【数据竞赛】从0梳理1场CV缺陷检测赛事！

作者：江保祥，厦门大学

一、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。

二、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。

三、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:
Cython
numpy==1.17
opencv-python
torch>=1.4
matplotlib
pillow
tensorboard
PyYAML>=5.3
torchvision
scipy
tqdm

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 classes
nc: 15

# class names
names: ['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 classes
depth_multiple: 1.33  # model depth multiple
width_multiple: 1.25  # layer channel multiple
anchors:
  - [116,90, 156,198, 373,326]  # P5/32
  - [30,61, 62,45, 59,119]  # P4/16
  - [10,13, 16,30, 33,23]  # P3/8
backbone:
  # [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

四、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