布匹缺陷检测比赛分析

1. 赛题背景

去年的广东工业大赛已入选到全球人工智能技术大赛热身赛，大赛聚焦布匹疵点智能检测，要求选手研究开发高效可靠的计算机视觉算法，提升布匹疵点检验的准确度，降低对大量人工的依赖，提升布样疵点质检的效果和效率。

比赛地址：https://tianchi.aliyun.com/competition/entrance/531864/introduction

2. 比赛要求

要求算法既要检测布匹是否包含疵点，又要给出疵点具体的位置和类别，既考察疵点检出能力、也考察疵点定位和分类能力。

3. 评估指标

赛题分数计算方式:0.2ACC+0.8mAP

ACC：是有瑕疵或无瑕疵的分类指标，考察瑕疵检出能力。

其中提交结果name字段中出现过的测试图片均认为有瑕疵，未出现的测试图片认为是无瑕疵。

mAP：参照PASCALVOC的评估标准计算瑕疵的mAP值。

4. 提交说明

平台采用了基于GPU计算资源的提交镜像的方式，将本地代码打包成镜像提交，推送至阿里云容器镜像仓库后，在天池提交页面中输入镜像地址、用户名和仓库密码。由比赛平台拉取镜像运行， 运行结束即可在成绩页面查询运行日志及评测结果。

比赛数据分析

1. 数据大小

数据大小 官方一共提供了9576张图片用于训练其中有瑕疵图片5913张，无瑕疵图片3663张 瑕疵类别共有34个类别，在最终提交结果上对一些相似类别进行了合并后，共分为15个瑕疵类别。图片尺寸：4096 * 1696。

2. 比赛难点

种类较多，且数据分布不均 缺陷形状具有极端的长宽比 图片尺寸较大，部分缺陷尺寸小，小目标问题。

快速实现比赛Baseline

完整代码已开源 或后台回复 缺陷检测 下载

开源地址：

https://github.com/datawhalechina/team-learning-cv/tree/master/DefectDetection

视频讲解：https://www.bilibili.com/video/BV1dK4y1Q7dc

1. 开源框架选择

任务分析

此次任务是布匹瑕疵检测，首先考虑的应该是目标检测框架。当前目标检测主要分为one-stage和two-stage两种类型，以YOLO,SSD等框架为代表的one-stage速度快,以Faster-RCNN为代表的two-stage框架精度高。基于本次任务时间有限制在1小时内，因此采用单阶段YOLOV5的方案

环境配置

# pip install -U -r requirements.txt#Output:Cythonnumpy==1.17opencv-pythontorch>=1.4matplotlibpillowtensorboardPyYAML>=5.3torchvisionscipytqdm

训练设置

$ python train.py --data coco.yaml --cfg yolov5s.yaml --weights '' --batch-size 64 yolov5m 40 yolov5l 24 yolov5x 16

测试设置

$ python detcet.py --source ./inference/images/ --weights yolov5s.pt --conf 0.4

2. 数据预处理

数据格式转换

代码详见convertTrainLabel.py ，部分代码及分析如下

#读取比赛数据标签文件 josn_path = "./train_data/guangdong1_round2_train2_20191004_Annotations/Annotations/anno_train.json" image_path = "./train_data/guangdong1_round2_train2_20191004_images/defect/"with open(josn_path, 'r') as f: temps = tqdm(json.loads(f.read()))for temp in temps: name = temp["name"].split('.')[0] path = os.path.join(image_path, name, temp["name"]) im = cv2.imread(path) sp = im.shape image_h, image_w = sp[0], sp[1] x_l, y_l, x_r, y_r = temp["bbox"]#获取标签对应的类别一共15种if temp["defect_name"]=="沾污": defect_name = '0'elif temp["defect_name"]=="错花": defect_name = '1' .......

#标注格式转换 江都区并存入列表 x_center = (x_l + x_r)/(2*image_w) y_center = (y_l + y_r)/(2*image_h) w = (x_r - x_l)/(image_w) h = (y_r - y_l)/(image_h) name_list.append(temp["name"]) c_list.append(defect_name) image_h_list.append(image_w) image_w_list.append(image_h) x_center_list.append(x_center) y_center_list.append(y_center) w_list.append(w) h_list.append(h) .....#读取列表 list 数据,并划分训练集和验证集index = list(set(name_list))print(len(index))for fold in [0]: val_index = index[len(index) * fold // 5:len(index) * (fold + 1) // 5] print(len(val_index))for num, name in enumerate(name_list): print(c_list[num], x_center_list[num], y_center_list[num], w_list[num], h_list[num]) row = [c_list[num], x_center_list[num], y_center_list[num], w_list[num], h_list[num]]if name in val_index: path2save = 'val/'else: path2save = 'train/'#数据写入 yolov5文件格式if not os.path.exists('convertor/fold{}/labels/'.format(fold) + path2save): os.makedirs('convertor/fold{}/labels/'.format(fold) + path2save)with open('convertor/fold{}/labels/'.format(fold) + path2save + name.split('.')[0] + ".txt", 'a+') as f:for data in row: f.write('{} '.format(data)) f.write('\n')if not os.path.exists('convertor/fold{}/images/{}'.format(fold, path2save)): os.makedirs('convertor/fold{}/images/{}'.format(fold, path2save)) sh.copy(os.path.join(image_path, name.split('.')[0], name),'convertor/fold{}/images/{}/{}'.format(fold, path2save, name))

3. 模型训练

数据路径设置：编辑一个数据路径文件夹yaml文件

例如：data/coco128.yaml

# train and val datasets (image directory or *.txt file with image paths)train: ./process_data/images/train/val: ./process_data/images/val/# number of classesnc: 15# class namesnames: ['1', '2', '3', '4', '5', '6', '7', '8', '9', '10', '11', '12','13', '14', '15']

模型文件选择：yolov5x.yaml, yolov5m.yaml, yolov5l.yaml yolov5s.yaml文件

可以选择合适的模型文件，从左到右精度下降，但是速率增大

nc: 15 # number of classesdepth_multiple: 1.33 # model depth multiplewidth_multiple: 1.25 # layer channel multipleanchors: - [116,90, 156,198, 373,326] # P5/32 - [30,61, 62,45, 59,119] # P4/16 - [10,13, 16,30, 33,23] # P3/8backbone:# [from, number, module, args] [[-1, 1, Focus, [64, 3]], # 0-P1/2 [-1, 1, Conv, [128, 3, 2]], # 1-P2/4 [-1, 3, BottleneckCSP, [128]], ...........

模型训练

$ python train.py --data coco.yaml --cfg yolov5s.yaml --weights '' --batch-size 64 yolov5m 40 yolov5l 24 yolov5x 16

4. 测试模型并生成结果

将detect.py的输出结果的格式修改成提交结果的格式

#将输出结果的格式变成比赛需要提交的格式，并存入list，方便后面写入result.json文件中if save_json: name = os.path.split(txt_path)[-1] print(name) x1, y1, x2, y2 = float(xyxy[0]), float(xyxy[1]), float(xyxy[2]), float(xyxy[3]) bbox = [x1, y1, x2, y2] img_name = name conf = float(conf)#add solution remove other result.append( {'name': img_name+'.jpg', 'category': int(cls+1), 'bbox': bbox,'score': conf}) print("result: ", {'name': img_name+'.jpg', 'category': int(cls+1), 'bbox': bbox,'score': conf})#写入result.json文件中if save_json:if not os.path.exists(save_dir): os.makedirs(save_dir)with open(os.path.join(save_dir, "result.json"), 'w') as fp: json.dump(result, fp, indent=4, ensure_ascii=False)

最后就是docker生成镜像，并提交镜像，至此就实现了比赛的Baseline了

改进思路

在实现比赛的Baseline后，可以说是完成了第一步，后面如果想要获取好的成绩就需要我们根据比赛的任务，比赛的难点。进行调整方案，修改网络，修改策略。

前面我们提到该布匹缺陷检测任务的难点主要有：

• 数据种类分布不均匀

• 缺陷具有极端的长宽比

• 小目标问题

1. 数据种类分布不均匀

解决思路：

• 过采样种类较少的样本

• 数据扩增：在训练方面，除了常规的数据增强之外，我们观察到原始的标注存在不准确的情况，为了使网络适应这种不确定性，我们在训练时随机对原始的标注框进行了抖动，是网络能够学习这种不确定性

2. 缺陷具有极端的长宽比

解决思路：

• anchor 设置：考虑到样本的长宽比差异较大，通过聚类分析可以发现，原始的anchor并不能满足当前任务的需要，通过增加anchor数目，提高检测性能。

• 可变形卷积：增强特征提取能力，提高检测性能 方法：在 backbone结构的最后一个block采用可变形卷积核 优点：可变形卷积能够计算每个点的偏移，从最合适的地方取特征进行卷积

3. 小目标问题

解决思路：

• 针对小目标的扩增方式：Copy-Pasted 也就是将小目标贴到图像中的任意位置并生成新的标注，并且粘贴的小目标可以进行随机变换（缩放，翻折，旋转等），这种方式通过增加每个图像中小目标的数量，匹配的 anchor 的数量也会随之增加，这进而提升了小目标在训练阶段对 loss 计算的贡献。

• 多尺度训练：多尺度训练（Multi Scale Training, MST）通常是指设置几种不同的图片输入尺度，训练时从多个尺度中随机选取一种尺度，将输入图片缩放到该尺度并送入网络中

• FPN 增加融合因子 Effective Fusion Factor in FPN for Tiny Object Detection

4.涨分Tricks

在实现对网络的改进后，我们可以使用一些比赛的涨分技巧

半监督学习

利用训练集训练好的模型预测测试集，将预测结果作为伪标签加入训练

测试增强

对检测图片进行翻折、旋转、色彩增强，然后分别对这些扩增图片进行预测，将多个预测结果进行融合

模型集成

多种模型进行预测，将一张图片的多个结果进行融合