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title: NTUST Edge AI 111-02 期末專題報告

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# NTUST Edge AI 111-02 期末專題報告
## 資工系產碩AI專班_M11115Q20_羅述慈
### 1. 作品名稱
**基於 Transformer 跨模態融合的 YOLOv8 物件偵測**
### 2. 摘要說明
本篇旨在開發一個無人機物件偵測系統，能夠檢測並識別場景中的車輛和人。系統將同時使用熱影像和 RGB 影像進行特徵提取，以提高偵測的準確度和可靠性。熱影像可在惡劣氣候下工作，例如夜間或是多霧多雨等情況，並優於可見光影像在照明不良時的表現。而RGB影像則提供了更多的細節和紋理信息，使物件識別更精確。這項研究具有廣泛的實際應用價值，例如在搜救任務、交通監控和安全防護等領域。通過結合熱影像和 RGB 影像的特徵，期望提供一個高效、靈活和準確的無人機物件偵測解決方案。

這個專題中，使用基於 YOLOv8 的 backbone 作為物件偵測的框架。並且引入雙流輸入，即熱影像和 RGB 影像。使用 Transformer 來融合這兩種影像的特徵，並學習遠程的交互關係。這種架構將提高物件偵測的準確度和可靠性，並允許模型更好地理解物件的外觀和熱特徵之間的關聯。

透過實驗的結果比較，證明了本專題中融合RGB和熱影像的方法的有效性。單獨使用RGB或熱影像的方法與本專題的方法進行比較，結果顯示本專題的方法表現最好。這意味著融合RGB和熱影像的特徵能夠提供更準確的物件偵測結果，超越了單獨使用RGB或熱影像的方法。
### 3. 系統簡介
![](https://hackmd.io/_uploads/Bk2BQloL3.png)
為了能夠更好的融合熱影像以及 RGB ，本方法擴展了 YOLOv8 的框架，將 YOLOv8 特徵提取網路重新設計成雙流的主幹，同時輸入熱影像以及 RGB 並且透過 Transformer 模塊進行融合。

如上圖所示：backbone有兩部分，一個雙流特徵提取網絡 (YOLOv8) 和三個 Cross-Modality Fusion (Transformer)。
#### 創作發想
探索融合熱影像和RGB影像的無人機物件偵測系統，以提高準確度和可靠性。透過結合兩種不同影像模態的特徵，追求在惡劣氣候和低照明環境下實現優異的物件識別能力。這種的方法可應用於無人機技術在搜救、交通監控和安全領域的應用。
#### 硬體架構
GPU GeForce RTX 3060 
CPU Intel(R) Core(TM) i7-10700 CPU @ 2.90GHz
#### 工作原理及流程
1. 資料集整理 ( RGB + Thermal Pair )
2. 修改論文架構
    * 改成 YOLOv8 backbone
    * 同時抓取 Thermal 和 RGB 的 feature
3. Train
4. Evaluation 
    * 比較 Input 為 RGB, Thermal, RGB + Thermal 的 Performance
#### 資料集建立方式
本專題使用的是 LLVIP 資料集，LLVIP（Low-Light Visual Image Enhancement Challenge）資料集是一個專注於低光照條件下影像增強的資料集。該資料集包含了大量在低照明環境下拍攝的影像，共有 15488 張成對的 RGB +熱影像照片，類別為Person(0)。
#### 模型選用與訓練
在這個專題中，使用YOLOv8作為物件偵測的backbone模型，並採用雙模態訓練方式，同時傳入RGB影像和熱影像。

首先，將RGB影像和熱影像作為輸入，經過各自的預處理步驟後，進入YOLOv8模型。這兩個模態的輸入分別提取特徵並進行物件偵測。

為了進行特徵融合，引入 Transformer 模型。Transformer 模型接收來自YOLOv8的特徵表示，並利用自注意力機制對兩個模態的特徵進行交互和融合。透過 Transformer 的學習，模型能夠捕捉到 RGB 和熱影像之間的遠程關係，並生成融合後的特徵表示。

在訓練過程中，使用雙模態的損失函數，同時考慮RGB影像和熱影像的物件偵測結果，並根據兩個模態的預測結果進行反向傳播和參數優化。

這種雙模態的訓練方式以及融合RGB和熱影像的Transformer架構，能夠充分利用兩個模態的特徵，提高物件偵測的準確度和可靠度。

### 4. 實驗結果
![](https://hackmd.io/_uploads/SJ1MSXiUh.png)
#### 測試與比較
以下為單獨使用RGB或熱影像的方法與本專題的方法進行比較，結果顯示本專題的方法表現最好 (Thermal+RGB) 。融合RGB和熱影像的特徵能夠提供更準確的物件偵測結果，超越了單獨使用RGB或熱影像的方法。
| Column 1 | Images | Instance |Box|R|mAP50|mAP50-95|
| -------- | -------- | -------- |--------|--------|--------|--------|
| **RGB**     | 3463     | 8302     |0.8738|0.818|0.885|0.505|
| **Thermal**     | 3463     | 8302     |0.949|0.906|0.95|0.63|
| **RGB+Thermal**     | 3463     | 8302     |**0.953**|**0.918**|**0.966**|**0.633**|

### 5. 結論
透過基於 Transformer 的融合方法來學習長程相依性並整合全局上下文信息，從而增強多光譜物體檢測中的雙流 CNN 的表示能力。
具體而言，Transformer 模塊被密集地插入到主幹網路中以整合特徵，從而可以充分利用不同模態之間的內在互補性。此外，透過在 LLVIP 資料集中驗證該方法的有效性。該方法也能夠應於於其他多模態融合的任務上，如RGB-LiDAR。
### 6. 參考資料
[Cross-Modality Fusion Transformer for Multispectral Object Detection
](https://arxiv.org/abs/2111.00273)
### 7. 附錄
[github](https://github.com/rorubyy/thermal_rgb_fusion_yolov8)