通过深度学习实现安全帽佩戴的检测

前一段时间做企业的智能安全项目,我们在面对一些问题时,大胆采用深度学习的方法,解决传统算法和统计学算法不好实现的问题,今天就和大家分享一下,如何解决通过视频监控检测工人是否佩戴安全帽的深度学习算法。

安全帽检测

企业安全智能监控画面

01

概述

对于图像识别,采用传统的算法(opencv的一些算法),判断形状、颜色等等,我们在实验室和办公场所做测试,效果还不错,和容易识别出来。 一旦到了工业现场,图像完全不行,连人和车都识别不出来。在不同光线下不论采用什么颜色空间(RGB、HSV什么)都无法分离出合理的色彩,更不要提判断和检测了。有感于实际的现场环境,决定放弃传统的算法,拿起深度学习的工具,来搞定这个项目。

02

数据准备

高大上的人工智能背后,一定是苦逼的数据准备,深度学习的模型,需要成千上万的训练和测试数据,这些数据的采集和整理,还有数据的清洗都是体力活啊。

当然,我还是没傻到一张张去拍照片。我通过现场的摄像头做了视频采集,然后拿到录像,做了一个代码从录像中找到人,再把人的上半部分处理一下,变成标准格式的图片。这样子,2-3天的录像就可以产生几十万张图片了,看来训练集的问题解决了。

# -*- coding:utf-8 -*-
 # 录像转换为图片
from time import gmtime, strftime
import cv2
videoFile = '/media/kingstar/kingstardata/safety_eyes/nohatdata/7.mp4'
cap = cv2.VideoCapture(videoFile)
cap.set(3,640)
cap.set(4,480)
 while(True):     
ret, frame = cap.read()     
img = frame     
cv2.imshow('my', img)     
f = strftime("%Y%m%d%H%M%S.jpg", gmtime())     
cv2.imwrite('output/'+ f, img)     
if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):         
break    
 if img.size == 0:         
break
cap.release
cv2.destroyAllWindows()

采用SSD的算法(用于物体检测的深度学习主流算法之一)检测出图片中的人。

# -*-coding: utf-8-*-
from keras.preprocessing import image
from keras.applications.imagenet_utils 
import preprocess_input from scipy.misc 
import imread
import numpy as np
from ssd import SSD300
from ssd_utils import BBoxUtility
import matplotlib.pyplot as plt
import cv2
from os import listdir
 voc_classes = ['Aeroplane', 'Bicycle', 'Bird', 'Boat', 'Bottle',               
 'Bus', 'Car', 'Cat', 'Chair', 'Cow', 'Diningtable',               
 'Dog', 'Horse','Motorbike', 'Person', 'Pottedplant',               
 'Sheep', 'Sofa', 'Train', 'Tvmonitor']
NUM_CLASSES = len(voc_classes) + 1
input_shape=(300, 300, 3)
model = SSD300(input_shape, num_classes=NUM_CLASSES) model.load_weights('weights_SSD300.hdf5', by_name=True)
bbox_util = BBoxUtility(NUM_CLASSES)
 def ssd(img_path):     
global oPath       
inputs = []     
images = []     
#img_path = 'test02.jpg'      
img0 = cv2.imread(img_path)     
img = image.load_img(img_path, target_size=(300, 300))     
img = image.img_to_array(img)    
 images.append(imread(img_path))     
inputs.append(img.copy())     
inputs = preprocess_input(np.array(inputs))      
preds = model.predict(inputs, batch_size=1, verbose=1)     
results = bbox_util.detection_out(preds)      
#print results      
# Parse the outputs.      
for i, img in enumerate(images):         
det_label = results[i][:, 0]         
det_conf = results[i][:, 1]         
det_xmin = results[i][:, 2]         
det_ymin = results[i][:, 3]         
det_xmax = results[i][:, 4]         
det_ymax = results[i][:, 5]         
#print i,det_label,det_conf         
# Get detections with confidence higher than 0.6.         
top_indices = [i for i, conf in enumerate(det_conf) if conf >= 0.5]           
top_conf = det_conf[top_indices]         
top_label_indices = det_label[top_indices].tolist()         
top_xmin = det_xmin[top_indices]         
top_ymin = det_ymin[top_indices]         
top_xmax = det_xmax[top_indices]         
top_ymax = det_ymax[top_indices]           
 #colors = plt.cm.hsv(np.linspace(0, 1, 21)).tolist()         
#plt.imshow(img / 255.)         
#currentAxis = plt.gca()          
#print top_label_indices         
#print top_conf         
#print top_conf.shape[0]         
for i0 in range(top_conf.shape[0]):             
xmin = int(round(top_xmin[i0] * img.shape[1]))             
ymin = int(round(top_ymin[i0] * img.shape[0]))             
xmax = int(round(top_xmax[i0] * img.shape[1]))             
ymax = int(round(top_ymax[i0] * img.shape[0]))             
score = top_conf[i0]            
 label = int(top_label_indices[i0])             
label_name = voc_classes[label - 1]             
#display_txt = '{:0.2f}, {}'.format(score, label_name)             
#coords = (xmin, ymin), xmax-xmin+1, ymax-ymin+1             
#color = colors[label]             
#currentAxis.add_patch(plt.Rectangle(*coords, fill=False, edgecolor=color, linewidth=2))             
#currentAxis.text(xmin, ymin, display_txt, bbox={'facecolor':color, 'alpha':0.5})             print label_name,score,xmin,ymin,xmax,ymax             
fileStr0 = img_path.split('.')[-2]             
fileStr0 = fileStr0.split('/')[-1]             
if label_name == 'Person':                 
fileStr = '%s/Person5/%s.%d.jpg' %(oPath,fileStr0,i0+1)                 
im = img0[ymin:ymax,xmin:xmax]                 
r = cv2.imwrite(fileStr,im)                 
print 'Person0',fileStr              
if label_name == 'Car1' or label_name == 'Motorbike1':                 
fileStr = '%s/Car/%s.%d.jpg' %(oPath,fileStr0,i0+1)                 
im = img0[ymin:ymax,xmin:xmax]                 
r = cv2.imwrite(fileStr,im)                 
print 'Car0',fileStr           
#plt.show()         
#cv2.imshow('im', im)         
#cv2.waitKey(0)  if __name__ == "__main__":      img_path = 'test02.jpg'      
mPath = '/media/kingstar/kingstardata/safety_eyes/baidu5'     
oPath = '/media/kingstar/kingstardata/safety_eyes/out'     
trainFileList = listdir(mPath)     
m =len(trainFileList)     
print m      
for i in range(m):         
fileNameStr = trainFileList[i]         
fileStr = fileNameStr.split('.')[-2]         
print i,fileNameStr,fileStr   
      fileNameStr = '%s/%s' % (mPath,fileNameStr)         
print 'step:%d/%d' % (i,m)         
ssd(fileNameStr)

这样就可以建立自己的训练集:

train和test (带不带帽子的标注需要人工去做... 这个还是很苦逼)

训练集

03

搭建模型

考虑到标准的图片只有128*128,特征不是很多,就动手搭建一个不算深的深度学习模型,采用卷积神经网络处理图形特征,搞过cnn的同学会觉得so easy。

model = Sequential() model.add(Convolution2D(32, 3, 3, input_shape=( img_width, img_height, 3))) model.add(Activation('relu')) model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))) model.add(Convolution2D(64, 3, 3)) model.add(Activation('relu')) model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))) model.add(Convolution2D(64, 3, 3)) model.add(Activation('relu')) model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2))) model.add(Flatten()) model.add(Dense(64)) model.add(Activation('relu')) model.add(Dropout(0.5)) model.add(Dense(1)) model.add(Activation('sigmoid')) model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer='rmsprop', metrics=['accuracy'])

这是个只有三层的卷积神经网络,我们就拿这个模型进行训练和学习吧。

04

训练神经网络

深度学习的训练是极其需要强大的算力的,多亏我们的模型较小,另外我们还DIY了一台深度学习服务器,有了强大的GPU做运算。

经过了一晚上的训练,终于出了结果,数据上还不错,识别率竟然到了95%以上。

具体代码如下:

# -*-coding: utf-8-*-
from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Convolution2D, MaxPooling2D
from keras.layers 
import Activation, Dropout, Flatten, Dense
 # dimensions of our images.
img_width, img_height = 128, 128
 train_data_dir = '/media/kingstar/kingstardata/data/train'
validation_data_dir = '/media/kingstar/kingstardata/data/test'
nb_train_samples = 4000
nb_validation_samples = 800
nb_epoch = 60   model = Sequential()
model.add(Convolution2D(32, 3, 3, input_shape=( img_width, img_height, 3))) model.add(Activation('relu')) model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))  model.add(Convolution2D(64, 3, 3)) model.add(Activation('relu')) model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))  model.add(Convolution2D(64, 3, 3)) model.add(Activation('relu')) model.add(MaxPooling2D(pool_size=(2, 2)))  model.add(Flatten()) model.add(Dense(64)) model.add(Activation('relu')) model.add(Dropout(0.5)) model.add(Dense(1)) model.add(Activation('sigmoid'))  model.compile(loss='binary_crossentropy',               
optimizer='rmsprop',               
metrics=['accuracy'])
train_datagen = ImageDataGenerator(         rescale=1./255,         
shear_range=0.2,         
zoom_range=0.2,         
horizontal_flip=True)
 test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
 train_generator = train_datagen.flow_from_directory(         
train_data_dir,         
target_size=(img_width, img_height),         
batch_size=32,        
 class_mode='binary')
 validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(         
validation_data_dir,         
target_size=(img_width, img_height),         
batch_size=32,         
class_mode='binary')
 model.fit_generator(         
train_generator,         
samples_per_epoch=nb_train_samples,         
nb_epoch=nb_epoch,         
validation_data=validation_generator,         
nb_val_samples=nb_validation_samples)
model.save('trianHat12801.h5')

05 结论

通过简单的cnn模型和一个小规模的数据集的训练,基本上达到了目标。

不过在实际测试用的识别率还是比较低,感觉还是无法直接用于生产环境。

没关系,下一步我们会采用成熟的模型vgg或resnet,在这个模型后端做修改,进行调优和训练,另外提高训练集的数量和进一步做数据清洗,已达到可以直接在生产环境上使用的目标。

原文发布于微信公众号 - 人工智能LeadAI(atleadai)

原文发表时间:2017-12-27

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