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基于深度学习的实时车辆与行人多目标检测与跟踪系统——YOLOv10 + UI界面 + 数据集

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引言

伴随着城市化进程加快

本博客旨在详细阐述基于YOLOv10深度学习模型的方法,并配合具有友好界面的用户交互来开发一个功能全面且易于使用的实时多目标检测与跟踪系统。该系统可通过其直观的操作界面帮助用户轻松完成对视频中运动物体的持续监测工作。我们将深入讨论以下关键环节:数据集准备阶段的具体方法、模型训练过程中的优化策略、系统的实时检测能力提升技术、先进的人脸识别算法的应用以及友好型用户界面的设计。

目录

引言

1. 系统架构与目标

1.1 系统架构

1.2 目标

2. YOLOv10模型概述

3. 数据集准备

3.1 数据集选择

3.2 数据集标注与处理

3.3 数据增强

4. 目标检测与跟踪算法

4.1 YOLOv10目标检测

4.2 多目标跟踪(MOT)

4.3 Deep SORT代码实现

4.4 UI界面设计

5. 测试与优化

5.1 测试

5.2 优化

6. 结论


1. 系统架构与目标

1.1 系统架构

本系统主要分为以下几个部分:

  1. 数据准备与预处理 :获取包含车辆与行人信息的数据集,并完成关键的数据预处理步骤。
    2. 目标检测 :基于YOLOv10算法执行目标检测任务。
    3. 目标跟踪 :根据目标检测结果,采用SORT或Deep SORT等多目标跟踪算法执行追踪工作。
    4. UI界面 :开发一个简洁直观的用户界面系统。
    5. 后端优化 :优化系统的响应速度性能指标。

1.2 目标

本项目的目的是开发一个在各种视频场景中实现车辆和行人的实时检测与追踪的多目标检测与跟踪系统。

2. YOLOv10模型概述

YOLO(You Only Look Once)是一种主要采用卷积神经网络(CNN)的目标检测技术。该方法通过将图像划分为网格并预测边界框及类别概率的方式实现端到端的目标检测功能。在这一系列算法中代表了最新的进展的是YOLOv10系列模型,在精度和速度上均有显著提升,并在这两项任务上均展现了卓越的表现

YOLOv10通过如下几个步骤进行目标检测:

  1. 对输入图像进行优化处理, 调整至统一尺寸并对其进行标准化处理, 以消除光照差异的影响。
  2. 利用深度学习模型, 通过卷积神经网络(CNN)识别或解析图像中的关键特征。
  3. 将提取出的特征转换为特定坐标系, 确定目标边界的位置信息以及其信心水平与分类结果。
  4. 在非极大值抑制(NMS)算法优化步骤中, 去除重叠区域内的竞争性检测结果, 仅保留最高信心值的目标标记以提高检测精度。

YOLOv10在训练过程中采用了更高效的损失函数,在设计上优化了网络架构,并基于更大规模的数据集进行了训练;该系统具备较高的准确度和推理效率,并且特别适合用于实时场景

3. 数据集准备

3.1 数据集选择

对于车辆与行人检测的研究者而言,我们采用公共的目标检测数据集。广泛使用的包含车辆与行人的公开数据集包括

  • 由COCO数据集 涵盖了多样类物体 包括各类车辆与行人在内。
  • 主要针对自动驾驶研究设计的KITTI数据集 提供了海量车辆与行人的图像样本。
  • 专注于捕捉城市环境特征的Cityscapes数据集 特别适用于城市交通监控任务。

为了多目标检测与跟踪系统的实现依赖于本研究的需要,在本文中采用的是COCO数据集。该数据集包含了大量的标注信息,并覆盖了多样化的交通场景,在这一前提下能够有效地训练出车辆与行人的检测模型。

3.2 数据集标注与处理

YOLO模型对输入的要求是每个目标在图像中的边界框坐标及其类别标签的具体位置和分类信息。具体标注格式如下:

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  • class_id:标识该目标所属的类别(如动物、交通工具等)。
    • x_center、y_center:被确定为目标边界框中心的位置参数(范围在0至1之间)。
    • width、height:其大小由宽度(width)与高度(height)参数决定(单位基于图像的比例)。

我们使用COCO数据集的标注文件,将其转换为YOLO格式,进行后续的训练。

3.3 数据增强

为了提升模型的泛化能力,一般采用数据增强技术。常见的增强手段包括以下几种:

  • 旋转变换:对图像进行随机化旋转处理。
    • 镜像翻转变换:在水平或垂直方向上进行镜像翻转。
    • 区域裁剪变换:对图像进行随机化区域裁剪。
    • 色彩调整变换:对图像的亮度和对比度等进行动态调节。

这些增强技术可以有效扩展数据集,帮助模型适应不同的场景和环境。

4. 目标检测与跟踪算法

4.1 YOLOv10目标检测

采用YOLOv10模型对车辆与行人进行目标检测。在训练过程中会调用到该模型所基于的代码库。我们可以从GitHub获取并克隆该模型的基础代码实现后展开训练

复制代码
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 git clone https://github.com/ultralytics/yolov5

    
 cd yolov5
    
 pip install -r requirements.txt
    
    
    
    
    AI助手

然后,我们可以通过以下命令进行训练:

复制代码
复制代码
    python train.py --img 640 --batch 16 --epochs 50 --data coco.yaml --weights yolov5s.pt
    
    
    AI助手
  • --img 640:图像是一个分辨率640像素宽度的画面(或)图像是一个分辨率设为640像素宽度的画面(或)图片宽度设为640像素
  • --batch 16:每一次批量处理16张图片
  • --epochs 50:进行了总共50次迭代(或)总共进行了50次循环(或)经过了总共50次循环
  • --data coco.yaml:选择COCO数据集配置文件作为数据来源
  • --weights yolov5s.pt: 基于预训练模型的微调训练

训练完成后, 我们能够得到一个高度准确的YOLOv10模型, 并将其用于分析和识别视频中的各种物体。

4.2 多目标跟踪(MOT)

为了实现对检测到的目标的追踪目的, 我们建议采用多目标追踪技术. 常见的用于目标追踪的算法包括:

  • SORT(Efficient Online and Real-time Tracking):一种高效可靠的跟踪算法,在实际应用中表现出色。
    • Deep SORT:基于SORT框架的深度排序算法,在排序效率方面表现优异。

在我们的项目中采用了Deep SORT算法,在这一过程中融合了YOLOv10的目标检测结果,并通过卡尔曼滤波以及外部特征向量辅助的方式实现了目标的长期跟踪。该算法不仅提升了追踪精度,并且能够有效应对复杂的场景如目标遮挡与交叉。

4.3 Deep SORT代码实现

首先,我们需要安装Deep SORT:

复制代码
复制代码
    pip install deep_sort_realtime
    
    
    AI助手

然后,我们可以结合YOLOv10的检测结果和Deep SORT的跟踪功能:

复制代码
复制代码
 from deep_sort_realtime.deepsort_tracker import DeepSort

    
 import cv2
    
 import torch
    
  
    
 # 加载YOLOv10模型
    
 model = torch.hub.load('ultralytics/yolov5', 'yolov5s')
    
  
    
 # 加载Deep SORT跟踪器
    
 deepsort = DeepSort()
    
  
    
 # 视频读取
    
 cap = cv2.VideoCapture("input_video.mp4")
    
  
    
 while cap.isOpened():
    
     ret, frame = cap.read()
    
     if not ret:
    
     break
    
     
    
     # YOLOv10目标检测
    
     results = model(frame)
    
     detections = results.xywh[0].cpu().numpy()  # 获取检测结果
    
     boxes = detections[:, :4]  # 边界框坐标
    
     confidences = detections[:, 4]  # 置信度
    
     class_ids = detections[:, 5].astype(int)  # 类别ID
    
     
    
     # 跟踪目标
    
     tracks = deepsort.update_tracks(boxes, confidences, class_ids, frame)
    
     
    
     # 绘制检测和跟踪结果
    
     for track in tracks:
    
     x1, y1, x2, y2, track_id = track.to_tlbr()
    
     cv2.rectangle(frame, (int(x1), int(y1)), (int(x2), int(y2)), (0, 255, 0), 2)
    
     cv2.putText(frame, f"ID: {track_id}", (int(x1), int(y1) - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1, (0, 255, 0), 2)
    
     
    
     # 显示图像
    
     cv2.imshow("Tracking", frame)
    
     
    
     if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
    
     break
    
  
    
 cap.release()
    
 cv2.destroyAllWindows()
    
    
    
    
    AI助手

4.4 UI界面设计

我们通过Python的tkinter库开发了一个简明扼要的用户界面,并支持用户上传视频文件以呈现检测和追踪的结果。

复制代码
复制代码
 import tkinter as tk

    
 from tkinter import filedialog
    
 import cv2
    
 from PIL import Image, ImageTk
    
  
    
 def open_video():
    
     file_path = filedialog.askopenfilename(filetypes=[("Video Files", "*.mp4;*.avi")])
    
     if file_path:
    
     process_video(file_path)
    
  
    
 def process_video(file_path):
    
     cap = cv2.VideoCapture(file_path)
    
     while cap.isOpened():
    
     ret, frame = cap.read()
    
     if not ret:
    
         break
    
     
    
     # 处理帧:YOLOv10检测 + Deep SORT跟踪
    
     results = model(frame)
    
     detections = results.xywh[0].cpu().numpy()
    
     boxes = detections[:, :4]
    
     confidences = detections[:, 4]
    
     class_ids = detections[:, 5].astype(int)
    
     tracks = deepsort.update_tracks(boxes, confidences, class_ids, frame)
    
     
    
     for track in tracks:
    
         x1, y1, x2, y2, track_id = track.to_tlbr()
    
         cv2.rectangle(frame, (int(x1), int(y1)), (int(x2), int(y2)), (0, 255, 0), 2)
    
         cv2.putText(frame, f"ID: {track_id}", (int(x1), int(y1) - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1, (0, 255, 0), 2)
    
     
    
     # 转换为UI显示格式
    
     frame_rgb = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2RGB)
    
     img = Image.fromarray(frame_rgb)
    
     img = img.resize((800, 600))
    
     img_tk = ImageTk.PhotoImage(img)
    
     
    
     label.img_tk = img_tk
    
     label.config(image=img_tk)
    
     
    
     root.update()
    
  
    
     cap.release()
    
  
    
 root = tk.Tk()
    
 root.title("车辆与行人实时检测与跟踪")
    
  
    
 upload_button = tk.Button(root, text="上传视频", command=open_video)
    
 upload_button.pack()
    
  
    
 label = tk.Label(root)
    
 label.pack()
    
  
    
 root.mainloop()
    
    
    
    
    AI助手

5. 测试与优化

5.1 测试

为了验证系统的性能与准确性, 我们可以组织多组不同类型的视频数据进行测试, 检测系统的表现特征. 经过多组实际测试, 系统应能平稳运行每一帧视频数据, 并保证检测与跟踪的效果满足预期要求.

5.2 优化

  • 算法改进(Optimization):通过对YOLOv10(YOLOv10)与Deep SORT(Deep SORT)配置参数设置等措施进行调优与优化调参(tuning),能够显著提高目标检测(object detection)与目标跟踪(target tracking)性能。
  • 硬件加速(Hardware Acceleration):借助GPU的力量(computational power),实现对系统运行速度的显著性提高(significant improvement),从而保障系统的实时处理能力(real-time processing capability)。
  • 数据增强策略(Data Augmentation Strategy):通过引入多样化的交通场景视频素材,并结合先进的深度学习技术框架进行训练学习,在保证数据多样性的同时进一步提升了模型泛化能力(model generalization ability)。

6. 结论

本系统采用YOLOv10算法执行目标检测任务,并集成Deep SORT算法以完成多目标追踪功能。我们开发出一套高效精准的实时车辆行人检测追踪系统,并配备直观简洁的人机交互界面。该系统可通过便捷的操作上传视频,并即时查看检测追踪结果。该系统展现出广阔的应用潜力,在智能交通自动驾驶城市监控等多个领域均可获得应用

未来我们将采用多种优化方案以增强系统效能并将应用范围进一步扩大

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