鲁达 出品 | 智东西公开课讲师 | 魏勋 品览数据技术合伙人
导读：
6月8日晚，品览数据技术合伙人魏勋在智东西公开课进行了AI零售合辑第三讲的直播讲解，主题为《商品识别算法在货架商品智能巡检中的应用》。
在本次讲解中，魏勋老师首先分析新零售下货架巡检存在现状，给出了以图像识别和目标检测实现货架巡检的方案，之后分别从图像分类与目标检测发展历史，货架商品识别的难点、落地关键及实际应用案例等方面进行深入讲解。
本文为此次专场主讲环节的图文整理：
正文：
大家好，我是魏勋，是上海品览数据的技术合伙人，今天由我为大家带来在快消零售领域的一个具体落地方案，是讲货架商品的智能巡检的应用，今天分享的主题为《商品识别算法在货架商品智能巡检中的应用》，主要分以下5个部分:
1、新零售赛道：货架战争2、图像分类与目标检测发展历史3、货架商品识别的难点4、货架商品识别落地实践5、货架巡检应用实例
新零售赛道：货架战争
新零售的概念是马云于2016年提出，它是用大数据、人工智能等先进的技术手段，对商品的生产、流通与销售过程进行升级改造，进而重塑业态结构和生态圈，并对线上服务、线下体验以及现代物流进行深度融合的零售新模式。
按照传统，在零售领域可以分为三大元素，分别为人、货、场，人是指消费者，货是指商品，即SKU，场是指各种大卖场、超市、全家便利店或夫妻老婆店等。场可以再细分到最小的有机单元，就是货架。随着新零售时代到来，货架已经逐渐成为零售企业的战场。
货架的情况包括商品有多少，它被放在哪里？放在哪里比较适合？同时也包括陈列哪些品类，有没有竞品，竞品是如何放置？这些对于零售企业都很重要，对于未来销售、营销的策略有很大的参考意义，所以把它称为一场关于货架的战争。
举个简单的例子，比如当货架上的商品缺货了，作为一个消费者，会做什么样的行为？可能会买别的品牌，还可能去别处买，或者干脆不买，或买另一种类型替代。无论如何若货架上缺货时，品牌商可能会失去46%的购买者，而零售商可能会失去30%的购买者。
为了要打赢这场货架战争，我们必须要精确的获取线下商品的实际陈列信息。为了做到这一步，我们必须要对货架图像中的商品进行识别，这就会用到计算机视觉领域中的图像分类和目标检测技术。
如果在CV领域研究比较久的同学肯定清楚，图像分类跟目标检测是计算机视觉中非常基础的研究方向，且非常重要。图像分类是最基础的，例如上图显示的小猫，可以直接对它进行分类，判断到底是猫还是狗。检测就额外增加了一部分，必须进行定位，才知道它到底是在哪里，同时对定位的目标进行分类。
从图像分类和目标检测的发展历史来看，在2012年以前都是通过提取手工特征，比如SIFT、HOG、LBP等，然后才有后续的分类和检测。随着AlexNet在2012年横空出世，后面所有的方法都是用了CNN或者深度学习的方式来自动提取图像特征，进而帮助我们进行图像分类和目标检测。
对于目标检测的发展脉络，可以从1999年SIFT的提出开始，还有Cascades、HOG、DPM等，这些都是2012年之前提出用来实现目标检测的手段。随着AlexNet提出之后，AlexNet最早用于图像分类。2013年后，开始有学者在想目标检测是否也可以用CNN来做，所以第一个作品是Overfeat，在与它很接近的时间里，出现了一个非常经典的网络RCNN，然后像Fast R-CNN、Faster R-CNN还有YOLO系列及SSD和RetinaNet等。诸如此类的很多网络可以从上图中看到，从13年到了19年，这段时间里涌现了非常多的网络，标红的都是些比较有影响力的网络。
目标检测的深度学习模型通常是分为两种，第一种是两阶段模型，有Overfeat和RCNN系列，它先要对目标框有一个比较粗的定位，然后再对粗的目标框进行精细的修正，同时进行分类识别。有学者觉得这太麻烦了，能不能一步到位，直接从图像里得到bounding box和它的类别信息。这就是YOLO系列，还有SSD和RetinaNet等。通常,两阶段模型的精度会比较高，但速度会比较慢;单阶段模型的精度通常要低些，但它的速度会很快，如上图右边所示，不仅是说两阶段、单阶段的问题，还考虑了backbone的问题，若backbone越大，速度可能越慢。我们可以看到同一个backbone，在单阶段的模型下，它的速度远远要快于两阶段模型，但是精度mAP会要低一些，这张图是在COCO数据集上计算的结果。
货架商品识别的难点
上面简要介绍了图像分类及目标检测的大致情况，下面直接进入具体场景，就是货架商品识别。识别包含检测和分类两部分。对于货架商品识别的难点分成两块，首先，是算法难点，主要有四点。第一是商品种类繁多，像ImageNet用来刷榜时，一般用到1000个种类，但商品的SKU种类基本上是上万，甚至是几十万，对真实世界里面的SKU数量可能是百万千万级；第二是在货架场景中，通常会摆放的非常密集；第三是某些商品非常相似，特征看上去没有明显的差异，这也是图像分类的难点，只是在货架上体现程度可能会更大；第四点比较特殊，同一款商品可能有不同的规格，比如可口可乐，它可能会有330毫升、500毫升，或一升的，它更像是等比例缩放，因为计算机视觉天然是要求有尺度不变性的，这种情况通常是很难区分的。
上图是具体的图片展示，最左边的图是一个调味料的货架，可以看到种类非常多，一排货架里面应该有几十种，摆放也非常密集，基本上是紧挨着的情况。中间的图是一个比较典型的情况，两个商品属于同一个商家，左边是一个常规的，右边的可能是为了某种活动促销特别特意加了100克，可以看到商品其实非常相像，除了中间多了“100克”之外，其他方面没有任何差异。因为在PPT的图比较大，看得比较清楚，如果是在货架上，是很难分辨出来的。右面的图片是同类商品具有多种规格，可以看到最左上角的酱油是300毫升，中间第二排的是500毫升，倒数第二排是800毫升。它们的外观很像，只是存在不同的规格，如果你只是用常规的分类模型去训练，或者用常规的操作去处理，这三种分错的概率很大。
第二个是数据难点，也包括四个部分。第一个是拍摄的货架可能是一种非常倾斜的状态，倾斜很容易导致透视，很多商品就会被遮挡，检测跟分类会受到很大的干扰；第二个是采集到的货架图片是模糊的，里面可辨识的特征基本上看不清，第三个是货架图片翻拍，有一些从业人员可能会偷懒，对着电脑拍一张图片作为工作业绩，然后上传图片，这就是翻拍的情况，这种翻拍也会影响模型的准确率，客户也会要求我们把这类图片识别出来；第四个是货架图片存在曝光过度或者曝光不足的情况，在这种情况下货架的商品基本上看不清的。
针对上面四点，再给大家展示下，第一张图是货架过度倾斜，在过度倾斜的情况下，靠右边的商品还可以看出，但靠左边的商品基本上被遮挡，即使能检测出来，它的类别也识别不了，因为大部分的特征都被遮挡。第二张图展示货架图片模糊的情况，模糊导致看不清商品的主要区分特征，尤其涉及到一些比较相似的商品，模糊基本上就看不清了。第三张图是翻拍的情况，通过肉眼能看出一些情况，它里面会有一条条纹理信息，一般叫摩尔纹，由屏幕的发射光和自然光不一样导致。最后是货架图片过暗或特别亮的情况，过亮时特征都被遮挡，你只能看到一片闪亮，过暗时可以隐约看到一点，但也不知道具体是什么商品。
货架商品识别落地实践
下面介绍下整体落地实践的流程，流程是比较通用的。首先是数据标注，这是深度学习不可避免的。通常先手标一部分，再利用一个比较弱的模型，进行一个预标注，最后是人工调整，这很大程度上节省人力的成本。
第二个是模型的训练调优，通过模型选型和超参的调整去训练模型。训练完后，先做内部测试，内部测完后，还要再做公测，根据公测的反馈，再去迭代上面的步骤，也可能会重新补一批数据，再重新训练模型，达到公测的要求之后，我们会部署上线。目前我们主要是云端部署的方式，模型的云端部署用的是tf serving的方式，外部端是 flask框架。
对于数据难点，其实有一句机器学习的名言：数据是模型的上限，必须要保证数据质量，你才能谈模型的准确率。所以对刚才的几种情况：货架倾斜、模糊、翻拍、过暗和过亮，再把图片送给模型之前，先对图像质量进行分析。实际情况可能还不止这4种。对于货架倾斜，我们会做一个货架检测，根据检测出来的货架层的一个角度来判断倾斜情况。后面三种是通过图像处理的方式来进行判断，一张图片必须通过质量检测，同时满足这4个条件后，才把它送到模型里面去做后续的检测和识别。
在最早期时，对于场景货架商品的识别，我们直接应用检测模型来做检测，但实际上，我们尝试了很多种检测模型，但是效果不太理想，mAP也很低，只有40%左右，与COCO的情况就差不多，SKU类别非常容易分错，根本无法商用。
通过分析发现，首先，直接用检测模型去进行检测、识别，在COCO数据集上在SOTA模型上有54%左右的准确率。由于数据量及SKU的种类数量非常大，所以不容易实现。通过大量的阅读论文，发现目标检测里面的定位和分类，其实是有一定矛盾的，通过上图右边看到，若要检测北极熊，它关注的地方是语义信息比较丰富的，主要集中在中间的部分，对于定位通常是更倾向于去关注物体的边界处。对于检测相当于一个多任务学习，同时去做定位跟识别，是有一定的矛盾的，它会影响检测器的训练。
第二点是一旦更新了某些SKU，就必须要重新训练检测器。若大家对目标检测比较熟悉，发现检测器的训练会花费很长时间，时间成本很大，训练复杂度也很高。所以，是否有一种比较通用的检测器，可以避免了上面提到的两种情况。
经过多方讨论，我们决定对SKU不按具体的类别去标注，而是按它的包装对它进行标注，比如像调味品，主要以瓶装、罐装、盒装主为主，然后以这个标注再去训练检测器，定位到具体的SKU位置，之后对定位出来的SKU进行crop操作，对抠出的小图进行后续的识别，相当于是把它分为两个阶段来做。
为什么要这样做？第一点看使用包装，包装相当于SKU的形状，我们在对SKU形状进行定位及分类时，会削弱定位及分类之间的矛盾。第二点是SKU的种类是成千上万甚至十几万，但是它的包装种类数量是有限的，通常不到10种，具有很强的通用性。一旦训练完成后，如果有SKU的更新，我们不需要再重新训练。除非包装发生了很大的变化，才会重新训练检测模型。
到底要使用一个什么样的检测模型呢？在模型选型时，同时还要兼顾检测精度和速度，目前以云端部署为主，虽然不要求实时性，但也希望尽量快的响应，客户通过web请求，上传图片、做检测分类，还有后续一系列的逻辑处理，在这种情况下，希望能够在几秒内有一个实时响应。
在V100上测试过，早期时分别尝试了Faster-RCNN、RetinaNet、YOLO v3。可以看到Faster-RCNN的backbone用的是ResNet50+FPM，它的检出率能达到能到97.1%，但是它的速度很慢，因为是一个二阶段的模型，只有6FPS；RetinaNet经过调优之后，能达到一个96.7的检出率，速度为15FPS;YOLO v3的效果也不是特别理想，检出率只有94.5%，但是它的FPS很高，能超过30。右图是RetinaNet和YOLO v3对同一张图的检测效果，可以看到YOLO v3会把上面的两个箱体漏掉，而且右边会多检测出非商品的东西，这个与YOLO v3的机制有关，它对如此密集的商品摆放支持不太友好，而RetinaNet使用了一个更密集的Anchor设置,效果上会更好。
介绍完检测后，下一步如何对成千上万的SKU进行有效的识别？最开始考虑用图像检索的方式，这也是比较自然、省力的想法，只需要训练一个比较通用的提特征模型，如有一个新的SKU，只需要提供几张样例图片作为检索库，然后对一个小图进行识别，直接去检索库里面检索即可。所以先通过模型先提取特征，提完后跟检索特征库进行匹配，比如可以直接计算余弦距离或者欧式距离，然后去找Top1。经过多次实验，它的识别准确率最高也只能达到90%左右，这是无法达到商用标准，商用标准一般至少得到97%、98%，对有些客户比较严格会要求99%以上。
原因分析下来发现，首先是不同商品之间的特征差异很大，现实场景很复杂，训练提取特征的模型无法达到很强的鲁棒性。而且业界SOTA的图像检索方法准确率也只有90%左右。最终,还是通过图像分类的方式对小图进行识别。
由上图可以看出，货架上的商品摆放是非常密集的，很容易影响定位精度，造成重框的现象，左边这张图是早期的情况，可以看到第二排下有很多的重框，第三排也是类似的情况。经过优化之后，基本上都能够把重框去掉。分析发现用传统的 smooth-l1的回归loss，以及传统NMS技术无法高效的定位去除重复的框。我们的改进方法是使用一种针对性的回归loss，使得这种密集的商品摆放能够有比较好的回归定位。第二是使用后处理的去重框逻辑，经过这两部分操作后，最终能达到像右边的一个效果。
针对商品十分相似的情况，比如1000种的SKU类别，里面可能有几十种是很相似的，相似商品之间的类间距会很小，它混在大量的类间距很大的类别中，比如酱油跟豆瓣酱，它们可能差异会很大，因为一个是瓶装，一个是罐装；比如两种酱油，一种是红烧酱油，另一种是天然酱油，它们就很接近，可能只是颜色上有差异。之前也实验过用细粒度图像分类来做，但发现细粒度分类是有要求的，必须要求图片的分辨率很高，才能去做细粒度分类，货架图片通常是几百万到千万级的像素，再从里面抠出来的小图，宽、高可能就200×200，是无法满足用细粒度分类要求的。
可以通过一个分治的方法，对SKU进行层级划分，非相似的划在一起，相似的划在一起，相似的都统一一个label，统一完label后，再把相似的具体细划分。相当于在同一层级之下，它们的类间距是在一个量级，至少分类器是不容易去忽视这样的情况。
对于同一类商品具有不同的规格，跟刚才略有差异，因为刚刚只有相似，但还有一些特征差异的，这里并没有太大的特征差异，只是等比例缩放的情况，分析下来发现，对于2D计算机视觉，它本身需要满足尺度不变性，仅靠视觉特征基本是无解的，所以必须要借助非视觉特征。我们会采用机器学习的方法来提取一些关键有用的特征，比如高度、宽度等进行区分，当然这种情况必须得满足拍摄距离是比较固定的。通常拍摄距离不会有大幅的改变，而且我们不仅有高度这样的特征来进行机器学习模型的训练，还会有一些别的非视觉特征。可能有同学会问，如果2D视觉解决不了，为什们不用3D视觉？这受限于我们的场景，图像本身其实主要是由客户来提供，他来调用我们的服务，所以我们是无法要求他持一个3D的设备去进行数据采集，这是无法做到的，也限制了我们的一个技术实施。
货架巡检应用实例
上面介绍了把货架商品识别的难点，以及所采取的方案，下面简单介绍下货架巡检的应用实例。比如跟欣和的合作，它主要生产各种调味料，像酱油、豆瓣酱等。我们给他做好商品识别后可以用来做什么？首先，他们内部的一些陈列规则，比如看它的排面是否少于竞品，当看到同一排里面少于竞品的，这说明什么？他们要加强这家店或者这些相关货架的陈列数量；第二个是说不在黄金位置，黄金位置是你能进到一个店里，或者是在货架面前最容易拿到或者最容易看到的货架层的位置，通常5层货架，第二层、第三层是黄金位置，第一层可能很不好拿得到，下面两层弯腰也不方便，所以黄金位置，对于商家来说也是很重要的一个指标；第三是缺货、陈列不合格，看货架是否能陈列饱满；第四个是本品没有集中陈列，就是商品不应该隔开来放，应该放在一起。
同时也跟国内味全果汁也有合作，我们主要是在AI巡店通上做的产品，味全果汁包装的更新速度非常快。所以，我们迭代的速度必须要满足他们更新速度。我们基本能够精确地识别出他们具体有哪些果汁，以及它的一个陈列位置，以及各种陈列信息。