해충 검출 및 카운팅을 위한 멀티스케일 CenterNet

2.1 밀도 맵 추정 기반 해충 카운팅

기존의 군중 영상(Crowd images)은 객체가 너무 인접하거나 객체가 다른 객체를 가리는 폐색(Occlusion) 문제 때문에 바운딩 박스 기반의 객체 검출 방식은 군중 카운팅에는 적합하지 않다. 이를 위해, 밀도 맵 기반의 군중 카운팅 기술이 개발되었다. 고전적인 군중 카운팅 기술은 특징 추출과 회귀 모델 파라미터 학습으로 이루어진다[6]. 최근에는 딥러닝 모델을 사용해서 입력 영상에서 군중의 개수를 바로 추정하는 방식이 대세를 이루고 있다.

대표적인 군중 카운팅 모델로는 CrowdNet[7], MCNN(Multi-Column Convolutional Neural Networks)[8], ICCNet(Iterative Crowd Counting Network)[9], SANet(Scale Aggregation Network)[10] 등이 있다. 따라서 기존의 군중 카운팅 기법은 해충카운팅에도 그대로 적용될 수 있다.

그림 1은 MCNN 모델의 아키텍처를 보여주고 있다. MCNN은 객체 스케일 문제를 해결하기 위해, 필터의 크기가 서로 다른 3개의 합성곱 신경망(Convolutional neutral networks)을 사용한다. 그림에서 보듯이, 입력 영상은 3개의 합성곱 신경망을 거쳐 최종 밀도 맵을 추정한다. 각 서브네트워크의 출력 맵은 연결 레이어(Concatenation layer)를 거쳐 퓨전된다. 여기서 밀도 맵은 각 객체의 중심점에 가장 밝은 픽셀 값을 저장한다. 흰색 밝기의 픽셀 값은 1로 정규화 되어 있다고 가정한다. 따라서 밀도 맵의 전체 픽셀 값을 합하면 객체의 총 개수가 된다.

Fig. 1.

Pest counting based on density map prediction

학습 단계에서는 추정된 밀도 맵과 정답 밀도 맵과의 오차를 계산하기 위해 평균 제곱 오차(Mean squared error) 손실함수를 사용한다. 테스트 단계에서는 입력 영상을 학습된 네트워크를 거쳐 밀도 맵을 추정한 후, 전체 픽셀 값을 더함으로써 최종 객체 개수를 추정한다.

그림 1의 맨 우측에는 밀도 맵의 예시를 보여준다. 밀도 맵은 실제 그레이 영상이지만 시각화를 위해 칼라 영상으로 표시하였다. 그리고 밀도 맵을 생성할 때, 흰색 밝기를 갖는 픽셀에서 가우시안 커널을 한번 적용한다. 따라서 밀도 맵 생성 과정은 수식적으로 다음과 같이 표현된다[8].

여기서 Y는 밀도 맵이고 G_σ는 가우시안 커널이다. S는 객체의 중심 위치인 픽셀 인덱스(x_i)를 저장하고 있는 집합이다. δ는 델타 함수(Delta function)로써 객체 중심 위치에서만 1의 값을 갖는다. 즉, 픽셀 인덱스인 x가 x_i가 되는 위치에서만 1의 값을 가진다. 그리고 가우시안 커널의 합은 1이기 때문에 Y의 픽셀 값을 모두 더하면 객체의 개수가 된다.

2.2 바운딩 박스 검출 기반 해충 카운팅

해충 카운팅을 위한 또 다른 접근 방식은 기존의 객체 검출을 그대로 적용하는 것이다. 객체 검출은 입력 영상에서 객체가 위치한 곳의 바운딩 박스를 찾는 기법을 말한다[3][4]. 총 검출된 바운딩 박스의 개수가 바로 영상 내의 객체의 개수와 동일하다. 그림 2는 바운딩 박스 개수를 추정함으로써 영상 내의 객체의 개수를 추정하는 방식을 보여 주고 있다.

Fig. 2.

Pest counting based on bounding box detection

전통적인 객체 검출 기법은 슬라이딩 윈도우(Sliding window) 방식과 영역 제안(Region proposal) 방식으로 나뉠 수 있다[11].

하지만, 최근에는 딥러닝 기반의 객체 검출 기법이 주류가 되었다. 딥러닝 기반 객체 검출은 크게 RCNN 계열[4]과 YOLO 계열[3]로 구분될 수 있다. RCNN 계열과 YOLO 계열의 가장 큰 차이는 영역 제안과 분류 단계의 이원화 구조에 있다. RCNN 계열은 영역 제안과 분류기 학습이라는 두 단계로 구성되는 반면 YOLO 계열은 한 단계로 객체 검출이 이루어진다. 따라서 RCNN 계열은 영역 제안과 분류기 학습을 세분화하여 객체 검출을 진행하기 때문에 상대적으로 정확도가 높은 편이다. 반면 YOLO 계열은 RCNN 계열보다는 속도가 빠르다는 장점이 있다. 또한 검출 성능도 RCNN 계열과 견줄만하다.

최근에는 검출 속도와 정확도를 동시에 향상할 수 있는 CenterNet 객체 검출 모델이 제안되었다[2]. 특히 CenterNet은 기존의 객체 검출 기법과는 달리, 히트맵 기반으로 바운딩 박스를 예측한다. 따라서, CenterNet은 기존의 밀도 맵 추정 기반의 군중 카운팅 기술로의 변형이 가능하다. 즉, CenterNet의 히트맵 추정 부분을 개선한다면 해충 검출뿐만 아니라 해충 카운팅까지도 적용 가능하다. 이러한 점에 착안하여 본 연구에서는 해충 카운팅을 위한 객체 검출 모델로써 CenterNet을 기반 모델로 활용하고자 한다. 하지만, 기존의 CenterNet에서 히트맵 추정 모듈은 단일스케일 기반의 Stacked hourglass[5]로 구성되어 있다. 이러한 단일스케일 기반 Stacked hourglass는 해충의 개수가 가변적으로 변할 때 스케일에 강인한 히트맵 추정을 보장할 수 없다. 따라서 영상에서 해충의 개수에 따라 스케일에 강인한 멀티스케일 CenterNet 개발이 필요하다.

3.1 CenterNet 학습 및 추론 과정

CenterNet은 객체의 중심점을 저장하고 있는 히트맵을 활용하여 바운딩 박스를 예측한다.

CenterNet은 너비(W)와 높이(H)를 갖는 입력 영상이 주어지면 0과 1의 값을 갖는 히트맵을 추정한다.

여기서 R은 스트라이드(Stride)를 의미하고 출력 영상의 스케일을 결정한다. 원문에서는 4로 설정하여 원본 크기의 1/4 크기의 히트맵을 추정한다. C는 객체 부류(Class)에 대한 개수이다. 히트맵에서는 키포인트(Keypoint), 즉 객체의 중심점에 해당하는 위치에서는 1의 값을 가지며 나머지는 0의 값을 가진다. 즉, $$ {\widehat{Y}}_{x,y,c}=1$$이며 배경은 $$ {\widehat{Y}}_{x,y,c}=0$$이다. 객체의 중심점은 바운딩 박스의 중심에 대응한다. 참고로 실제 히트맵을 생성할 때는 1과 0으로 구성된 $$ \widehat{Y}$$을 사용하는 것이 아니라 가우시안 커널을 적용한 블러링된 히트맵을 사용한다.

$$ \widehat{Y}$$를 예측하기 위해, 클래스 불균형 문제를 해소할 수 있는 로지스틱 회귀(Logistic regression) 기반의 초점 손실(Focal loss)을 사용한다.

여기서 N은 입력 영상에서 객체 키포인트의 개수이다. 그리고 α와 β는 하이퍼 파라미터이고 각각 2와 4로 설정되었다. 식 (4)에서 Y_x,y,c = 1인 경우는, 추정된 $$ {\widehat{Y}}_{x,y,c}$$가 1에 가까워야 손실이 작아짐을 알 수 있다. 반면에 Y_x,y,c ≠ 1 경우는 $$ {\widehat{Y}}_{x,y,c}$$가 0에 근접해야 됨을 알 수 있다.

식 (2)-(4)는 CenterNet을 통해 객체의 키포인트와 부류 값을 저장한 $$ \widehat{Y}$$만을 추정할 수 있다. 따라서 최종 바운딩 박스를 검출하기 위해서는 바운딩 박스의 가로와 세로 값을 저장한 바운딩 박스 맵(Bounding box map)을 추정할 필요가 있다.

여기서 s_k = (w_k, h_k)는 k번째 해충의 바운딩 박스의 가로와 세로 크기를 저장하고 있다. $$ {\widehat{S}}_{p_k}$$는 키포인트 위치(p_k)에 대한 추정된 바운딩 박스 맵을 의미한다. $$ {\widehat{S}}_{p_k}$$의 크기는 $$ \widehat{Y}$$의 가로 및 세로 크기만 동일하고 채널의 개수는 2개이다. CenterNet에서는 L_k와 L_s 손실외에 옵셋 맵(Offset map)을 추정하기 위한 손실이 추가적으로 사용된다. 식 (3)에서 키포인트의 좌표 값도 R만큼 감소함을 알 수 있다.

여기서 p는 원본 영상의 키포인트 값을 의미하고 []는 정수 값으로 변환하는 연산자이다. 디지털화 과정 때문에 키포인트 값이 정수 값으로 변환되므로 이에 대한 보정이 필요하다.

여기서 $$ {\widehat{O}}_{\tilde{p}}$$는 디지털화 과정으로 발생한 옵셋 값을 보정하기 위한 맵이다. 즉, 실수 값의 원본 키포인트인 p/R과 추정된 정수 값의 키포인트인 $$ \tilde{p}$$와의 오차를 저장하고 있다. 따라서 최종 손실은 L_k, L_s, L_off이며 다음과 같다.

여기서 λ_s, λ_off는 손실 함수의 가중치 값이며 각각 1, 0.1로 설정되었으며 내리막경사법과 같은 최적화 기법을 사용해서 네트워크의 파라미터를 갱신한다.

테스트 단계에서는 CenterNet을 통해 추정된 히트맵에서 3×3 최대 풀링(Max pooling) 적용하여 키포인트를 추출한다. 이 키포인트 값에 추정된 옵셋 맵과 바운딩 박스 맵의 정보를 활용해서 최종 바운딩 박스를 검출한다.

3.2 CenterNet 모델의 아키텍처

그림 3은 CenterNet의 아키텍처를 보여 준다. CenterNet은 크게 합성곱 레이어(Convolution : Convolution layer), 배치 정규화 레이어(Batch normalization : Batch normalization layer), 정류 선형유닛 레이어(ReLU : Rectified linear unit layer), 잔차 블록(Residual block), 원소 합(Elemental-wise sum), Stacked hourglass로 구성된다. 여기서 Stacked hourglass는 Hourglass를 쌓은 구조를 말한다. Hourglass 모듈은 대칭 구조를 가지며 잔차블록으로 구성된다. 자세한 Hourglass 구조는 참고문헌 [5]에 기술되어 있다.

Fig. 3.

Architecture of the CenterNet for object detection

CenterNet은 512×512 입력 영상을 받아 합성곱 계층과 잔차 블록을 통해 128x128 크기의 특징 맵을 생성한다. 그리고 첫 번째 Hourglass 네트워크를 통과한 후, 128x128 크기의 특징 맵을 출력한다. 그리고 최종 히트맵, 옵셋 맵 그리고 바운딩 박스 맵을 추정하기 위해, 1x1 필터 크기로 합성곱 연산을 적용한다. 두 번째 Hourglass도 첫 번째 Hourglass와 동일한 크기의 해상도를 갖는 출력 맵을 생성한다. 그리고 이 출력 맵을 활용하여 최종 히트맵, 옵셋 맵, 바운딩 박스 맵을 추정한다.

CenterNet은 그림 3에서 보듯이, 단일스케일의 히트맵, 옵셋 맵, 바운딩 박스 맵을 추정한다. 입력 영상에서 해충의 개수가 거의 동일한 경우에는 단일 스케일 기반의 해충 검출이 잘 동작할 수 있다. 하지만, 해충의 개수가 가변 될 경우에는 오검출률이 높아질 수 있다. 이런 문제를 보완하기 위해서는 멀티스케일 기반의 CenterNet이 필요가 있다.

4.1 제안한 접근 방법

기존의 CenterNet은 단일 스케일의 특징 맵을 추출하기 때문에 입력 영상에서 해충의 개수가 많을 경우 오검출될 수 있다. 그림 4는 디지털 트랩에서 실제로 촬영된 해충 영상을 보여 주고 있다. 해충의 개수가 많은 경우 해충이 인접하게 붙어 있거나 다른 해충에 의해 가려질 수 있다. 이런 경우, 출력 맵의 해상도가 고정되기 때문에 객체 검출의 정확도가 떨어질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 멀티스케일 특징 맵을 추출하여 최종 해충 카운팅의 성능을 개선할 수 있는 멀티스케일 CenterNet을 구현하고자 한다.

Fig. 4.

Example of pest images captured by digital trap

4.2 제안한 멀티스케일 CenterNet

그림 5는 제안한 멀티스케일 CenterNet의 아키텍처를 보여 주고 있다. 그림 5와 그림 3의 가장 큰 차이점은 멀티스케일 적용 여부이다. 제안한 네트워크에서는 멀티스케일을 실현하기 위해 첫 번째 Hourglass와 두 번째 Hourglass의 출력 맵의 해상도를 다르게 설정하였다. 즉, 첫 번째 Hourglass의 특징 맵은 128x128의 크기를, 두 번째 Hourglass의 특징맵은 256x256의 크기를 갖는다.

Fig. 5.

Proposed multiscale centerNet for pest detection

또한, 첫 번째 Hourglass의 출력 맵으로부터 추정된 바운딩 박스 맵, 옵셋 맵, 히트맵을 업샘플링(Upsampling)한 후, 두 번째 Hourglass의 입력으로 활용한다. 이는 첫 번째에서 예측된 저해상도의 결과를 두 번째 Hourglass의 고해상도 출력 예측에 활용함으로써, 히트맵, 바운딩 박스, 옵셋의 정확도를 제고할 수 있다.

또한, 두 번째 Hourglass의 입력은 기존의 CenterNet과는 달리, 3종류의 특징 맵을 사용한다. 즉, 첫 번째 Hourglass의 출력 맵과 업샘플링된 히트맵, 바운딩 박스, 옵셋, 그리고 입력 영상에서 추출된 특징 맵을 퓨전해서 입력으로 사용한다. 퓨전을 위해 연결 레이어(Concatenation layer)을 사용하였다.

기존의 CenterNet은 퓨전을 위해 원소 합을 사용했지만, 3종류의 특징 맵은 서로 다른 정보를 담기 때문에 연결 레이어를 선택하였다. 3종류의 특징 퓨전은 추출된 특징의 정보력과 구별력을 높일 수 있다. 특히 추정된 히트맵, 옵셋 맵, 바운딩 박스의 재활용은 멀티스케일 특징 설계를 구현했다고 할 수 있다.

4.3 해충 카운팅을 위한 제안한 밀도 추정 기반 멀티스케일 CenterNet 변형

해충 카운팅을 위한 접근 방법으로는 바운딩 박스 검출 기반과 밀도 맵 추정 기반이 있다. 그림 5는 바운딩 박스 검출 기반의 해충 카운팅 기법에해당한다. 만약 해충이 군중 카운팅처럼 디지털 트랩에 가득 채워진다면 바운딩 박스 기반의 해충 검출은 적합지 않을 수 있다. 따라서 밀도 맵 기반의 해충 카운팅 방식도 필요하다.

제안한 멀티스케일 CenterNet은 히트맵을 추정한다. 히트맵은 해충이 존재하는 객체의 바운딩 박스의 중심점을 저장하기 때문에 거의 밀도 맵의 개념과 유사하다. 이러한 점을 착안하여 제안한 멀티스케일 CenterNet을 밀도 맵 추정 기반의 해충 카운팅 모델로 수정 가능하다. 즉, 제안한 멀티스케일 CenterNet에서 히트맵을 밀도 맵으로 수정하고 옵셋 맵과 바운딩 박스 맵만 제거하면 된다. 히트맵과 밀도 맵의 차이는 단지 가우시안 커널의 중심 값을 1로 설정하는 것에 따라 좌우된다.

그림 6은 제안한 밀도 맵 추정 기반의 해충 카운팅을 위한 멀티스케일 CenterNet의 변형이다. 그림 5와 6의 차이점은 그림 5는 최종 바운딩 박스 예측이기 때문에 바운딩 박스와 옵셋 예측이 필요하지만 그림 6은 최종 밀도 맵을 예측하기 때문에 바운딩 박스 맵와 옵셋 맵이 필요 없다. 나머지는 멀티스케일 특징 추출에 해당하는 부분이므로 동일하다.

Fig. 6.

Proposed multiscale density estimation network for pest counting

그림 6에서 추정된 밀도 맵의 오차를 계산하기 위해 다음과 같은 손실함수를 정의한다.

손실함수는 두 개의 항목으로 구성된다. 첫 번째 항목은 밀도 맵 간의 유사도를 측정하고 두 번째 항목은 벡터 방향에 대한 유사도를 계산한다. 수식에서 $$ \widehat{M_i}$$은 추정된 밀도 맵이며 M_i는 정답 밀도 맵이다. $$ {\widehat{m_i}}^{\text{'}}$$와 m_i^＇는 $$ \widehat{M_i}$$과 M_i 행렬을 벡터로 표현한 것이며 CS는 코사인 유사도를 의미한다. 그리고 λ는 코사인 유사도 손실에 대한 가중치이며 이 연구에서는 10으로 설정되었다.

5.1 실험 환경

학습 데이터는 디지털 트랩에서 촬영한 2501장을 사용했다. 해충의 종류는 파밤나방이며 훈련 집합과 테스트 집합은 7:3의 비율로 랜덤하게 나누었다. 최적화 기법은 아담 옵티마이저[12](Adam optimizer)를 사용했으며 배치 크기는 6, 에폭은 100회, 학습률은 0.0001로 설정하였다.

소스코드는 PyTorch 프레임워크로 작성되었고 윈도우 운영체제에서 실행되었다. 제안한 모델의 성능을 평가하기 위해, 두 가지 실험을 수행했다. 하나는 기존의 객체 검출 모델의 성능을 평가하였고 다른 하나는 기존의 군중 카운팅 모델과의 성능을 평가했다. 객체 검출을 위한 비교 대상으로는 Retina Net[13], RepPoints[14], CenterNet[2], Faster RCNN[15]을, 군중 카운팅 모델로는 MCNN[8], ICCNet[9], SANet[10], Stacked hourglass[5]를 선택했다.

5.2 바운딩 박스 및 밀도 맵 추정 결과

그림 7은 제안한 멀티스케일 CenterNet 및 멀티스케일 밀도 추정 네트워크를 사용해서 추정된 바운딩 박스와 밀도 맵을 보여준다.

Fig. 7.

Experimental results : Estimated bounding boxes(a,b,c), Estimated density maps(d,e,f)

그리고 각각의 결과 그림 위에는 실제 해충의 개수가 적혀 있다. 정답 값인 해충의 개수는 육안으로 카운팅 되었다. 추정된 밀도 맵에서 파란색은 배경이고 노란색과 빨간색은 해충이 존재하는 곳이다.

그림 7에서 해충이 인접하게 붙어 있을지라도 해충의 개수가 비교적 정확하게 추정된 것을 알 수 있다. 이전 절에서 언급했지만, 해충 카운팅은 두 가지 방법으로 접근할 수 있다. 즉, 바운딩 박스 검출을 통한 해충 카운팅과 밀도 맵 추정을 통한 해충 카운팅이 있다. 본 연구에서는 수집된 해충 데이터 셋에 대해, 그림 5와 6에 제시된 멀티스케일 CenterNet과 멀티스케일 밀도 추정 네트워크가 둘 다 우수한 결과를 얻을 수 있었다.

5.3 정량적 평가

해충 카운팅을 위한 평가 척도(MAE, Mean Absolute Error)로 평균 절대 오차를 사용했다.

여기서 n은 테스트 영상의 개수이며 y_i는 측정된 해충의 개수이고 $$ y_i^{\text{'}}$$은 모델에 의해 추정된 해충의 개수이다.

표 1은 두 가지 접근 방식에 대한 MAE 결과를 보여준다. 하나는 객체 검출 기반의 해충 카운팅이고 다른 하나는 밀도 추정 기반의 해충 카운팅이다. 결과에서 볼 수 있듯이, 제안한 멀티스케일 CenterNet과 멀티스케일 밀도 추정 네트워크의 MAE 값이 가장 작은 것을 알 수 있다. 즉, 평가 대상에서 성능이 가장 우수하며 정답 값과 예측 값의 오차가 약 1.1정도로 우수한 성능을 달성한 것을 알 수 있다.

Table 1.

Quantitative evaluation for pest counting

그리고 제안한 멀티스케일 CenterNet이 제안한 밀도 추정 네트워크보다 성능이 약간 더 우수한 것을 볼 수 있다. 이는 테스트 영상에 대해서 바운딩 박스가 잘 작동될 수 있는 허용 범위를 말해 준다. 만약 트랩에서 포획된 해충의 마릿수가 더 증가하면 멀티스케일 밀도 추정 네트워크가 더 효과적으로 동작할 수 있다. 향후 더 많은 해충 데이터가 수집되면 이 두 가지 접근 방식의 장단점을 비교 분석하고자 한다.

그리고 제안한 기법은 기존의 CenterNet 모델을 멀티스케일로 변경한 개선된 모델이다. 표 1에서 기존의 CenterNet 모델과 비교했을 때, 해충 카운팅의 성능이 개선됨을 알 수 있다. 이는 제안한 멀티스케일 특징 설계가 효과적임을 말해준다. 즉, 멀티스케일 접근 방식은 저해상도의 결과를 활용해서 고해상도의 결과를 예측하기 때문에 히트맵 또는 밀도 맵의 정확도를 개선할 수 있다.