深度学习实战(四):行人跟踪与摔倒检测报警

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1. 项目简介

  本项目的目的是为了给大家提供跟多的实战思路,抛砖引玉为大家提供一个案例,也希望读者可以根据该方法实现更多的思想与想法,也希望读者可以改进该项目种提到的方法,比如改进其中的行人检测器、跟踪方法、行为识别算法等等。

1.1 相关工作

(1)图卷积网络主要有两种主流方法:

  基于光谱的观点(spectral perspective):图卷积中的位置信息被看做是以光谱分析的形式。

  基于空间的观点(spatial perspective):卷积核直接被应用在图节点和他们的邻居节点。

  作者采用第二种做法,限制每一个滤波只应用到一个节点的一个邻域。

(2)基于骨架的动作识别:

  基于手工特征的方法:设计几种手工特征去捕获连接点的运动信息,比如,关节点轨迹的协方差矩阵。

  基于深度学习的方法:循环神经网络,端到端进行动作识别。

在这些方法中,许多都强调了人体各部分关节建模的重要性。但是这些部分通  常是使用领域知识显式分配的。作者是第一个将图卷积网络应用在基于骨架的动作识别任务中的。它和以前的方法都不同,可以隐式地通过图卷积网络将位置信息和时序动态信息结合起来。

  本项目主要检测识别的行为有7类:Standing, Walking, Sitting, Lying Down, Stand up, Sit down, Fall Down。

2.方法简介

  本文涉及的方法与算法包括:YOLO V3 Tiny、Deepsort、ST-GCN方法,其中YOLO V3 Tiny用于行人检测、DeepSort用于跟踪、而ST-GCN则是用于行为检测。

2.1 总体结构

  这里由于YOLO与DeepSort大家都已经比较了解,因此这里只简单说明一下ST-GCN 的流程,这里ST-GCN 的方法结构图如下:
人脸识别、行人检测、行人跟踪、姿态检测、行人计数、越界识别、人员摔倒、人员攀,深度学习实战,深度学习,目标跟踪,人工智能,神经网络,计算机视觉
  给出一个动作视频的骨架序列信息,首先构造出表示该骨架序列信息的图结构,ST-GCN的输入就是图节点上的关节坐标向量,然后是一系列时空图卷积操作来提取高层的特征,最后用SofMax分类器得到对应的动作分类。整个过程实现了端到端的训练。

2.2 骨架的图结构

  设一个有N个节点和T帧的骨架序列的时空图为G=(V,E),其节点集合为V={vti|t=1,…,T,i=1,…,N},第t帧的第i个节点的特征向量F(vti)由该节点的坐标向量和估计置信度组成。

图结构由两个部分组成:

  • 根据人体结构,将每一帧的节点连接成边,这些边形成spatial edges ES={vtivtj|(i,j)∈H}。H是一组自然连接的人体关节。
  • 将连续两帧中相同的节点连接成边,这些边形成temporal edges EF={vtiv(t+1)i}。

人脸识别、行人检测、行人跟踪、姿态检测、行人计数、越界识别、人员摔倒、人员攀,深度学习实战,深度学习,目标跟踪,人工智能,神经网络,计算机视觉
  蓝色圆点表示身体关节。人体关节间的体内边缘是根据人体的自然联系来定义的。帧间边缘连接连续帧之间的相同关节。关节坐标用作ST-GCN的输入。

2.3 空间图卷积网络

  以常见的图像的二维卷积为例,针对某一位置x的卷积输出可以写成如下形式:
f out  ( x ) = ∑ h = 1 K ∑ w = 1 K f i n ( p ( x , h , w ) ) ⋅ w ( h , w ) f_{\text {out }}(\mathbf{x})=\sum_{h=1}^{K} \sum_{w=1}^{K} f_{i n}(\mathbf{p}(\mathbf{x}, h, w)) \cdot \mathbf{w}(h, w) fout (x)=h=1Kw=1Kfin(p(x,h,w))w(h,w)
  输入通道数为 c c c 的特征图fin,卷积核大小 K ∗ K K * K KK , sampling function采样函数 p ( x , h , w ) = x + p ′ ( h , w ) p(x, h, w)=x+p^{\prime}(h, w) p(x,h,w)=x+p(h,w) , weight function通道数为 c c c 的权重函数。

2.3.1 Sampling Function

  在图像中,采样函数 p ( h , w ) p(h, w) p(h,w) 指的是以 x x x 像素为中心的周围邻居像素,在图中,邻居像素集合被定义为:
B ( v t i ) = { v t j ∣ d ( v t j , v t i ) ≤ D } , d ( v t j , v t i ) B(v_{ti})=\{v_{tj}|d(v_{tj},v_{ti})\leq D\} , d(v t j, v t i) B(vti)={vtjd(vtj,vti)D}d(vtj,vti) 指 的是从 v t j v_{tj} vtj v t i v_{ti} vti的最短距离,因此采样函数可以写成 p ( v t i , v t j ) = v t j p(v_{ti},v_{tj})=v_{tj} p(vti,vtj)=vtj

2.3.2 Weight Function

  在2D卷积中,邻居像素规则地排列在中心像素周围,因此可以根据空间顺序用规则的卷积核对其进行卷积操作。类比2D卷积,在图中,将 s a m p l i n g ~ f u n c t i o n 得 到 的 邻 居 像 素 划 分 成 不 同 的 子 集 , 每 一 个 子 集 有 一 个 数 字 标 签 , 因 此 有 l t i l_{ti} lti: B ( v t i ) B(v_{ti}) B(vti) → { 0,…,K-1} 到对应的子集标签,权重方程为 w ( v t i , v t j ) w(v_{ti},v_{tj}) w(vti,vtj)= w ′ ( l t i ( v t j ) ) {w'}\left(l_{t i}\left(v_{t j}\right)\right) w(lti(vtj))

2.3.3 空间图卷积

f out  ( v t i ) = ∑ v t j ∈ B ( v t i ) 1 Z t i ( v t j ) f i n ( p ( v t i , v t j ) ) ⋅ w ( v t i Z t i ( v t j ) = ∣ { v t k ∣ l t i ( v t k ) = l t i ( v t j ) } ∣ \begin{aligned} f_{\text {out }}\left(v_{t i}\right)=& \sum_{v_{t j} \in B\left(v_{t i}\right)} \frac{1}{Z_{t i}\left(v_{t j}\right)} f_{i n}\left(\mathbf{p}\left(v_{t i}, v_{t j}\right)\right) \cdot \mathbf{w}\left(v_{t i}\right.\\ & Z_{t i}\left(v_{t j}\right)=\left|\left\{v_{t k} \mid l_{t i}\left(v_{t k}\right)=l_{t i}\left(v_{t j}\right)\right\}\right| \end{aligned} fout (vti)=vtjB(vti)Zti(vtj)1fin(p(vti,vtj))w(vtiZti(vtj)={vtklti(vtk)=lti(vtj)}
其中,归一化项 等价于对应子集的基。将上述公式带入上式得到:
f out  ( v t i ) = ∑ v t j ∈ B ( v t i ) 1 Z t i ( v t j ) f i n ( v t j ) ⋅ w ( l t i ( v t j ) ) f_{\text {out }}\left(v_{t i}\right)=\sum_{v_{t j} \in B\left(v_{t i}\right)} \frac{1}{Z_{t i}\left(v_{t j}\right)} f_{i n}\left(v_{t j}\right) \cdot \mathbf{w}\left(l_{t i}\left(v_{t j}\right)\right) fout (vti)=vtjB(vti)Zti(vtj)1fin(vtj)w(lti(vtj))

2.3.4 时空模型

  将空间域的模型扩展到时间域中,得到的Sampling Function为
B ( v t i ) = { v q j ∣ d ( v t j , v t i ) ≤ K , ∣ q − t ∣ ≤ ⌊ Γ / 2 ⌋ } B\left(v_{t i}\right)=\left\{v_{q j}\left|d\left(v_{t j}, v_{t i}\right) \leq K,\right| q-t \mid \leq\lfloor\Gamma / 2\rfloor\right\} B(vti)={vqjd(vtj,vti)K,qt∣≤Γ/2}
  控制时间域的卷积核大小,weight function为
l S T ( v q j ) = l t i ( v t j ) + ( q − t + ⌊ Γ / 2 ⌋ ) × K l_{S T}\left(v_{q j}\right)=l_{t i}\left(v_{t j}\right)+(q-t+\lfloor\Gamma / 2\rfloor) \times K lST(vqj)=lti(vtj)+(qt+Γ/2⌋)×K

2.4 划分子集

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(a)输入骨架的示例帧,身体关节用蓝点绘制。D=1的滤波器的接收域用红色虚线圆圈表示。

(b)唯一划分 Uni-labeling:将节点的1邻域划分为一个子集。

(c)基于距离的划分 Distance partitioning:将节点的1邻域划分为两个子集,节点本身子集与邻节点子集。

(d)空间构型划分 Spatial configuration partitioning:将节点的1邻域划分为3个子集,第一个子集连接了空间位置上比根节点更远离整个骨架的邻居节点,第二个子集连接了更靠近中心的邻居节点,第三个子集为根节点本身,分别表示了离心运动、向心运动和静止的运动特征。

2.5 注意力机制

  在运动过程中,不同的躯干重要性是不同的。例如腿的动作可能比脖子重要,通过腿部我们甚至能判断出跑步、走路和跳跃,但是脖子的动作中可能并不包含多少有效信息。

  因此,ST-GCN 对不同躯干进行了加权(每个 st-gcn 单元都有自己的权重参数用于训练)。

2.6 TCN

  GCN 帮助我们学习了到空间中相邻关节的局部特征。在此基础上,我们需要学习时间中关节变化的局部特征。如何为 Graph 叠加时序特征,是图卷积网络面临的问题之一。这方面的研究主要有两个思路:时间卷积(TCN)和序列模型(LSTM)。

  ST-GCN 使用的是 TCN,由于形状固定,可以使用传统的卷积层完成时间卷积操作。为了便于理解,可以类比图像的卷积操作。st-gcn 的 feature map 最后三个维度的形状为(C,V,T),与图像 feature map 的形状(C,W,H)相对应。

  图像的通道数C对应关节的特征数C。图像的宽W对应关键帧数V。图像的高H对应关节数T。

  在图像卷积中,卷积核的大小为『w』×『1』,则每次完成w行像素,1列像素的卷积。『stride』为s,则每次移动s像素,完成1行后进行下1行像素的卷积。

  在时间卷积中,卷积核的大小为『temporal_kernel_size』×『1』,则每次完成1个节点,temporal_kernel_size 个关键帧的卷积。『stride』为1,则每次移动1帧,完成1个节点后进行下1个节点的卷积。

3. 训练

  训练如下:
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  输入的数据首先进行batch normalization,然后在经过9个ST-GCN单元,接着是一个global pooling得到每个序列的256维特征向量,最后用SoftMax函数进行分类,得到最后的标签。

  每一个ST-GCN采用Resnet的结构,前三层的输出有64个通道,中间三层有128个通道,最后三层有256个通道,在每次经过ST-CGN结构后,以0.5的概率随机将特征dropout,第4和第7个时域卷积层的strides设置为2。用SGD训练,学习率为0.01,每10个epochs学习率下降0.1。

  ST-GCN 最末卷积层的响应可视化结果图如下:
人脸识别、行人检测、行人跟踪、姿态检测、行人计数、越界识别、人员摔倒、人员攀,深度学习实战,深度学习,目标跟踪,人工智能,神经网络,计算机视觉

项目主函数代码如下:

import os
import cv2
import time
import torch
import argparse
import numpy as np

from Detection.Utils import ResizePadding
from CameraLoader import CamLoader, CamLoader_Q
from DetectorLoader import TinyYOLOv3_onecls

from PoseEstimateLoader import SPPE_FastPose
from fn import draw_single

from Track.Tracker import Detection, Tracker
from ActionsEstLoader import TSSTG

# source = '../Data/test_video/test7.mp4'
# source = '../Data/falldata/Home/Videos/video (2).avi'  # hard detect
source = './output/test3.mp4'
# source = 2
def preproc(image):
    """preprocess function for CameraLoader.
    """
    image = resize_fn(image)
    image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
    return image


def kpt2bbox(kpt, ex=20):
    """Get bbox that hold on all of the keypoints (x,y)
    kpt: array of shape `(N, 2)`,
    ex: (int) expand bounding box,
    """
    return np.array((kpt[:, 0].min() - ex, kpt[:, 1].min() - ex,
                     kpt[:, 0].max() + ex, kpt[:, 1].max() + ex))


if __name__ == '__main__':
    par = argparse.ArgumentParser(description='Human Fall Detection Demo.')
    par.add_argument('-C', '--camera', default=source,  # required=True,  # default=2,
                     help='Source of camera or video file path.')
    par.add_argument('--detection_input_size', type=int, default=384,
                     help='Size of input in detection model in square must be divisible by 32 (int).')
    par.add_argument('--pose_input_size', type=str, default='224x160',
                     help='Size of input in pose model must be divisible by 32 (h, w)')
    par.add_argument('--pose_backbone', type=str, default='resnet50', help='Backbone model for SPPE FastPose model.')
    par.add_argument('--show_detected', default=False, action='store_true', help='Show all bounding box from detection.')
    par.add_argument('--show_skeleton', default=True, action='store_true', help='Show skeleton pose.')
    par.add_argument('--save_out', type=str, default='./output/output3.mp4', help='Save display to video file.')
    par.add_argument('--device', type=str, default='cuda', help='Device to run model on cpu or cuda.')
    args = par.parse_args()

    device = args.device

    # DETECTION MODEL.
    inp_dets = args.detection_input_size
    detect_model = TinyYOLOv3_onecls(inp_dets, device=device)

    # POSE MODEL.
    inp_pose = args.pose_input_size.split('x')
    inp_pose = (int(inp_pose[0]), int(inp_pose[1]))
    pose_model = SPPE_FastPose(args.pose_backbone, inp_pose[0], inp_pose[1], device=device)

    # Tracker.
    max_age = 30
    tracker = Tracker(max_age=max_age, n_init=3)

    # Actions Estimate.
    action_model = TSSTG()

    resize_fn = ResizePadding(inp_dets, inp_dets)

    cam_source = args.camera
    if type(cam_source) is str and os.path.isfile(cam_source):
        # Use loader thread with Q for video file.
        cam = CamLoader_Q(cam_source, queue_size=1000, preprocess=preproc).start()
    else:
        # Use normal thread loader for webcam.
        cam = CamLoader(int(cam_source) if cam_source.isdigit() else cam_source,
                        preprocess=preproc).start()

    # frame_size = cam.frame_size
    # scf = torch.min(inp_size / torch.FloatTensor([frame_size]), 1)[0]
    outvid = False
    if args.save_out != '':
        outvid = True
        codec = cv2.VideoWriter_fourcc(*'mp4v')
        print((inp_dets * 2, inp_dets * 2))
        writer = cv2.VideoWriter(args.save_out, codec, 25, (inp_dets * 2, inp_dets * 2))

    fps_time = 0
    f = 0
    while cam.grabbed():
        f += 1
        frame = cam.getitem()
        image = frame.copy()

        # Detect humans bbox in the frame with detector model.
        detected = detect_model.detect(frame, need_resize=False, expand_bb=10)

        # Predict each tracks bbox of current frame from previous frames information with Kalman filter.
        tracker.predict()
        # Merge two source of predicted bbox together.
        for track in tracker.tracks:
            det = torch.tensor([track.to_tlbr().tolist() + [0.5, 1.0, 0.0]], dtype=torch.float32)
            detected = torch.cat([detected, det], dim=0) if detected is not None else det

        detections = []  # List of Detections object for tracking.
        if detected is not None:
            # detected = non_max_suppression(detected[None, :], 0.45, 0.2)[0]
            # Predict skeleton pose of each bboxs.
            poses = pose_model.predict(frame, detected[:, 0:4], detected[:, 4])

            # Create Detections object.
            detections = [Detection(kpt2bbox(ps['keypoints'].numpy()),
                                    np.concatenate((ps['keypoints'].numpy(),
                                                    ps['kp_score'].numpy()), axis=1),
                                    ps['kp_score'].mean().numpy()) for ps in poses]

            # VISUALIZE.
            if args.show_detected:
                for bb in detected[:, 0:5]:
                    frame = cv2.rectangle(frame, (bb[0], bb[1]), (bb[2], bb[3]), (0, 0, 255), 1)

        # Update tracks by matching each track information of current and previous frame or
        # create a new track if no matched.
        tracker.update(detections)

        # Predict Actions of each track.
        for i, track in enumerate(tracker.tracks):
            if not track.is_confirmed():
                continue
            track_id = track.track_id
            bbox = track.to_tlbr().astype(int)
            center = track.get_center().astype(int)

            action = 'pending..'
            clr = (0, 255, 0)
            # Use 30 frames time-steps to prediction.
            if len(track.keypoints_list) == 30:
                pts = np.array(track.keypoints_list, dtype=np.float32)
                out = action_model.predict(pts, frame.shape[:2])
                action_name = action_model.class_names[out[0].argmax()]
                action = '{}: {:.2f}%'.format(action_name, out[0].max() * 100)
                if action_name == 'Fall Down':
                    clr = (255, 0, 0)
                elif action_name == 'Lying Down':
                    clr = (255, 200, 0)

            # VISUALIZE.
            if track.time_since_update == 0:
                if args.show_skeleton:
                    frame = draw_single(frame, track.keypoints_list[-1])
                frame = cv2.rectangle(frame, (bbox[0], bbox[1]), (bbox[2], bbox[3]), (0, 255, 0), 1)
                frame = cv2.putText(frame, str(track_id), (center[0], center[1]), cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX, 0.4, (255, 0, 0), 2)
                frame = cv2.putText(frame, action, (bbox[0] + 5, bbox[1] + 15), cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX, 0.4, clr, 1)

        # Show Frame.
        frame = cv2.resize(frame, (0, 0), fx=2., fy=2.)
        frame = cv2.putText(frame, '%d, FPS: %f' % (f, 1.0 / (time.time() - fps_time)), (10, 20), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (0, 255, 0), 1)
        frame = frame[:, :, ::-1]
        fps_time = time.time()

        if outvid:
            writer.write(frame)

        cv2.imshow('frame', frame)
        if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
            break
    # Clear resource.
    cam.stop()
    if outvid:
        writer.release()
    cv2.destroyAllWindows()

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项目论文:https://arxiv.org/abs/1801.07455
项目源码:公主号AiCharm 输入“摔倒检测”
人脸识别、行人检测、行人跟踪、姿态检测、行人计数、越界识别、人员摔倒、人员攀,深度学习实战,深度学习,目标跟踪,人工智能,神经网络,计算机视觉文章来源地址https://www.toymoban.com/news/detail-813473.html

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    论文地址: https://arxiv.org/pdf/1703.07402.pdf 参考文章: DeepSort讲解 代码地址: https://github.com/mikel-brostrom/Yolov5_DeepSort_OSNet(可参考这个源代码,如果需要我这边的源代码可私信) SORT对比DeepSORT: 虽然SORT是一个非常简单、有效、实用的多目标跟踪算法,但仅仅通过IOU来匹配虽然

    2024年02月02日
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  • YOLO8实战:yolov8实现行人跟踪计数

    本篇文章首先介绍YOLOV8实现人流量跟踪计数的原理,文末附代码 yolo8人流量统计 引言:行人跟踪统计是智能监控系统中的重要功能,可以广泛应用于人流控制、安全监控等领域。传统的行人跟踪算法往往受到光照、遮挡等因素的干扰,难以实现准确跟踪。随着深度学习技术的

    2024年02月06日
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  • 基于深度学习的高精度红外行人车辆检测识别系统(PyTorch+Pyside6+YOLOv5模型)

    摘要:基于深度学习的高精度红外行人车辆检测识别系统可用于日常生活中或野外来检测与定位红外行人车辆目标,利用深度学习算法可实现图片、视频、摄像头等方式的红外行人车辆目标检测识别,另外支持结果可视化与图片或视频检测结果的导出。本系统采用YOLOv5目标检

    2024年02月08日
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  • 基于深度学习的高精度Caltech行人检测系统(PyTorch+Pyside6+YOLOv5模型)

    摘要:基于深度学习的高精度Caltech数据集行人检测识别系统可用于日常生活中或野外来检测与定位行人目标,利用深度学习算法可实现图片、视频、摄像头等方式的行人目标检测识别,另外支持结果可视化与图片或视频检测结果的导出。本系统采用YOLOv5目标检测模型训练数据

    2024年02月15日
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