基于YOLO-V5的网络结构及实现行人社交距离风险提示

新机器视觉 2022-07-06 3494

描述

从代码的角度理解YOLO V5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CSPDarknet53、Mish激活函数、Dropblock等方式，Neck中采用了SPP、FPN+PAN的结构，输出端则采用CIOU_Loss、DIOU_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：

Yolov5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：

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。

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：

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。

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

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

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

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

Focus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。

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, ch_out, 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, ch_out, 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。

Yolov5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。

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) + '
') 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。

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。

项目架构：

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 + '
') % (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 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()

审核编辑：郭婷

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