導(dǎo)讀

本文為ECV2023大賽儀表盤讀數(shù)識別德國冠軍方案解讀，包含了對賽題的分析和模型選取構(gòu)建的思考過程。

賽題任務(wù)

1、儀表識別

對于預(yù)測儀表框與真實儀表框，計算f1-score，IoU使用0.7，此部分成績記為score1

2、刻度點(diǎn)識別

對于預(yù)測關(guān)鍵點(diǎn)與真實關(guān)鍵點(diǎn)，計算RMSE，此部分成績記為score2

3、OCR識別

對于預(yù)測的數(shù)值框，計算f1-score，IoU使用0.5，此部分成績記為score3

4、讀數(shù)識別

計算每個儀表的讀數(shù)得分，并對所有儀表的得分求平均值，此部分成績記為 score4

將上述4點(diǎn)得到4項成績進(jìn)行加權(quán)，最終得分：

加權(quán)的權(quán)重為配置參數(shù)，默認(rèn)值為:

weight_1 = 0.1

weight_2 = 0.25

weight_3 = 0.25

weight_4 = 0.4

賽題分析

本次任務(wù)的儀表數(shù)據(jù)集存在以下難點(diǎn)：

1、儀表刻度存在遮擋、模糊等問題，影響OCR識別

2、儀表圖像存在旋轉(zhuǎn)、傾斜問題，影響讀數(shù)測量

算法設(shè)計

算法分為4個流程，首先用yolov5s模型從原圖中識別出儀，接著用yolov8x-pose模型檢測出儀表中的刻度線、指針的關(guān)鍵點(diǎn)，再用DBNetpp模型檢測出數(shù)值框并用SATRN模型進(jìn)行文本識別，最后后處理得到讀數(shù)結(jié)果。

（1）基于YOLOv5s的儀表檢測

選型理由

Yolov5s網(wǎng)絡(luò)小，速度快。雖然AP精度低，但檢測的是儀表這種大目標(biāo)是完全夠用的。我們采用極市官方提供的yolov5s訓(xùn)練套件進(jìn)行訓(xùn)練，上手簡單，且儀表識別準(zhǔn)確率達(dá)到了99.7%,效果滿足實際需求。

（2）基于YOLOv8x-pose的指針和刻度關(guān)鍵點(diǎn)檢測

選型理由

YOLOv8是YOLOv5團(tuán)隊ultralytics在今年開源的SOTA模型，引入了新的改進(jìn)，進(jìn)一步提升了性能和靈活性。YOLOv8 設(shè)計快速、準(zhǔn)確且易于使用，使其成為目標(biāo)檢測、實例分割、圖像分類和姿態(tài)估計任務(wù)的絕佳選擇。

yolo-pose是估計人體姿態(tài)的一個模型，它將人體姿態(tài)分為17個關(guān)鍵點(diǎn)。

為了盡可能地提高關(guān)鍵點(diǎn)檢測精度，我們使用了規(guī)模最大的YOLOv8x-pose模型。

指針關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)集制作

我們將指針的兩個點(diǎn)作為其關(guān)鍵點(diǎn)，由這兩個點(diǎn)組成的矩形框作為目標(biāo)檢測框，如果兩個點(diǎn)組成的矩形框太窄，進(jìn)行適當(dāng)延伸。

刻度關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)集制作

由于每個儀表的數(shù)值框個數(shù)不同，我們將每個數(shù)值框視為同一個類別進(jìn)行目標(biāo)檢測，每個數(shù)值框攜帶對應(yīng)的刻度點(diǎn)作為其關(guān)鍵點(diǎn)。

我們采用從官網(wǎng)下載的預(yù)訓(xùn)練模型在儀表數(shù)據(jù)集上微調(diào)，將關(guān)鍵點(diǎn)權(quán)重從12提高到20。

（3）基于DBNetpp的文本檢測

選型理由

由于儀表尺寸大小不一，我們選用DBNetpp模型，它在DBNet模型基礎(chǔ)上引入了多級特征聚合模塊(Adaptive Scale Fusion, ASF)，ASF模塊由階段注意力和空間注意力子模塊構(gòu)成，加強(qiáng)了不同尺度特征的融合，提高了處理不同尺寸圖像的魯棒性。

（4）基于SATRN模型的文本識別

選型理由

SATRN模型利用self-attention機(jī)制對字符的2D空間關(guān)系進(jìn)行建模，并且在FFN模塊中引入卷積層，增強(qiáng)了模型對全局和局部特征的捕捉能力。

SATRN模型對于大曲率彎曲、大角度旋轉(zhuǎn)文本依然具備足夠的識別能力，在多個不規(guī)則文本數(shù)據(jù)集上達(dá)到SOTA。

（5）讀數(shù)識別

將上述模型的輸出采用opencv進(jìn)行后處理得到讀數(shù)結(jié)果，具體流程如下：

區(qū)分內(nèi)外徑

根據(jù)刻度點(diǎn)和數(shù)值框距離指針原點(diǎn)的距離區(qū)分內(nèi)徑和外徑，分別進(jìn)行后續(xù)處理。

確定刻度點(diǎn)的順序

起點(diǎn)到終點(diǎn)的角度差值是相鄰兩點(diǎn)間角度差值中最大的，我們只需要找到這個最大的角度差值，就可以確定起始點(diǎn)。

先將刻度點(diǎn)坐標(biāo)轉(zhuǎn)成以指針原點(diǎn)為中心的極坐標(biāo)，根據(jù)角度從小到大排序[16,0,4,8,12]

然后計算相鄰刻度點(diǎn)兩兩間的角度差值，選擇最大差值的下一個刻度點(diǎn)作為起點(diǎn)，調(diào)整順序后[0,4,8,12,16]

修正OCR識別結(jié)果

上圖中由于指針遮擋，1500識別成500，通過等差數(shù)列對其進(jìn)行修正。

透視變換

步驟：

1、確定最后一個點(diǎn)的坐標(biāo)：已知最后一個點(diǎn)在透視變換后的極坐標(biāo)角度為45°，假設(shè)所有刻度點(diǎn)距離圓心距離為R，則最后一個點(diǎn)的坐標(biāo)可以表示為（45°,R）可以根據(jù)該極坐標(biāo)得出笛卡爾坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

2、確定其他三個點(diǎn)的坐標(biāo)：這里一共有6個間隔平分整個270°量程，所以每個刻度夾角為270/6=45°，據(jù)此可以依次計算出其他三個點(diǎn)在變換后的坐標(biāo)。

通過這種方式，可以確定四個刻度點(diǎn)在透視變換后圖像中的坐標(biāo)，并用這些坐標(biāo)來進(jìn)行透視變換。

補(bǔ)充被指針遮擋的點(diǎn)

步驟：

1、首先，確定缺失點(diǎn)的前后點(diǎn)，以及它們與圓心的平均距離。這些信息將用于推算缺失點(diǎn)的極坐標(biāo)。

2、根據(jù)前后點(diǎn)的角度和平均距離，計算出缺失點(diǎn)的極坐標(biāo)。極坐標(biāo)由極徑和極角組成，極徑表示點(diǎn)到圓心的距離，極角表示點(diǎn)在極坐標(biāo)系中的角度。將缺失點(diǎn)的極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為笛卡爾坐標(biāo)。

3、如果進(jìn)行了透視變換，需要將轉(zhuǎn)換后的坐標(biāo)應(yīng)用于透視矩陣，以獲得原圖中的坐標(biāo)。

計算讀數(shù)

確定指針的前后刻度點(diǎn)位置，并記錄它們在極坐標(biāo)系中的角度值。假設(shè)前刻度點(diǎn)角度為, 后刻度點(diǎn)角度為。指針角度為。

假設(shè)指針前刻度點(diǎn)的讀數(shù)為, 后刻度點(diǎn)讀數(shù)為, 指針讀數(shù)為*。

其中Δr=r2-r1, Δθ=

算法優(yōu)化

存在問題

邊框遮擋導(dǎo)致的刻度數(shù)字無法識別，上述算法不能很好的處理。

改進(jìn)方法

根據(jù)數(shù)據(jù)集分布，為內(nèi)外徑各建立一個list，以外徑舉例:

outer_list=[
[32,50,100,150,200],
[0,4,8,12,16],
[0,2,4,6,8,10],
[0,1,2,3,4,5,6],
[0,0.2,0.4,0.6,0.8,1],
[0,0.1,0.2,0.3,0.4,0.5,0.6],
[0,2,4,6,8,10,12,14],
[0,10,20,30,40,50,60],
[0,1000,2000,3000,4000,5000,6000],
[0,100,200,300,400,500,600,700,800,860]
]

將左圖中識別的外徑[0,100,200,300,400,500,600]與該outer_list進(jìn)行匹配，得到最接近的[0,100,200,300,400,500,600,700,800,860]。即可對照模板將遺漏的刻度點(diǎn)補(bǔ)全。

總結(jié)

最終，我們方案的成績?nèi)缦隆?/p>

優(yōu)點(diǎn)：

1、目標(biāo)檢測算法和ocr識別算法均源自開源算法庫中SOTA模型，實現(xiàn)簡單高效，且具備豐富的工業(yè)部署落地支持。

2、沒有采用傳統(tǒng)直線檢測的方式檢測關(guān)鍵點(diǎn)，通過類似姿態(tài)估計的方式提高了關(guān)鍵點(diǎn)檢測精度。

3、提出了一種基于查表的魯棒儀表讀數(shù)方法，對于遮擋嚴(yán)重的情況也能較好地處理。

4、通過透視變換，將形變的儀表圖像修正，使得讀數(shù)更加準(zhǔn)確。

可提升點(diǎn)：

1、將模型文件轉(zhuǎn)換為TensorRT格式，加速推理。

2、更改ocr識別模型，提升效率。