10分鐘學會使用YOLO及Opencv實現目標檢測（下）|附源碼

摘要： 本文介紹使用opencv和yolo完成視頻流目標檢測，代碼解釋詳細，附源碼，上手快。

在上一節內容中，介紹瞭如何將YOLO應用於圖像目標檢測中，那麼在學會檢測單張圖像後，我們也可以利用YOLO算法實現視頻流中的目標檢測。

將YOLO應用於視頻流對象檢測

首先打開 yolo_video.py文件並插入以下代碼：

# import the necessary packages
import numpy as np
import argparse
import imutils
import time
import cv2
import os

# construct the argument parse and parse the arguments
ap = argparse.ArgumentParser()
ap.add_argument("-i", "--input", required=True,
    help="path to input video")
ap.add_argument("-o", "--output", required=True,
    help="path to output video")
ap.add_argument("-y", "--yolo", required=True,
    help="base path to YOLO directory")
ap.add_argument("-c", "--confidence", type=float, default=0.5,
    help="minimum probability to filter weak detections")
ap.add_argument("-t", "--threshold", type=float, default=0.3,
    help="threshold when applyong non-maxima suppression")
args = vars(ap.parse_args())

同樣，首先從導入相關數據包和命令行參數開始。與之前不同的是，此腳本沒有-- image參數，取而代之的是量個視頻路徑：

• -- input  ：輸入視頻文件的路徑；
• -- output  ：輸出視頻文件的路徑；

視頻的輸入可以是手機拍攝的短視頻或者是網上搜索到的視頻。另外，也可以通過將多張照片合成爲一個短視頻也可以。本博客使用的是在PyImageSearch上找到來自imutils的VideoStream類的 示例。
下面的代碼與處理圖形時候相同：

# load the COCO class labels our YOLO model was trained on
labelsPath = os.path.sep.join([args["yolo"], "coco.names"])
LABELS = open(labelsPath).read().strip().split("\n")

# initialize a list of colors to represent each possible class label
np.random.seed(42)
COLORS = np.random.randint(0, 255, size=(len(LABELS), 3),
    dtype="uint8")

# derive the paths to the YOLO weights and model configuration
weightsPath = os.path.sep.join([args["yolo"], "yolov3.weights"])
configPath = os.path.sep.join([args["yolo"], "yolov3.cfg"])

# load our YOLO object detector trained on COCO dataset (80 classes)
# and determine only the *output* layer names that we need from YOLO
print("[INFO] loading YOLO from disk...")
net = cv2.dnn.readNetFromDarknet(configPath, weightsPath)
ln = net.getLayerNames()
ln = [ln[i[0] - 1] for i in net.getUnconnectedOutLayers()]

在這裏，加載標籤並生成相應的顏色，然後加載YOLO模型並確定輸出層名稱。
接下來，將處理一些特定於視頻的任務：

# initialize the video stream, pointer to output video file, and
# frame dimensions
vs = cv2.VideoCapture(args["input"])
writer = None
(W, H) = (None, None)

# try to determine the total number of frames in the video file
try:
    prop = cv2.cv.CV_CAP_PROP_FRAME_COUNT if imutils.is_cv2() \
        else cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT
    total = int(vs.get(prop))
    print("[INFO] {} total frames in video".format(total))

# an error occurred while trying to determine the total
# number of frames in the video file
except:
    print("[INFO] could not determine # of frames in video")
    print("[INFO] no approx. completion time can be provided")
    total = -1

在上述代碼塊中：

• 打開一個指向視頻文件的文件指針，循環讀取幀；
• 初始化視頻編寫器 （writer）和幀尺寸；
• 嘗試確定視頻文件中的總幀數（total），以便估計整個視頻的處理時間；

之後逐個處理幀：

# loop over frames from the video file stream
while True:
    # read the next frame from the file
    (grabbed, frame) = vs.read()

    # if the frame was not grabbed, then we have reached the end
    # of the stream
    if not grabbed:
        break

    # if the frame dimensions are empty, grab them
    if W is None or H is None:
        (H, W) = frame.shape[:2]

上述定義了一個 while循環， 然後從第一幀開始進行處理，並且會檢查它是否是視頻的最後一幀。接下來，如果尚未知道幀的尺寸，就會獲取一下對應的尺寸。
接下來，使用當前幀作爲輸入執行YOLO的前向傳遞 ：

ect Detection with OpenCVPython

    # construct a blob from the input frame and then perform a forward
    # pass of the YOLO object detector, giving us our bounding boxes
    # and associated probabilities
    blob = cv2.dnn.blobFromImage(frame, 1 / 255.0, (416, 416),
        swapRB=True, crop=False)
    net.setInput(blob)
    start = time.time()
    layerOutputs = net.forward(ln)
    end = time.time()

    # initialize our lists of detected bounding boxes, confidences,
    # and class IDs, respectively
    boxes = []
    confidences = []
    classIDs = []

在這裏，構建一個 blob 並將其傳遞通過網絡，從而獲得預測。然後繼續初始化之前在圖像目標檢測中使用過的三個列表： boxes 、 confidences、classIDs ：

  # loop over each of the layer outputs
    for output in layerOutputs:
        # loop over each of the detections
        for detection in output:
            # extract the class ID and confidence (i.e., probability)
            # of the current object detection
            scores = detection[5:]
            classID = np.argmax(scores)
            confidence = scores[classID]

            # filter out weak predictions by ensuring the detected
            # probability is greater than the minimum probability
            if confidence > args["confidence"]:
                # scale the bounding box coordinates back relative to
                # the size of the image, keeping in mind that YOLO
                # actually returns the center (x, y)-coordinates of
                # the bounding box followed by the boxes' width and
                # height
                box = detection[0:4] * np.array([W, H, W, H])
                (centerX, centerY, width, height) = box.astype("int")

                # use the center (x, y)-coordinates to derive the top
                # and and left corner of the bounding box
                x = int(centerX - (width / 2))
                y = int(centerY - (height / 2))

                # update our list of bounding box coordinates,
                # confidences, and class IDs
                boxes.append([x, y, int(width), int(height)])
                confidences.append(float(confidence))
                classIDs.append(classID)

在上述代碼中，與圖像目標檢測相同的有：

• 循環輸出層和檢測；
• 提取 classID並過濾掉弱預測；
• 計算邊界框座標；
• 更新各自的列表；

接下來，將應用非最大值抑制：

    # apply non-maxima suppression to suppress weak, overlapping
    # bounding boxes
    idxs = cv2.dnn.NMSBoxes(boxes, confidences, args["confidence"],
        args["threshold"])

    # ensure at least one detection exists
    if len(idxs) > 0:
        # loop over the indexes we are keeping
        for i in idxs.flatten():
            # extract the bounding box coordinates
            (x, y) = (boxes[i][0], boxes[i][1])
            (w, h) = (boxes[i][2], boxes[i][3])

            # draw a bounding box rectangle and label on the frame
            color = [int(c) for c in COLORS[classIDs[i]]]
            cv2.rectangle(frame, (x, y), (x + w, y + h), color, 2)
            text = "{}: {:.4f}".format(LABELS[classIDs[i]],
                confidences[i])
            cv2.putText(frame, text, (x, y - 5),
                cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, color, 2)

同樣的，在上述代碼中與圖像目標檢測相同的有：

• 使用cv2.dnn.NMSBoxes函數用於抑制弱的重疊邊界框，可以在此處閱讀有關非最大值抑制的更多信息；
• 循環遍歷由NMS計算的idx，並繪製相應的邊界框+標籤；

最終的部分代碼如下：

    # check if the video writer is None
    if writer is None:
        # initialize our video writer
        fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*"MJPG")
        writer = cv2.VideoWriter(args["output"], fourcc, 30,
            (frame.shape[1], frame.shape[0]), True)

        # some information on processing single frame
        if total > 0:
            elap = (end - start)
            print("[INFO] single frame took {:.4f} seconds".format(elap))
            print("[INFO] estimated total time to finish: {:.4f}".format(
                elap * total))

    # write the output frame to disk
    writer.write(frame)

# release the file pointers
print("[INFO] cleaning up...")
writer.release()
vs.release()

總結一下：

• 初始化視頻編寫器（writer），一般在循環的第一次迭代被初始化；
• 打印出對處理視頻所需時間的估計；
• 將幀（frame）寫入輸出視頻文件；
• 清理和釋放指針；

現在，打開一個終端並執行以下命令：

$ python yolo_video.py --input videos/car_chase_01.mp4 \
    --output output/car_chase_01.avi --yolo yolo-coco
[INFO] loading YOLO from disk...
[INFO] 583 total frames in video
[INFO] single frame took 0.3500 seconds
[INFO] estimated total time to finish: 204.0238
[INFO] cleaning up...

在視頻/ GIF中，你不僅可以看到被檢測到的車輛，還可以檢測到人員以及交通信號燈！
YOLO目標檢測器在該視頻中表現相當不錯。讓現在嘗試同一車追逐視頻中的不同視頻：

$ python yolo_video.py --input videos/car_chase_02.mp4 \
    --output output/car_chase_02.avi --yolo yolo-coco
[INFO] loading YOLO from disk...
[INFO] 3132 total frames in video
[INFO] single frame took 0.3455 seconds
[INFO] estimated total time to finish: 1082.0806
[INFO] cleaning up...

YOLO再一次能夠檢測到行人！或者嫌疑人回到他們的車中並繼續追逐：

$ python yolo_video.py --input videos/car_chase_03.mp4 \
    --output output/car_chase_03.avi --yolo yolo-coco
[INFO] loading YOLO from disk...
[INFO] 749 total frames in video
[INFO] single frame took 0.3442 seconds
[INFO] estimated total time to finish: 257.8418
[INFO] cleaning up...

最後一個例子，讓我們看看如何使用YOLO作爲構建流量計數器：

$ python yolo_video.py --input videos/overpass.mp4 \
    --output output/overpass.avi --yolo yolo-coco
[INFO] loading YOLO from disk...
[INFO] 812 total frames in video
[INFO] single frame took 0.3534 seconds
[INFO] estimated total time to finish: 286.9583
[INFO] cleaning up...

下面彙總YOLO視頻對象檢測完整視頻：

• Quaker Oats汽車追逐視頻；
• Vlad Kiraly立交橋視頻；
• “White Crow”音頻；

YOLO目標檢測器的侷限和缺點

YOLO目標檢測器的最大限制和缺點是：

• 它並不總能很好地處理小物體；
• 它尤其不適合處理密集的對象；

限制的原因是由於YOLO算法其本身：

• YOLO對象檢測器將輸入圖像劃分爲SxS網格，其中網格中的每個單元格僅預測單個對象；
• 如果單個單元格中存在多個小對象，則YOLO將無法檢測到它們，最終導致錯過對象檢測；

因此，如果你的數據集是由許多靠近在一起的小對象組成時，那麼就不應該使用YOLO算法。就小物體而言，更快的R-CNN往往效果最好，但是其速度也最慢。在這裏也可以使用SSD算法， SSD通常在速度和準確性方面也有很好的權衡。
值得注意的是，在本教程中，YOLO比SSD運行速度慢，大約慢一個數量級。因此，如果你正在使用預先訓練的深度學習對象檢測器供OpenCV使用，可能需要考慮使用SSD算法而不是YOLO算法。
因此，在針對給定問題選擇對象檢測器時，我傾向於使用以下準則：

• 如果知道需要檢測的是小物體並且速度方面不作求，我傾向於使用faster R-CNN算法；
• 如果速度是最重要的，我傾向於使用YOLO算法；
• 如果需要一個平衡的表現，我傾向於使用SSD算法；

想要訓練自己的深度學習目標檢測器？

在本教程中，使用的YOLO模型是在COCO數據集上預先訓練的.。但是，如果想在自己的數據集上訓練深度學習對象檢測器，該如何操作呢？
大體思路是自己標註數據集，按照darknet網站上的指示及網上博客自己更改相應的參數訓練即可。或者在我的書“ 深度學習計算機視覺與Python”中，詳細講述瞭如何將faster R-CNN、SSD和RetinaNet應用於：

• 檢測圖像中的徽標；
• 檢測交通標誌；
• 檢測車輛的前視圖和後視圖（用於構建自動駕駛汽車應用）；
• 檢測圖像和視頻流中武器；

書中的所有目標檢測章節都包含對算法和代碼的詳細說明，確保你能夠成功訓練自己的對象檢測器。在這裏可以瞭解有關我的書的更多信息（並獲取免費的示例章節和目錄）。

總結

在本教程中，我們學習瞭如何使用Deep Learning、OpenCV和Python完成YOLO對象檢測。然後，我們簡要討論了YOLO架構，並用Python實現：

• 將YOLO對象檢測應用於單個圖像；
• 將YOLO對象檢測應用於視頻流；

在配備的3GHz Intel Xeon W處理器的機器上，YOLO的單次前向傳輸耗時約0.3秒； 但是，使用單次檢測器（SSD），檢測耗時只需0.03秒，速度提升了一個數量級。對於使用OpenCV和Python在CPU上進行基於實時深度學習的對象檢測，你可能需要考慮使用SSD算法。

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本文作者：【方向】

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