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基于卷积神经网络&深度学习的车距检测系统

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1.研究背景与意义

项目来源:AAAI Association for the Advancement of Artificial Intelligence(网页链接)

研究背景与意义

随着汽车工业迅速发展与智能驾驶技术持续提升,在道路上车辆之间的间距是维持交通安全的关键要素之一。因此开发一种精确可靠的间距检测装置对提升道路交通安全性具有重要意义。

传统的车距检测手段多依赖于各类传感器技术的应用。

在本研究中,卷积神经网络(CNN)作为一种深度学习模型,展现出卓越的特征提取与模式识别能力。经过对海量车辆图像数据的学习与训练,该算法具备识别出车辆间间距的能力,能够精准判定各辆车辆之间的间距数值。此外,该深度学习模型具备良好的泛化特性,能够在多变环境下应对各类复杂场景下的车辆间距检测问题。进一步而言,该系统可通过持续优化算法参数,在提高检测精度的同时保证系统的稳定性

基于卷积神经网络及深度学习技术开发的车辆间距检测系统展现出显著的应用前景

然而,在卷积神经网络与深度学习的基础上构建的车距检测系统仍面临着诸多挑战与问题。首先, 该系统需要投入大量的人力物力以进行训练, 而收集海量车辆图像数据是一项极具难度的任务.其次, 该系统在训练与优化的过程中不仅耗时费力而且对计算资源的需求也非常庞大.此外, 该系统的可解释性较差缺乏良好的理论支持与技术手段来进行深入分析.

因此,在未来的相关研究中可以从以下几个关键领域展开探讨:首先,在改进车辆图像数据采集方法方面应注重采用更加先进的技术手段来实现对交通场景信息的高精度捕捉;其次,在优化深度学习模型结构与算法设计上应当着重发展能够显著提升系统运行效率的技术;此外,在提升模型可解释性方面需要深入探究其在实际应用中的局限性与改进空间

总之,在卷积神经网络与深度学习技术的支持下构建的车距检测系统能够充分发挥其应用价值与研究意义。经过深入研究与技术优化后,则可显著提升该系统的准确率与稳定性,并为道路交通安全以及智能驾驶技术的进步作出实质贡献

2.图片演示

在这里插入图片描述
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3.视频演示

该系统通过融合卷积神经网络与深度学习算法实现车辆间距感知

4.数据集的采集&标注和整理

图片的收集

为了实现图像数据的完整性,请考虑采用多种途径获取所需内容,并参考现有开放数据集TrafficDatasets作为资源。

在这里插入图片描述

labelImg是一套可视化图像标记工具,并支持VOC及YOLO两种格式的数据导入。以下是使用labelImg将图片标注为VOC格式的具体步骤:

(1)获取并安装labelImg软件包。
(2)打开labelImg后,请您选择“Open Dir”以指定图片目录路径。
(3)为您的目标对象分配标签名称。
(4)在图像上绘制矩形框以框选目标,并指定相应的标签。
(5)完成标注后,请注意您的图像将被保存为带有相同名称的XML文件。
(6)请反复操作上述步骤直至所有图像均完成标注。

因为YOLO采用了txt格式的标注方式,并且我们需要将VOC格式转译为YOLO格式以便于后续处理。可以通过下载多种转换工具或编写自定义脚本来实现这一目标。

在这里插入图片描述

下面是一个简便的方法是基于Python脚本解析XML文件,并生成YOLO所需格式的txt文件。

复制代码
    #!/usr/bin/env python3
    # -*- coding: utf-8 -*-
    
    import xml.etree.ElementTree as ET
    import os
    
    classes = []  # 初始化为空列表
    
    CURRENT_DIR = os.path.dirname(os.path.abspath(__file__))
    
    def convert(size, box):
    dw = 1. / size[0]
    dh = 1. / size[1]
    x = (box[0] + box[1]) / 2.0
    y = (box[2] + box[3]) / 2.0
    w = box[1] - box[0]
    h = box[3] - box[2]
    x = x * dw
    w = w * dw
    y = y * dh
    h = h * dh
    return (x, y, w, h)
    
    def convert_annotation(image_id):
    in_file = open('./label_xml\%s.xml' % (image_id), encoding='UTF-8')
    out_file = open('./label_txt\%s.txt' % (image_id), 'w')  # 生成txt格式文件
    tree = ET.parse(in_file)
    root = tree.getroot()
    size = root.find('size')
    w = int(size.find('width').text)
    h = int(size.find('height').text)
    
    for obj in root.iter('object'):
        cls = obj.find('name').text
        if cls not in classes:
            classes.append(cls)  # 如果类别不存在,添加到classes列表中
        cls_id = classes.index(cls)
        xmlbox = obj.find('bndbox')
        b = (float(xmlbox.find('xmin').text), float(xmlbox.find('xmax').text), float(xmlbox.find('ymin').text),
             float(xmlbox.find('ymax').text))
        bb = convert((w, h), b)
        out_file.write(str(cls_id) + " " + " ".join([str(a) for a in bb]) + '\n')
    
    xml_path = os.path.join(CURRENT_DIR, './label_xml/')
    
    # xml list
    img_xmls = os.listdir(xml_path)
    for img_xml in img_xmls:
    label_name = img_xml.split('.')[0]
    print(label_name)
    convert_annotation(label_name)
    
    print("Classes:")  # 打印最终的classes列表
    print(classes)  # 打印最终的classes列表
    
    
    
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整理数据文件夹结构

我们需要将数据集整理为以下结构:

复制代码
    -----data
       |-----train
       |   |-----images
       |   |-----labels
||

       |-----valid
       |   |-----images
       |   |-----labels
||

       |-----test
       |-----images
       |-----labels
    
    
    
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确保以下几点:

所有训练图像均存于data/train/images目录中,
所有验证图像均存于data/valid/images目录中,
所有测试图像均存于data/test/images目錄中,
这种组织方式显著簡化了數據管理以及模型訓練、驗證和測試的過程。

模型训练
复制代码
     Epoch   gpu_mem       box       obj       cls    labels  img_size
     1/200     20.8G   0.01576   0.01955  0.007536        22      1280: 100%|██████████| 849/849 [14:42<00:00,  1.04s/it]
           Class     Images     Labels          P          R     mAP@.5 mAP@.5:.95: 100%|██████████| 213/213 [01:14<00:00,  2.87it/s]
             all       3395      17314      0.994      0.957      0.0957      0.0843
    
     Epoch   gpu_mem       box       obj       cls    labels  img_size
     2/200     20.8G   0.01578   0.01923  0.007006        22      1280: 100%|██████████| 849/849 [14:44<00:00,  1.04s/it]
           Class     Images     Labels          P          R     mAP@.5 mAP@.5:.95: 100%|██████████| 213/213 [01:12<00:00,  2.95it/s]
             all       3395      17314      0.996      0.956      0.0957      0.0845
    
     Epoch   gpu_mem       box       obj       cls    labels  img_size
     3/200     20.8G   0.01561    0.0191  0.006895        27      1280: 100%|██████████| 849/849 [10:56<00:00,  1.29it/s]
           Class     Images     Labels          P          R     mAP@.5 mAP@.5:.95: 100%|███████   | 187/213 [00:52<00:00,  4.04it/s]
             all       3395      17314      0.996      0.957      0.0957      0.0845
    
    
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5.核心代码讲解

5.1 data_processing.py

该程序文件名为data_processing.py,并致力于进行数据处理。该程序包含了torch及其transforms模块。

此文件包含以下几点详细说明:一是定义了一个名为DataProcessor的类;二是列举了其所有的方法;三是列出了其所有的属性。

`init(self, dataset): 该方法用于初始化实例,并接受一个数据集作为输入参数。该方法会将该数据集存储于self.dataset属性中,并通过transforms.Compose串联各个预定义的转换操作序列。这些转换包括首先将图像大小统一设置为256x256像素;其次将图像转换为张量;最后对图像执行归一化处理。

process_data(self):一种数据预处理方法,在对图像进行分类任务前对其进行必要的增强与标准化处理。具体而言,在循环迭代整个数据集的过程中:

  1. 首先初始化一个空列表processed_data用于存储经过预处理后的一系列图像信息;
  2. 然后依次取出每张图片及其对应的标签;
  3. 对于每一个获取到的原始图片文件,
    a. 应用我们之前定义好的一系列预处理操作,
    b. 包括旋转、缩放、裁剪以及归一化等步骤;
  4. 将经过上述系列变换后得到的标准化图片及其对应的目标标签,
    a. 追加到processed_data列表中去;
  5. 循环结束后,
    a. 最终返回该预处理后的完整数据集合processed_data

该程序文件的核心功能是将给定的数据集中的图像执行预处理操作,并具体包括调整尺寸、转为张量表示以及实施归一化操作等步骤。经过上述预处理后获得的数据显示于列表形式中。

5.1 distance_measurement.py
复制代码
    
    class DistanceMeasurer:
    def __init__(self):
        self.mtcnn = MTCNN()
        self.p4p = P4P()
    
    def measure_distance(self, image, detections):
        distances = []
        for detection in detections:
            landmarks = self.mtcnn.detect_landmarks(image, detection)
            distance = self.p4p.calculate_distance(landmarks)
            distances.append(distance)
    
        return distances
    
    
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该Python脚本文件名被命名为distance_measurement.py,在其中定义了一个被称为DistanceMeasurer的主要类别。该类别的构造函数负责初始化两个核心组件:一个是MTCNN模型这一特定类型的人脸特征检测工具;另一个是P4P算法这一精确计算物体间距离的关键技术。其中,MTCNN模型主要用于检测面部关键点的位置;而另一个是P4P算法,则专门用于测量物体之间的距离。

DistanceMeasurer类还具备一个名为measure_distance的方法。此方法接收一张图像以及包含已检测车辆边界框的列表作为输入参数。具体而言,该方法利用MTCNN模型识别图像中的关键点,并基于P4P算法计算每个检测到的车辆边界框的距离值。完成这些计算后,系统会将所有结果汇总并存储在一个列表中,最终返回此结果列表。

5.2 export.py
复制代码
    
    
    class YOLOv5Exporter:
    def __init__(self, weights, include):
        self.weights = weights
        self.include = include
    
    def export(self):
        set_logging()
        device = select_device('')
        half = device.type != 'cpu'  # half precision only supported on CUDA
    
        # Load model
        model = attempt_load(self.weights, map_location=device)  # load FP32 model
        imgsz = check_img_size(640, s=model.stride.max())  # check img_size
        if half:
            model.half()  # to FP16
    
        # Set Dataloader
        dataset = LoadImages('data/images', img_size=imgsz)
    
        # Configure run
        model.eval()
    
        # Export
        if 'torchscript' in self.include:
            export_torchscript(model, torch.zeros(1, 3, imgsz, imgsz).to(device), Path(''), optimize=True)
        if 'onnx' in self.include:
            export_onnx(model, torch.zeros(1, 3, imgsz, imgsz).to(device), Path(''), opset=12, train=False, dynamic=False, simplify=False)
        if 'coreml' in self.include:
            export_coreml(model, torch.zeros(1, 3, imgsz, imgsz).to(device), Path(''))
        if 'saved_model' in self.include:
            export_saved_model(model, torch.zeros(1, 3, imgsz, imgsz).to(device), Path(''), dynamic=False)
        if 'pb' in self.include:
            export_pb(model, torch.zeros(1, 3, imgsz, imgsz).to(device), Path(''))
        if 'tflite' in self.include:
            export_tflite(model, torch.zeros(1, 3, imgsz, imgsz).to(device), Path(''), int8=False, data='data.yaml', ncalib=100)
        if 'tfjs' in self.include:
            export_tfjs(model, torch.zeros(1, 3, imgsz, imgsz).to(device), Path(''))
    
    
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该程序文件旨在将YOLOv5 PyTorch模型转换为TorchScriptONNXCoreMLTensorFlow(包括 saved_modelpbTFLiteTF.js 等)格式的工具。可通过设置命令行参数来指定输出格式。通过该程序文件不仅能够执行推理任务还能完成模型导出过程。

程序文件依次引入了必要的核心组件,并构建了一系列功能模块与基础参数设置。随后,在分析命令行输入的基础上启动YOLOv5模型训练流程,并对模型架构进行性能优化与算法改进操作。最终完成配置后会自动生成预览文件以供后续验证与部署使用

具体来说,程序文件支持以下功能:

  • 将模型转换为TorchScript格式
  • 生成ONNX格式的导出模型
  • 转换为CoreML格式的过程
  • 以TensorFlow saved_model格式保存模型
  • 转换为TensorFlow GraphDef文件的形式
  • 将TensorFlow Lite模型以特定方式导出

程序文件还提供了一些命令行参数,用于指定模型权重文件、导出格式等。

5.3 P4P.py
复制代码
    import numpy as np
    import cv2
    
    class P4P:
    def __init__(self, camera_matrix, dist_coeffs):
        self.camera_matrix = camera_matrix
        self.dist_coeffs = dist_coeffs
    
    def calculate_distance(self, image_points, object_points):
        _, rotation_vector, translation_vector = cv2.solvePnP(object_points, image_points,
                                                              self.camera_matrix, self.dist_coeffs)
        distance = translation_vector[2]
        return distance
    
    
    
    
    
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此Python脚本文件名设定为pyp.p;其中包含了核心的一个叫做pyp.p的对象或实体。这个对象或实体主要包括若干个成员函数以及相关属性值等部分。

初始化函数(__init__()):一种用于初始化对象的方法。该方法负责设置相关参数...如摄像头的内参矩阵和畸变系数。这些参数通常通过相机标定技术获取。

该函数calculate_distance(self, image_points)用于计算距离。它接收一个名为image_points的参数(位于代码块中)。基于OpenCV中的solvePnP函数来估计车辆的姿态(即旋转和平移),然后利用平移向量中Z坐标的值来估算距离并返回。

在该程序中,使用了numpy库和OpenCV库来进行数值计算和图像处理。

5.4 ui.py
复制代码
    
    class CarDetector:
    def __init__(self, model_path):
        self.model = attempt_load(model_path, map_location=torch.device('cpu')).eval()
    
    def detect_cars(self, img_path):
        img = cv2.imread(img_path)
        img = torch.from_numpy(img.transpose(2, 0, 1)).float() / 255.0
        img = img.unsqueeze(0)
    
        # Run YOLOv5 detector
        pred = self.model(img)[0]
    
        # Apply non-maximum suppression
        pred = non_max_suppression(pred, conf_thres=0.25, iou_thres=0.45)
    
        # Get car bounding boxes
        car_boxes = []
        for det in pred:
            for x1, y1, x2, y2, conf, cls in det:
                if int(cls) == 2:  # Class ID 2 represents cars
                    car_boxes.append((x1.item(), y1.item(), x2.item(), y2.item()))
    
        return car_boxes
    
    def calculate_car_distance(self, img_path, real_car_height, known_distance):
        img = cv2.imread(img_path)
        img_height, img_width = img.shape[:2]
    
        car_boxes = self.detect_cars(img_path)
    
        car_distances = []
        for x1, y1, x2, y2 in car_boxes:
            bbox_height = y2 - y1
            distance = (real_car_height * known_distance) / bbox_height
            car_distances.append(distance)
    
        return car_distances
    ......
    
    
    AI生成项目python
    
    
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该程序文件运用YOLOv5模型识别出其中的汽车,并且同时计算出各辆车之间的间距。该程序文件包括以下功能模块:

identify_v vehicles(img_path: str):使用YOLOv5模型识别图像中的车辆并返回其位置信息。

calculate_car_distance(img_path: str, real_car_height: float, known_distance: float):注解:该函数用于计算图像中车辆之间的距离。

det_yolov5v6(info1):YOLOv5模型进行目标检测。

该系统的主要功能模块负责处理目标检测任务。其中,

  • detect_cars 函数基于YOLOv5模型对输入图像进行处理,
  • 并输出所有检测到的汽车边界框;
  • calculate_car_distance 函数则根据输入图像的高度、已知的距离以及所测物体的边界框信息来计算车辆之间的距离;
  • det_yolov5v6 函数则作为核心模块,
  • 主要负责YOLOv5模型的目标识别工作。

此外, 程序还引入了一些必要的库模块, 包括 argparse, os, platform, shutil, time, pathlib, cv2 和 torch 等.

5.5 val.py
复制代码
    class YOLOv5Validator:
    def __init__(self, data, weights=None, batch_size=32, imgsz=640, conf_thres=0.001, iou_thres=0.6, task='val', device='', single_cls=False, augment=False, verbose=False, save_txt=False, save_hybrid=False, save_conf=False, save_json=False, project=ROOT / 'runs/val', name='exp', exist_ok=False, half=True, model=None, dataloader=None, save_dir=Path(''), plots=True, callbacks=Callbacks(), compute_loss=None):
        self.data = data
        self.weights = weights
        self.batch_size = batch_size
        self.imgsz = imgsz
        self.conf_thres = conf_thres
        self.iou_thres = iou_thres
        self.task = task
        self.device = device
        self.single_cls = single_cls
        self.augment = augment
        self.verbose = verbose
        self.save_txt = save_txt
        self.save_hybrid = save_hybrid
        self.save_conf = save_conf
        self.save_json = save_json
        self.project = project
        self.name = name
        self.exist_ok = exist_ok
        self.half = half
        self.model = model
        self.dataloader = dataloader
        self.save_dir = save_dir
        self.plots = plots
        self.callbacks = callbacks
        self.compute_loss = compute_loss
    
    def save_one_txt(self, predn, save_conf, shape, file):
        # Save one txt result
        gn = torch.tensor(shape)[[1, 0, 1, 0]]  # normalization gain whwh
        for *xyxy, conf, cls in predn.tolist():
            xywh = (xyxy2xywh(torch.tensor(xyxy).view(1, 4)) / gn).view(-1).tolist()  # normalized xywh
            line = (cls, *xywh, conf) if save_conf else (cls, *xywh)  # label format
            with open(file, 'a') as f:
                f.write(('%g ' * len(line)).rstrip() % line + '\n')
    
    def save_one_json(self, predn, jdict, path, class_map):
        # Save one JSON result {"image_id": 42, "category_id": 18, "bbox": [258.15, 41.29, 348.26, 243.78], "score": 0.236}
        image_id = int(path.stem) if path.stem.isnumeric() else path.stem
        box = xyxy2xywh(predn[:, :4])  # xywh
        box[:, :2] -= box[:, 2:] / 2  # xy center to top-left corner
        for p, b in zip(predn.tolist(), box.tolist()):
            jdict.append({'image_id': image_id,
                          'category_id': class_map[int(p[5])],
                          'bbox': [round(x, 3) for x in b],
                          'score': round(p[4], 5)})
    
    def process_batch(self, detections, labels, iouv):
        """
        Return correct predictions matrix. Both sets of boxes are in (x1, y1, x2, y2) format.
        Arguments:
            detections (Array[N, 6]), x1, y1, x2, y2, conf, class
            labels (Array[M, 5]), class, x1, y1, x2, y2
        Returns:
            correct (Array[N, 10]), for 10 IoU levels
        """
        correct = torch.zeros(detections.shape[0], iouv.shape[0], dtype=torch.bool, device=iouv.device)
        iou = box_iou(labels[:, 1:], detections[:, :4])
        x = torch.where((iou >= iouv[0]) & (labels[:, 0:1] == detections[:, 5]))  # IoU above threshold and classes match
        if x[0].shape[0]:
            matches = torch.cat((torch.stack(x, 1), iou[x[0], x[1]][:, None]), 1).cpu().numpy()  # [label, detection, iou]
            if x[0].shape[0] > 1:
                matches = matches[matches[:, 2].argsort()[::-1]]
                matches = matches[np.unique(matches[:, 1], return_index=True)[1]]
                # matches = matches[matches[:, 2].argsort()[::-1]]
                matches = matches[np.unique(matches[:, 0], return_index=True)[1]]
            matches = torch.Tensor(matches).to(iouv.device)
            correct[matches[:, 1].long()] = matches[:, 2:3] >= iouv
        return correct
    
    @torch.no_grad()
    def run(self):
        # Initialize/load model and set device
        training = self.model is not None
        if training:  # called by train.py
            device = next(self.model.parameters()).device  # get model device
    
        else:  # called directly
            device = select_device(self.device, batch_size=self.batch_size)
    
            # Directories
            self.save_dir = increment_path(Path(self.project) / self.name, exist_ok=self.exist_ok)  # increment run
            (self.save_dir / 'labels' if self.save_txt else self.save_dir).mkdir(parents=True, exist_ok=True)  # make dir
    
            # Load model
            check_suffix(self.weights, '.pt')
            self.model = attempt_load(self.weights, map_location=device)  # load FP32 model
            gs = max(int(self.model.stride.max()), 32)  # grid size (max stride)
            self.imgsz = check_img_size(self.imgsz, s=gs)  # check image size
    
            # Multi-GPU disabled, incompatible with .half() https://github.com/ultralytics/yolov5/issues/99
            # if device.type != 'cpu' and torch.cuda.device_count() > 1:
            #     model = nn.DataParallel(model)
    
            # Data
            self.data = check_dataset(self.data)  # check
    
        # Half
        self.half &= device.type != 'cpu'  # half precision only supported on CUDA
        self.model.half() if self.half else self.model.float()
    
        # Configure
        self.model.eval()
        is_coco = isinstance(self.data.get('val'), str) and self.data['val'].endswith('coco/val2017.txt')  # COCO dataset
        nc = 1 if self.single_cls else int(self.data['nc'])  # number of classes
        iouv = torch.linspace(0.5, 0.95, 10).to(device)  # iou vector for mAP@0.5:0.95
        niou = iouv.numel()
    
        # Dataloader
        if not training:
            if device.type != 'cpu':
                self.model(torch.zeros(1, 3, self.imgsz, self.imgsz).to(device).type_as(next(self.model.parameters())))  # run once
            pad = 0.0 if self.task == 'speed' else 0.5
            self.task = self.task if self.task in ('train', 'val',
    
    
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val.py是一份用于评估自定义数据集上已训练好的YOLOv5模型性能的脚本文件。通过命令行参数设置包括数据集路径、模型权重文件以及图像尺寸等参数变量,在运行该脚本时系统会首先加载所需的模型权重文件以及训练所用的数据集。随后会对输入图像进行推断运算,在此过程中系统会生成预测结果列表并计算包括精确率、召回率以及平均精度(mAP)在内的多个评估指标值。这些计算得出的各项指标评估值将被记录到指定的输出文件中,并且在完成所有计算任务后系统会生成若干可视化图表用于展示预测结果分析

5.6 models\experimental.py
复制代码
    
    class CrossConv(nn.Module):
    # Cross Convolution Downsample
    def __init__(self, c1, c2, k=3, s=1, g=1, e=1.0, shortcut=False):
        # ch_in, ch_out, kernel, stride, groups, expansion, shortcut
        super().__init__()
        c_ = int(c2 * e)  # hidden channels
        self.cv1 = Conv(c1, c_, (1, k), (1, s))
        self.cv2 = Conv(c_, c2, (k, 1), (s, 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 Sum(nn.Module):
    # Weighted sum of 2 or more layers https://arxiv.org/abs/1911.09070
    def __init__(self, n, weight=False):  # n: number of inputs
        super().__init__()
        self.weight = weight  # apply weights boolean
        self.iter = range(n - 1)  # iter object
        if weight:
            self.w = nn.Parameter(-torch.arange(1., n) / 2, requires_grad=True)  # layer weights
    
    def forward(self, x):
        y = x[0]  # no weight
        if self.weight:
            w = torch.sigmoid(self.w) 
            for i in self.iter:
                y = y + x[i + 1] * w[i]
        else:
            for i in self.iter:
                y = y + x[i + 1]
        return y
    
    
    class MixConv2d(nn.Module):
    # Mixed Depth-wise Conv https://arxiv.org/abs/1907.09595
    def __init__(self, c1, c2, k=(1, 3), s=1, equal_ch=True):
        super().__init__()
        groups = len(k)
        if equal_ch:  # equal c_ per group
            i = torch.linspace(0, groups - 1E-6, c2).floor()  # c2 indices
            c_ = [(i == g).sum() for g in range(groups)]  # intermediate channels
        else:  # equal weight.numel() per group
            b = [c2] + [0] * groups
            a = np.eye(groups + 1, groups, k=-1)
            a -= np.roll(a, 1, axis=1)
            a *= np.array(k) *
            a[0] = 1
            c_ = np.linalg.lstsq(a, b, rcond=None)[0].round()  # solve for equal weight indices, ax = b
    
        self.m = nn.ModuleList([nn.Conv2d(c1, int(c_[g]), k[g], s, k[g] // 2, bias=False) for g in range(groups)])
        self.bn = nn.BatchNorm2d(c2)
        self.act = nn.LeakyReLU(0.1, inplace=True)
    
    def forward(self, x):
        return x + self.act(self.bn(torch.cat([m(x) for m in self.m], 1)))
    
    
    class Ensemble(nn.ModuleList):
    # Ensemble of models
    def __init__(self):
        super().__init__()
    
    def forward(self, x, augment=False, profile=False, visualize=False):
        y = []
        for module in self:
            y.append(module(x, augment, profile, visualize)[0])
        # y = torch.stack(y).max(0)[0]  # max ensemble
        # y = torch.stack(y).mean(0)  # mean ensemble
        y = torch.cat(y, 1)  # nms ensemble
        return y, None  # inference, train output
    
    
    def attempt_load(weights, map_location=None, inplace=True, fuse=True):
    from models.yolo import Detect, Model
    
    # Loads an ensemble of models weights=[a,b,c] or a single model weights=[a] or weights=a
    model = Ensemble()
    for w in weights if isinstance(weights, list) else [weights]:
        ckpt = torch.load(attempt_download(w), map_location=map_location)  # load
        if fuse:
            model.append(ckpt['ema' if ckpt.get('ema') else 'model'].float().fuse().eval())  # FP32 model
        else:
            model.append(ckpt['ema' if ckpt.get('ema') else 'model'].float().eval())  # without layer fuse
    
    
    # Compatibility updates
    for m in model.modules():
        if type(m) in [nn.Hardswish, nn.LeakyReLU, nn.ReLU, nn.ReLU6, nn.SiLU, Detect, Model]:
            m.inplace = inplace  # pytorch 1.7.0 compatibility
            if type(m) is Detect:
                if not isinstance(m.anchor_grid, list):  # new Detect Layer compatibility
                    delattr(m, 'anchor_grid')
                    setattr(m, 'anchor_grid', [torch.zeros(1)] * m.nl)
        elif type(m) is Conv:
            m._non_persistent_buffers_set = set()  # pytorch 1.6.0 compatibility
    
    if len(model) == 1:
        return model[-1]  # return model
    else:
        print(f'Ensemble created with {weights}\n')
        for k in ['names']:
            setattr(model, k, getattr(model[-1], k))
        model.stride = model[torch.argmax(torch.tensor([m.stride.max() for m in model])).int()].stride  # max stride
        return model  # return ensemble
    
    
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该程序代码是YOLOv5的一个实验组件,主要包含了探究性架构组件和模型

文件中定义了以下几个类:

  1. CrossConv:交叉式下采样机制,在网络中执行下采样操作。
  2. Sum:多层加权求和模块,在数据融合中完成加权求和。
  3. MixConv2d:混合深度卷积机制,在不同尺度特征提取中发挥作用。
  4. Ensemble:多模型集成框架,在信息聚合方面提升性能。

此外,文件还定义了一个辅助函数attempt_load,用于加载模型权重。

该文件属于YOLOv5模型的一个实验模块,并主要用于实现一些新型网络组件及其架构,在此过程中还包括相关的数据处理与特征提取功能。此外还负责导入与整合相关联的任务处理逻辑

6.系统整体结构

整体功能和构架概述:

基于卷积神经网络和深度学习技术的该车距检测系统旨在利用图像处理技术和目标检测算法来精确测量车辆之间的距离。整个系统由多个模块构成,每个模块均负责特定的功能任务

下表总结了每个文件的功能:

文件 功能
data_processing.py 对数据集中的图像进行预处理,包括调整大小、转换为张量和归一化操作
distance_measurement.py 实现车辆距离测量的算法,包括特征点检测和P4P算法
export.py 导出模型到不同的格式,如TorchScript、ONNX、CoreML等
P4P.py 实现P4P算法,用于计算车辆距离
ui.py 提供用户界面,用于显示图像和检测结果
val.py 对模型进行验证,计算准确性指标,并生成可视化结果
models\common.py 包含一些通用的模型组件和函数
models\experimental.py 包含一些实验性的模型组件和函数
models\tf.py 包含与TensorFlow相关的模型组件和函数
models\yolo.py 实现YOLOv5模型的网络结构和训练过程
models__init_ _.py 初始化模型文件夹
utils\activations.py 包含各种激活函数的实现
utils\augmentations.py 包含数据增强的函数和类
utils\autoanchor.py 实现自动锚框生成算法
utils\autobatch.py 实现自动批处理算法
utils\callbacks.py 包含训练过程中的回调函数
utils\datasets.py 实现数据集加载和处理的类
utils\downloads.py 包含下载和解压缩文件的函数
utils\general.py 包含一些通用的辅助函数
utils\loss.py 包含各种损失函数的实现
utils\metrics.py 包含各种评估指标的实现
utils\plots.py 包含绘图函数和类
utils\torch_utils.py 包含与PyTorch相关的辅助函数
utils__init_ _.py 初始化utils文件夹
utils\aws\resume.py 实现在AWS上恢复训练的功能
utils\aws__init_ _.py 初始化aws文件夹
utils\flask_rest_api\example_request.py 提供Flask REST API的示例请求
utils\flask_rest_api\restapi.py 实现Flask REST API的功能
utils\loggers__init_ _.py 初始化loggers文件夹
utils\loggers\wandb\log_dataset.py 实现使用WandB记录数据集的功能
utils\loggers\wandb\sweep.py 实现使用WandB进行超参数搜索的功能
utils\loggers\wandb\wandb_utils.py 包含与WandB相关的辅助函数
utils\loggers\wandb__init_ _.py 初始化wandb文件夹

基于您提供的文件列表以及问题理解的内容,请对每个文件的功能进行概述。具体功能可能还需通过代码实现来进一步确认

7.单目视觉车距探测方法

计算机视觉单目测距的方法,是使用一台摄像机拍摄到的视频图像,对视频图像中的车辆的距离进行检测[50]。常用的测距方法分为横向测距方法和纵向测距方法。
横向测距方法的工作原理如图所示,图中W为车辆宽度,w为投影在像平面上的车辆宽度,f为摄像机焦距,D为摄像机与前车之间的距离。对于车辆宽度w,需要提前对其进行假设,预估一个固定值,再利用摄像机成像模型,对距离D进行计算。该方法的优点是,当车辆在实际道路行驶中因路面起伏或驾驶者个人因素而出现上下坡与抖动等情况,该方法能够克服不利因素,完成较准确的测距。但是,该方法有局限性,因车辆的车型不同,每种车辆的真实宽度各不相同,当出现真实的车辆宽度与预估的宽度W相差较大的情况,测距的精度将大幅下降。

在这里插入图片描述

该纵向测距方法的工作原理如图2-6所示。在图中,h代表摄像机的安装高度,f表示摄像机的焦距,D代表摄像机与前车之间的距离。值得注意的是,在此方法中,h是一个固定值,可以通过标定或直接测量来确定,并非预估的值。根据相似三角形原理计算出的距离更为精确,误差也更小。然而,这种方法对摄像机的安装精度要求较高,必须水平安装才能满足计算需求。此外,该方法主要依赖于下边沿进行测距,因此容易受到路面起伏状况的影响;当道路条件差、路面不平整时,测距模型可能会失效。

在这里插入图片描述

基于图像像素的空间信息进行计算的方法,在理论上并非基于真实空间距离的测量。因此其精度相较于实际应用而言仍显不足;而这同时也是本研究中引入深度学习技术的主要原因之一;通过充分体现了计算机视觉技术在单目测距方面的优势来解决上述存在的问题

8.基于YOLOv5的车辆检测算法

YOLO目标检测算法自诞生以来迅速崛起,在过去一年中相继推出了YOLOv4和YOLOv5两款目标检测算法。研究者采用YOLOv5算法对COCO数据集进行了系统性验证,在测试中实现了50mAP的高精度表现,并显著提升了计算效率。基于对道路场景下动态车辆检测的需求,本文选择速度最优的YOLov5s模型作为基础,在此基础上通过聚类分析最佳Anchor框并优化损失函数等手段,进一步完善了动态车辆检测技术。

基于网络层数及模型参数的不同情况, YOLOv5算法可划分为包括YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv51以及 YOLOv5x在内的多个分支类别. 本文所采用的是该算法中的一种, 其具体结构如图所示. 该模型架构与其它Yolo系列算法类似, 主要包含输入模块、特征提取主体以及上层处理组件三个主要组成部分.

在这里插入图片描述

与所有目标检测方法相同 输入部分同样基于图像输入 并通过Backbone部分实现特征维度的缩减 在Focus模块的作用下 图像在进入Backbone前会被切片分割成多个低分辨率块 并执行间列采样及拼接操作(Concat)。Bottleneck模块的主要作用是缩减输入图像的空间维度 同时维持输入输出尺寸的一致性 在分类阶段 Backbone层扮演着网络末端角色 负责输出预测结果 当执行分类任务时 需要在图像周围生成多个边界框 同时 Backbone层提取出的特征需融合在一起 这一整合过程发生在Neck区域 最终系统完成分类结果输出的过程

K均值聚类

Anchor框有助于精确确定目标的具体位置,并能有效提升网络训练的收敛速度。在训练前需预先设定Anchor框的数量及其具体的形态,在实际应用中这些参数的选择会对目标检测的速度与精度产生直接影响。由于数据集中车辆具有不同的尺度特征,在YOLOv5算法中相应的Anchor框也会呈现出差异性。为了找到最适合算法的最佳配置参数,在车辆检测任务中通常采用较宽矩形形状的锚框。因此,在确定最优锚框数量的过程中需结合K均值聚类算法对训练数据进行深入分析以获得最佳配置参数。

K均值聚类算法是一种常用的无监督学习方法。其基本流程是:首先随机选取k个数据点作为初始聚类中心;接着计算每个样本与各个聚类中心之间的距离,并将其划归到最近的聚类中心所属的类别中;然后重新计算每个类别新的聚类中心坐标;最后重复上述过程直至达到收敛条件或满足终止标准为止。在该算法过程中,距离计算方法对于最终分类效果有着重要影响:传统的欧式距离常用于空间数据分析,在车辆检测场景下这种单一的距离度量方式可能无法充分反映两个锚框间的相似性关系。为此引入重合度(loU)指标来衡量两个锚框的位置相似性更加符合实际需求。具体而言,在车辆检测任务中两个锚框之间的距离计算公式如下所示:

在这里插入图片描述

在公式中box(即框)——车辆检测候选框; centroid(即中心点)——对应于该候选框. 通过将车辆检测的数据进行聚类分析后显示loU候选框之间的交叉比例. loU的示意图如上图所示.

在这里插入图片描述

9.前方车辆车距探测方法

摄像机投影原理

通过摄像机捕获视频图像信息时, 将三维空间物体投射至摄像机所建立的二维平面, 使得三维空间中的物点P与其在该像平面上对应的成像点Р之间可通过摄像机模型建立对应关系, 即三维空间中的物点P在该像平面上的成像点Р即为中心光轴Oc与Pi连线与该像平面的交点. 在构建数学坐标系后描述三维立体分布空间中各物点如何映射到该二维像平面上的具体几何关系.

在这里插入图片描述
常用坐标系与转换关系

在单目测距中,各坐标系间的相互转换是实现基础。这种转换主要用于将三维空间中的信息转化为二维图像表示。具体而言,在摄像机成像过程中经历了多个坐标系间的转换过程:首先是将真实景物所处的三维世界坐标系通过成像过程转化为摄像机自身的相机坐标系;然后将相机坐标系下的数据投影到图像坐標系中;最后再将图像坐標系的数据进一步转化为像素坐標系中的具体位置信息。

(1)像素坐標系(uv):摄像机获取的图像是一个二维数组结构体,其中每一个元素代表一个实际存在的像素点。因此,在此坐標体系下我们能够明确地定位出一个图片中各个有效像素的位置关系。u轴正方向指向水平右方分布方向,v轴正方向指向垂直下方分布方向,并遵循行列数对应的关系方式来表示图象矩阵中的位置点(u,v)。

(2)圖像坐標體(o-xy):相比 pixels 坐標體而言,并没有具体的物理距离单位标定体系特性存在于其中。因此为了能够精确表征图片中各个有效像素的实际物理位置关系,在这种情况下我们采用了实际物理单位来进行建模设计构建了图像坐標体系体结构特征模型体面的空间定位基准体系体面的空间定位基准体系体面的空间定位基准体系体面的空间定位基准体系体面的空间定位基准体系体面的空间定位基准体系体面的空间定位基准体系体面的空间定位基准体系结构特征模型

(3)攝像機坐標體(O-XcYcZ):如上所示,在攝像機成像幾何結構模型下建立了一種直角坐標體結構形式其原點Oc被定義為攝像機光心位置點並以其所在的方向直線作為Z軸分佈走向方式XcYc軸分佈走向與 pixels 坐標體下的uxvy兩者分佈走向具有相同的方向特徵性質特性

(4)世界坐標體(XwYwZw):由于攝像機具有的可移動性使得我們有必要采用一种固定的方式来描述攝像機与其周围物体在空间当中的相对位置关系在这种情况下我们就采用了世界坐標體來進行建模表征在整个实际应用过程中為便於 video采集數據處理运算我们就規定并固定了 world coordinate system 的原點O並根據具體應用場景需求來定義其具體方位向量與尺度因子等相關參數

在这里插入图片描述
基于P4P的车距计算

在检测目标距离的过程中首先利用摄像机对目标进行成像获取视频图像数据随后通过视频图像检测算法提取目标参考点的空间位置信息接着利用之前通过PnP算法建立的关系式结合这些空间位置信息来计算目标的实际距离.在选择参考点时考虑到车牌作为统一安装的城市附属设施具有统一的标准尺寸因此可以将其作为动态车距探测的有效参考基准.

在这里插入图片描述

10.系统整合

下图完整源码&数据集&环境部署视频教程&自定义UI界面

在这里插入图片描述

《基于卷积神经网络及深度学习的车距检测系统》

参考文章【《基于卷积神经网络及深度学习的车距检测系统》

11.参考文献


曾志强及其团队与冯鹏鹏等学者共同开展了相关研究,并重点探讨了影像测量技术在大视场相机畸变校正中的应用及优化方案。该研究发表于《机床与液压》期刊上,在线DOI编号为10.3969/j.issn.1001-3881.2022.02.005

[2]杨清峻,侯忠伟.基于车道线消失点检测的车距测量方法研究[J].汽车工程师.2021,(6).DOI:10.3969/j.issn.1674-6546.2021.06.009 .

[3]乐英.,赵志成.].基于背景差分法的多运动目标检测及分割.[J].[《中国工程机械学报》].万方数据.2020年 第4期.

[4][李林、赵凯月、赵晓永及其团队].采用卷积神经网络技术进行污损号牌识别与处理;该研究发表于《计算机科学》期刊(JSJKX),2020年(z1)期;文章DOI编号为:10.11896/jsjkx.191100089

本研究由程瑶、赵雷和成珊共同完成,并基于机器视觉对车辆间距自动测距系统进行了详细设计。该系统通过多帧图像采集与处理算法实现了汽车前后间距的实时监测功能,并结合实际情况优化了距离精度控制方法。

[6] 王晓霞 基于立体视觉的安全距离新型识别技术的研究[J]. 汽车实用技术, 2020, (14). DOI: 10.16638/j.cnki.

罗敏,刘洞波,文浩轩, 等. [利用背景差分法与帧间差分法实现车辆运动目标检测][J].[湖南工程学院学报(自然科学版)]. 《湖南工程学院学报(自然科学版)》, 2019,(4). DOI:10.3969/j.issn.1671-119X.2019.04.011 .

[8]屈治华,邵毅明,邓天民.基于特征光流的多运动目标检测与跟踪算法评价[J].科技与工程. 该研究于 《科技与工程》 刊物上发表于 《科学技术与工程》 杂志的 《科技与工程》 杂志上,在第( )卷第( )期,即在该期刊上的具体位置为:年份为 , 卷号为 ( ), 即在该期刊上的具体位置为:年份为 " + year + " 年, 卷号为 ( ), 即在该期刊上的具体位置为:年份为 " + year + " 年第 ( ) 期.

一种基于机器视觉的前车距离检测方法

姚春莲、冯胜男及张芳芳等对基于车牌面积的车辆间距测量研究进行了深入探讨,并发表于《系统仿真学报》期刊中第十一期刊号的文章中指出:该研究通过...

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