项目实践 | 基于 YOLO-V5 实现行人社交距离风险提示 (文末获取完整源码)

技术讨论 hello_uncle ⋅ 于 1个月前 ⋅ 162 阅读

作者丨ChaucerG
来源丨AI人工智能初学者
编辑丨极市平台
由于YOLO V5的作者现在并没有发表论文,因此只能从代码的角度理解它的工作。YOLO V5的网络结构图如下:

1、与YOLO V4的区别

Yolov4在Yolov3的基础上进行了很多的创新。比如输入端采用mosaic数据增强,Backbone上采用了CSPDarknet53Mish激活函数Dropblock等方式,Neck中采用了SPPFPN+PAN的结构,输出端则采用CIOU_LossDIOU_nms操作。因此Yolov4对Yolov3的各个部分都进行了很多的整合创新。这里给出YOLO V4的网络结构图:006C3FgEgy1gmzpwesgmnj310g0gm41rYolov5的结构其实和Yolov4的结构还是有一定的相似之处的,但也有一些不同,这里还是按照从整体到细节的方式,对每个板块进行讲解。这里给出YOLO V4的网络结构图:

006C3FgEgy1gmzpwp0t6xj310e0getdu
通过Yolov5的网络结构图可以看到,依旧是把模型分为4个部分,分别是:输入端、Backbone、Neck、Prediction。

1.1、输入端的区别

1 Mosaic数据增强

Mosaic是参考CutMix数据增强的方式,但CutMix只使用了两张图片进行拼接,而Mosaic数据增强则采用了4张图片,随机缩放、随机裁剪、随机排布的方式进行拼接。

006C3FgEgy1gmzpx2mz28j311o0fgaga

主要有几个优点:

  • 1、丰富数据集:随机使用4张图片,随机缩放,再随机分布进行拼接,大大丰富了检测数据集,特别是随机缩放增加了很多小目标,让网络的鲁棒性更好。
  • 2、减少GPU:可能会有人说,随机缩放,普通的数据增强也可以做,但作者考虑到很多人可能只有一个GPU,因此Mosaic增强训练时,可以直接计算4张图片的数据,使得Mini-batch大小并不需要很大,一个GPU就可以达到比较好的效果。

2 自适应锚框计算

在Yolov3、Yolov4中,训练不同的数据集时,计算初始锚框的值是通过单独的程序运行的。但Yolov5中将此功能嵌入到代码中,每次训练时,自适应的计算不同训练集中的最佳锚框值。比如Yolov5在Coco数据集上初始设定的锚框:006C3FgEgy1gmzpxjoszoj30gk046gm1

3 自适应图片缩放

在常用的目标检测算法中,不同的图片长宽都不相同,因此常用的方式是将原始图片统一缩放到一个标准尺寸,再送入检测网络中。比如Yolo算法中常用416×416,608×608等尺寸,比如对下面800×600的图像进行变换。

006C3FgEgy1gmzpxu01bwj311c0g60xo

但Yolov5代码中对此进行了改进,也是Yolov5推理速度能够很快的一个不错的trick。作者认为,在项目实际使用时,很多图片的长宽比不同。因此缩放填充后,两端的黑边大小都不同,而如果填充的比较多,则存在信息冗余,影响推理速度。具体操作的步骤:1 计算缩放比例006C3FgEgy1gmzpy3ngtnj31120gyaec原始缩放尺寸是416×416,都除以原始图像的尺寸后,可以得到0.52,和0.69两个缩放系数,选择小的缩放系数0.52。2 计算缩放后的尺寸006C3FgEgy1gmzpyfdz2cj310w0h4q79原始图片的长宽都乘以最小的缩放系数0.52,宽变成了416,而高变成了312。
3 计算黑边填充数值006C3FgEgy1gmzpyp4be9j310m0hon2q将416-312=104,得到原本需要填充的高度。再采用numpy中np.mod取余数的方式,得到40个像素,再除以2,即得到图片高度两端需要填充的数值。

1.2、Backbone的区别

1 Focus结构

006C3FgEgy1gmzpyyfus1j31200g00ukFocus结构,在Yolov3\&Yolov4中并没有这个结构,其中比较关键是切片操作。比如右图的切片示意图,4×4×3的图像切片后变成3×3×12的特征图。以Yolov5s的结构为例,原始608×608×3的图像输入Focus结构,采用切片操作,先变成304×304×12的特征图,再经过一次32个卷积核的卷积操作,最终变成304×304×32的特征图。
需要注意的是:Yolov5s的Focus结构最后使用了32个卷积核,而其他三种结构,使用的数量有所增加,先注意下,后面会讲解到四种结构的不同点。

`class Focus(nn.Module):
    # Focus wh information into c-space
    def init(self, c1, c2, k=1):
        super(Focus, self).init()
        self.conv = Conv(c1 * 4, c2, k, 1)

    def forward(self, x):  # x(b,c,w,h) -> y(b,4c,w/2,h/2)
        return self.conv(torch.cat([x[..., ::2, ::2], x[..., 1::2, ::2], x[..., ::2, 1::2], x[..., 1::2, 1::2]], 1))
`

2 CSP结构

Yolov5与Yolov4不同点在于,Yolov4中只有主干网络使用了CSP结构,而Yolov5中设计了两种CSP结构,以Yolov5s网络为例,以CSP1_X结构应用于Backbone主干网络,另一种CSP2_X结构则应用于Neck中006C3FgEgy1gmzpz7jzh4j31100f8gpo

`class Conv(nn.Module):
    # Standard convolution
    def init(self, c1, c2, k=1, s=1, g=1, act=True):  # ch_in, ch_out, kernel, stride, groups
        super(Conv, self).init()
        self.conv = nn.Conv2d(c1, c2, k, s, k // 2, groups=g, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = nn.LeakyReLU(0.1, inplace=True) if act else nn.Identity()

    def forward(self, x):
        return self.act(self.bn(self.conv(x)))

    def fuseforward(self, x):
        return self.act(self.conv(x))

class Bottleneck(nn.Module):
    # Standard bottleneck
    def init(self, c1, c2, shortcut=True, g=1, e=0.5):  # ch_in, chout, shortcut, groups, expansion
        super(Bottleneck, self).init()
        c
 = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c, 1, 1)
        self.cv2 = Conv(c
, c2, 3, 1, g=g)
        self.add = shortcut and c1 == c2

    def forward(self, x):
        return x + self.cv2(self.cv1(x)) if self.add else self.cv2(self.cv1(x))

class BottleneckCSP(nn.Module):
    # CSP Bottleneck https://github.com/WongKinYiu/CrossStagePartialNetworks
    def init(self, c1, c2, n=1, shortcut=True, g=1, e=0.5):  # ch_in, chout, number, shortcut, groups, expansion
        super(BottleneckCSP, self).init()
        c
 = int(c2  e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c, 1, 1)
        self.cv2 = nn.Conv2d(c1, c
, 1, 1, bias=False)
        self.cv3 = nn.Conv2d(c, c, 1, 1, bias=False)
        self.cv4 = Conv(c2, c2, 1, 1)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(2 
 c)  # applied to cat(cv2, cv3)
        self.act = nn.LeakyReLU(0.1, inplace=True)
        self.m = nn.Sequential(*[Bottleneck(c
, c, shortcut, g, e=1.0) for  in range(n)])

    def forward(self, x):
        y1 = self.cv3(self.m(self.cv1(x)))
        y2 = self.cv2(x)
        return self.cv4(self.act(self.bn(torch.cat((y1, y2), dim=1))))
`

1.3、Neck的区别

Yolov5现在的Neck和Yolov4中一样,都采用FPN+PAN的结构,但在Yolov5刚出来时,只使用了FPN结构,后面才增加了PAN结构,此外网络中其他部分也进行了调整。006C3FgEgy1gmzpzg1d1sj311e0fo418Yolov5和Yolov4的不同点在于,Yolov4的Neck中,采用的都是普通的卷积操作。而Yolov5的Neck结构中,采用借鉴CSPNet设计的CSP2结构,加强网络特征融合的能力。

1.4、输出端的区别

1 Bounding box损失函数

而Yolov4中采用CIOU_Loss作为目标Bounding box的损失。而Yolov5中采用其中的GIOU_Loss做Bounding box的损失函数。

006C3FgEgy1gmzpzp5gsej31100kqacb

006C3FgEgy1gmzpzx6jn6j311i0cu413

`def compute_loss(p, targets, model):  # predictions, targets, model
    ft = torch.cuda.FloatTensor if p[0].is_cuda else torch.Tensor
    lcls, lbox, lobj = ft([0]), ft([0]), ft([0])
    tcls, tbox, indices, anchors = build_targets(p, targets, model)  # targets
    h = model.hyp  # hyperparameters
    red = 'mean'  # Loss reduction (sum or mean)

    # Define criteria
    BCEcls = nn.BCEWithLogitsLoss(pos_weight=ft([h['cls_pw']]), reduction=red)
    BCEobj = nn.BCEWithLogitsLoss(pos_weight=ft([h['obj_pw']]), reduction=red)

    # class label smoothing https://arxiv.org/pdf/1902.04103.pdf eqn 3
    cp, cn = smooth_BCE(eps=0.0)

    # focal loss
    g = h['fl_gamma']  # focal loss gamma
    if g > 0:
        BCEcls, BCEobj = FocalLoss(BCEcls, g), FocalLoss(BCEobj, g)

    # per output
    nt = 0  # targets
    for i, pi in enumerate(p):  # layer index, layer predictions
        b, a, gj, gi = indices[i]  # image, anchor, gridy, gridx
        tobj = torch.zeros_like(pi[..., 0])  # target obj

        nb = b.shape[0]  # number of targets
        if nb:
            nt += nb  # cumulative targets
            ps = pi[b, a, gj, gi]  # prediction subset corresponding to targets

            # GIoU
            pxy = ps[:, :2].sigmoid()  2. - 0.5
            pwh = (ps[:, 2:4].sigmoid() 
 2) * 2  anchors[i]
            pbox = torch.cat((pxy, pwh), 1)  # predicted box
            giou = bbox_iou(pbox.t(), tbox[i], x1y1x2y2=False, GIoU=True)  # giou(prediction, target)
            lbox += (1.0 - giou).sum() if red == 'sum' else (1.0 - giou).mean()  # giou loss

            # Obj
            tobj[b, a, gj, gi] = (1.0 - model.gr) + model.gr * giou.detach().clamp(0).type(tobj.dtype)  # giou ratio

            # Class
            if model.nc > 1:  # cls loss (only if multiple classes)
                t = torch.full_like(ps[:, 5:], cn)  # targets
                t[range(nb), tcls[i]] = cp
                lcls += BCEcls(ps[:, 5:], t)  # BCE

            # Append targets to text file
            # with open('targets.txt', 'a') as file:
            #     [file.write('%11.5g ' * 4 % tuple(x) + '\n') for x in torch.cat((txy[i], twh[i]), 1)]

        lobj += BCEobj(pi[..., 4], tobj)  # obj loss

    lbox = h['giou']
    lobj 
= h['obj']
    lcls = h['cls']
    bs = tobj.shape[0]  # batch size
    if red == 'sum':
        g = 3.0  # loss gain
        lobj 
= g / bs
        if nt:
            lcls = g / nt / model.nc
            lbox 
= g / nt

    loss = lbox + lobj + lcls
    return loss * bs, torch.cat((lbox, lobj, lcls, loss)).detach()
`

2 NMS非极大值抑制

Yolov4在DIOU_Loss的基础上采用DIOU_NMS的方式,而Yolov5中采用加权NMS的方式。可以看出,采用DIOU_NMS,下方中间箭头的黄色部分,原本被遮挡的摩托车也可以检出。006C3FgEgy1gmzq07am0vj311c0ha11j在同样的参数情况下,将NMS中IOU修改成DIOU_NMS。对于一些遮挡重叠的目标,确实会有一些改进。

2、YOLOv5社交距离项目

yolov5检测要检测的视频流中的所有人,然后再计算所有检测到的人之间的相互“距离”,和现实生活中用“m”这样的单位衡量距离不一样的是,在计算机中,简单的方法是用检测到的两个人的质心,也就是检测到的目标框的中心之间相隔的像素值作为计算机中的“距离”来衡量视频中的人之间的距离是否超过安全距离。构建步骤

  • 使用目标检测算法检测视频流中的所有人,得到位置信息和质心位置;
  • 计算所有检测到的人质心之间的相互距离;
  • 设置安全距离,计算每个人之间的距离对,检测两个人之间的距离是否小于N个像素,小于则处于安全距离,反之则不处于。

006C3FgEgy1gmzq0foseoj30v20lmdhk项目架构:

006C3FgEgy1gmzq0xll6xj30iu0uowhr

detect.py代码注释如下:

`import argparse

from utils.datasets import 
from utils.utils import 

def detect(save_img=False):
    out, source, weights, view_img, save_txt, imgsz = \
        opt.output, opt.source, opt.weights, opt.view_img, opt.save_txt, opt.img_size
    webcam = source == '0' or source.startswith('rtsp') or source.startswith('http') or source.endswith('.txt')

    # Initialize
    device = torch_utils.select_device(opt.device)
    if os.path.exists(out):
        shutil.rmtree(out)  # delete output folder
    os.makedirs(out)  # make new output folder
    half = device.type != 'cpu'  # half precision only supported on CUDA

    # 下载模型
    google_utils.attempt_download(weights)
    # 加载权重
    model = torch.load(weights, map_location=device)['model'].float()
    # torch.save(torch.load(weights, map_location=device), weights)  # update model if SourceChangeWarning
    # model.fuse()
    # 设置模型为推理模式
    model.to(device).eval()
    if half:
        model.half()  # to FP16

    # Second-stage classifier
    classify = False
    if classify:
        modelc = torch_utils.load_classifier(name='resnet101', n=2)  # initialize
        modelc.load_state_dict(torch.load('weights/resnet101.pt', map_location=device)['model'])  # load weights
        modelc.to(device).eval()

    # 设置 Dataloader
    vid_path, vid_writer = None, None
    if webcam:
        view_img = True
        torch.backends.cudnn.benchmark = True  # set True to speed up constant image size inference
        dataset = LoadStreams(source, img_size=imgsz)
    else:
        save_img = True
        dataset = LoadImages(source, img_size=imgsz)

    # 获取检测类别的标签名称
    names = model.names if hasattr(model, 'names') else model.modules.names
    # 定义颜色
    colors = [[random.randint(0, 255) for  in range(3)] for  in range(len(names))]

    # 开始推理
    t0 = time.time()
    # 初始化一张全为0的图片
    img = torch.zeros((1, 3, imgsz, imgsz), device=device)
    _ = model(img.half() if half else img) if device.type != 'cpu' else None
    for path, img, im0s, vid_cap in dataset:
        img = torch.from_numpy(img).to(device)
        img = img.half() if half else img.float()  # uint8 to fp16/32
        img /= 255.0  # 0 - 255 to 0.0 - 1.0
        if img.ndimension() == 3:
            img = img.unsqueeze(0)

        # 预测结果
        t1 = torch_utils.time_synchronized()
        pred = model(img, augment=opt.augment)[0]

        # 使用NMS
        pred = non_max_suppression(pred, opt.conf_thres, opt.iou_thres, fast=True, classes=opt.classes, agnostic=opt.agnostic_nms)
        t2 = torch_utils.time_synchronized()

        # 进行分类
        if classify:
            pred = apply_classifier(pred, modelc, img, im0s)

        people_coords = []

        # 处理预测得到的检测目标
        for i, det in enumerate(pred):
            if webcam:
                p, s, im0 = path[i], '%g: ' % i, im0s[i].copy()
            else:
                p, s, im0 = path, '', im0s

            save_path = str(Path(out) / Path(p).name)
            s += '%gx%g ' % img.shape[2:]  # print string
            gn = torch.tensor(im0.shape)[[1, 0, 1, 0]]  #  normalization gain whwh
            if det is not None and len(det):
                # 把boxes resize到im0的size
                det[:, :4] = scale_coords(img.shape[2:], det[:, :4], im0.shape).round()

                # 打印结果
                for c in det[:, -1].unique():
                    n = (det[:, -1] == c).sum()  # detections per class
                    s += '%g %ss, ' % (n, names[int(c)])  # add to string

                # 书写结果
                for xyxy, conf, cls in det:
                    if save_txt:
                        # xyxy2xywh ==> 把预测得到的坐标结果[x1, y1, x2, y2]转换为[x, y, w, h]其中 xy1=top-left, xy2=bottom-right
                        xywh = (xyxy2xywh(torch.tensor(xyxy).view(1, 4)) / gn).view(-1).tolist()  # normalized xywh
                        with open(save_path[:save_path.rfind('.')] + '.txt', 'a') as file:
                            file.write(('%g ' 
 5 + '\n') % (cls, *xywh))  # label format

                    if save_img or view_img:  # Add bbox to image
                        label = '%s %.2f' % (names[int(cls)], conf)
                        if label is not None:
                            if (label.split())[0] == 'person':
                                # print(xyxy)
                                people_coords.append(xyxy)
                                # plot_one_box(xyxy, im0, line_thickness=3)
                                plot_dots_on_people(xyxy, im0)

            # 通过people_coords绘制people之间的连接线
            # 这里主要分为"Low Risk "和"High Risk"
            distancing(people_coords, im0, dist_thres_lim=(200, 250))

            # Print time (inference + NMS)
            print('%sDone. (%.3fs)' % (s, t2 - t1))

            # Stream results
            if view_img:
                cv2.imshow(p, im0)
                if cv2.waitKey(1) == ord('q'):  # q to quit
                    raise StopIteration

            # Save results (image with detections)
            if save_img:
                if dataset.mode == 'images':
                    cv2.imwrite(save_path, im0)
                else:
                    if vid_path != save_path:  # new video
                        vid_path = save_path
                        if isinstance(vid_writer, cv2.VideoWriter):
                            vid_writer.release()  # release previous video writer

                        fps = vid_cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS)
                        w = int(vid_cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH))
                        h = int(vid_cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT))
                        vid_writer = cv2.VideoWriter(save_path, cv2.VideoWriter_fourcc(*opt.fourcc), fps, (w, h))
                    vid_writer.write(im0)

    if save_txt or save_img:
        print('Results saved to %s' % os.getcwd() + os.sep + out)
        if platform == 'darwin':  # MacOS
            os.system('open ' + save_path)

    print('Done. (%.3fs)' % (time.time() - t0))

if name == 'main':
    parser = argparse.ArgumentParser()
    parser.add_argument('--weights', type=str, default='./weights/yolov5s.pt', help='model.pt path')
    parser.add_argument('--source', type=str, default='./inference/videos/', help='source')  # file/folder, 0 for webcam
    parser.add_argument('--output', type=str, default='./inference/output', help='output&nbsnbsp;folder')  # output folder
    parser.add_argument('--img-size', type=int, default=640, help='inference size (pixels)')
    parser.add_argument('--conf-thres', type=float, default=0.4, help='object confidence threshold')
    parser.add_argument('--iou-thres', type=float, default=0.5, help='IOU threshold for NMS')
    parser.add_argument('--fourcc', type=str, default='mp4v', help='output video codec (verify ffmpeg support)')
    parser.add_argument('--device', default='0', help='cuda device, i.e. 0 or 0,1,2,3 or cpu')
    parser.add_argument('--view-img', action='store_true', help='display results')
    parser.add_argument('--save-txt', action='store_true', help='save results to *.txt')
    parser.add_argument('--classes', nargs='+', type=int, help='filter by class')
    parser.add_argument('--agnostic-nms', action='store_true', help='class-agnostic NMS')
    parser.add_argument('--augment', action='store_true', help='augmented inference')
    opt = parser.parse_args()
    opt.img_size = check_img_size(opt.img_size)
    print(opt)

    with torch.no_grad():
        detect()`

参考

[1].https://zhuanlan.zhihu.com/p/172121380
[2].https://blog.csdn.net/weixin\_45192980/article/details/108354169
[3].https://github.com/ultralytics/yoloV5
[4].https://github.com/Akbonline/Social-Distancing-using-YOLOv5

大叔

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