 基于改进YOLOv5的轻量级船舶目标检测算法[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(3): 923-929.
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[15]	汪鹏, 张大蔚, 陆正军, 李林昊. 基于可靠性低秩因子分解和泛化差异性差分的运动目标检测[J]. 《计算机应用》唯一官方网站, 2023, 43(2): 514-520.