基于人工智能技術(shù)的口罩佩戴檢測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓其凱

摘要：在本項(xiàng)目中，我們依托于機(jī)器視覺的相關(guān)技術(shù)，采用了當(dāng)下速率和準(zhǔn)確率最先進(jìn)的端到端的目標(biāo)檢測算法--YOLOv4，來實(shí)現(xiàn)人臉是否口罩佩戴的檢測識(shí)別。在數(shù)據(jù)集采集方面，我們采用的是WIDER_FACE數(shù)據(jù)集，部分開源數(shù)據(jù)集和大量自采數(shù)據(jù)集，進(jìn)行手工標(biāo)注，訓(xùn)練。經(jīng)過實(shí)際效果檢測，訓(xùn)練出的算法模型的準(zhǔn)確率和召回率均達(dá)到較高水平。在項(xiàng)目部署方面，我們采用了基于瀏覽器-服務(wù)器端和基于客戶端兩方面的部署，服務(wù)器端使用Flask高性能web框架實(shí)現(xiàn)?？蛻舳耸褂没趐ython的GUI編程工具PyQt5實(shí)現(xiàn)。瀏覽器端和客戶端相結(jié)合，項(xiàng)目真正落地，具有實(shí)用性。該項(xiàng)目已部署至網(wǎng)站hanqikai.com，進(jìn)行實(shí)際的運(yùn)行測試，并不斷進(jìn)行維護(hù)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī)視覺 深度學(xué)習(xí) 目標(biāo)檢測 端到端神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

近年來，隨著人工智能的不斷發(fā)展和機(jī)器學(xué)習(xí)，深度學(xué)習(xí)領(lǐng)域的不斷突破，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)日趨成熟。目標(biāo)檢測，語義分割，動(dòng)作視覺，三維重建等技術(shù)迅速發(fā)展起來，并且得到了日益廣泛的應(yīng)用。在抗擊新冠肺炎疫情的時(shí)代背景下，疫情防控進(jìn)入常態(tài)化時(shí)期，我們將深度學(xué)習(xí)和計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)應(yīng)用到了現(xiàn)實(shí)場景中，采用機(jī)器視覺中的目標(biāo)檢測技術(shù)，進(jìn)行了口罩佩戴檢測系統(tǒng)的開發(fā)，并將該系統(tǒng)部署到了上位機(jī)上。該系統(tǒng)可以對人群中的人臉是否佩戴口罩的情況進(jìn)行識(shí)別檢測，從而幫助疫情防控人員進(jìn)行人群口罩佩戴的檢測，有效減少了他們接觸疑似新冠肺炎患者的風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)人工智能技術(shù)的落地應(yīng)用，使用人工智能技術(shù)解決了社會(huì)難題。人工智能作為戰(zhàn)“疫”的強(qiáng)有力的工具將服務(wù)于社會(huì)大眾。

1 YOLOv4算法原理及模型構(gòu)建

在目標(biāo)檢測的算法模型上，我們采用端到端的目標(biāo)檢測算法—YOLOv4。何為端到端？如何理解端到端？端到端指的是輸入圖像的特征（圖像的特征由原始圖像通過多個(gè)卷積層進(jìn)行維度的變換進(jìn)行特征的提取），輸出的是最后分類得到的結(jié)果。通俗地講，該算法是直接將問題當(dāng)作回歸求解問題，具體做法是將輸入圖片劃分為S*S個(gè)網(wǎng)格，每個(gè)網(wǎng)格負(fù)責(zé)檢測落入其中的物體，如果物體的中心落入該網(wǎng)格，則該網(wǎng)格就負(fù)責(zé)檢測這些物體，并輸出圖像中物體的類別，置信度，以及物體的位置等信息。因此yolo也被稱為單階段的目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)。對于二階段的目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)（如RCNN網(wǎng)絡(luò)）該網(wǎng)絡(luò)的基本思想是先將圖像進(jìn)行各個(gè)維度的卷積提取圖像的特征，然后進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的搜索，將搜索到的含有物體的框進(jìn)行匯總，再將這些框分別進(jìn)行物體的分類，最后完成對圖片中物體的檢測。對比這兩種目標(biāo)檢測算法我們可以得知，單階段的目標(biāo)檢測算法具有較快的檢測速度，因?yàn)檩斎雸D片經(jīng)過一次檢測便可以輸出結(jié)果。對于二階段的網(wǎng)絡(luò)RCNN系列，需要先進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的搜索，再進(jìn)行物體的分類，顯然這樣做比較費(fèi)時(shí)，不適合實(shí)時(shí)性的目標(biāo)檢測工作，但好處是識(shí)別精度高，適用于比較看重識(shí)別效果的場景。

該目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)大體分為主干特征提取和特征處理兩大部分，其中主干特征提取是對圖像進(jìn)行不同維度的特征提取。YOLOv4由CSPDarknet53作為主干特征提取網(wǎng)絡(luò)Backbone。具體的處理流程是將原始輸入圖片喂入卷積塊，這個(gè)卷積塊包含了卷積、批標(biāo)準(zhǔn)化和Mish激活函數(shù)三種操作，將圖片的通道數(shù)變成32，再將這個(gè)結(jié)果經(jīng)過五個(gè)Resblock_body，抽取圖像中各個(gè)維度的特征，抽取的特征從低維到高緯，構(gòu)成特征金字塔，最后抽取的特征金字塔送入YOLO-Head網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行預(yù)測以及解碼。

在特征金字塔部分，YOLOv4使用了兩種結(jié)構(gòu)，分別為SPP結(jié)構(gòu)和PANet結(jié)構(gòu)。其中，SPP的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠極大地增加感受野，分離出最顯著的上下文特征，PANet結(jié)構(gòu)，是一種實(shí)例分割算法，其基本思想是從不同維度的信息中反復(fù)提取圖片中的特征，既包括從高維度到低維度的特征融合，也包括從低維度到高維度的特征融合，即特征的反復(fù)提取，使得提取出的特征既具有大物體部分的特征，也有小物體部分的特征，提取出的特征的內(nèi)容更加豐富。

YOLO Head層利用或得到的特征進(jìn)行預(yù)測，在特征層的利用部分，YOLOv4提取多特征層進(jìn)行目標(biāo)檢測，一共提取三個(gè)特征層，分別位于中間層，中下層，底層，三個(gè)特征層的維度大小分別為（76，76，256）、（38，38，512），（19，19，1024）。輸出層的維度大小分別為（19，19，75），（38，38，75），（76，76，75），最后一個(gè)維度是75的原因是我們是基于voc數(shù)據(jù)集的，它的類為20種，YOLOv4針對每一個(gè)特征層存在三個(gè)先驗(yàn)框，所以最后維度為3x25。因此我們可以獲得三個(gè)特征層的預(yù)測結(jié)果。但是這個(gè)預(yù)測結(jié)果并不對應(yīng)著嘴中的預(yù)測框在圖片上的位置，還需要解碼才可以完成。解碼的過程如下：

我們知道特征層的預(yù)測結(jié)果對應(yīng)著三個(gè)預(yù)測框的位置，分別為（N，19，19，3，25），（N，38，38，3，25），（N，76，76，3，25），其中，N代表輸入圖片的數(shù)量，第二，第三維度代表預(yù)測框的位置，第四維度代表先驗(yàn)框的個(gè)數(shù)，最后一個(gè)維度代表x_offset（x的偏移量），y_offset（y的偏移量），h（偏移高度），w（偏移寬度），置信度，分類結(jié)果（20類）。YOLOv4的解碼過程就是將每個(gè)網(wǎng)格點(diǎn)加上對應(yīng)的x_offset和y_offset，加完之后的結(jié)果就是預(yù)測框的中心，然后利用先驗(yàn)框和h，w計(jì)算出預(yù)測框的長和寬，這樣便可以得到整個(gè)預(yù)測框的位置了。在計(jì)算損失函數(shù)的時(shí)候，實(shí)際上就是預(yù)測框和真實(shí)框之間的對比。將預(yù)測出的包含物體的框和我們手工標(biāo)注的框進(jìn)行對比，求出兩種框的偏移量，將偏差算到損失函數(shù)中去，然后經(jīng)過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的反向傳播不斷減小loss值，最終訓(xùn)練出理想的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，這便是loss函數(shù)的作用。

對于口罩佩戴系統(tǒng)的檢測，我們采用的數(shù)據(jù)集為WIDER_FACE數(shù)據(jù)集以及大量自己采集的數(shù)據(jù)集，自己采集的數(shù)據(jù)集包括自己拍攝，網(wǎng)絡(luò)爬蟲爬取等方法?？倲?shù)據(jù)集一共有1165張圖像，其中戴口罩類514張，沒有戴口罩類651張。戴口罩類的圖像都是通過網(wǎng)絡(luò)爬蟲爬取獲得，沒有戴口罩的圖像是WIDER_FACE數(shù)據(jù)集，VOC2007數(shù)據(jù)集進(jìn)行拼湊而成。對于數(shù)據(jù)標(biāo)注，我們采用labelme軟件進(jìn)行手工標(biāo)注，共分為兩類，mask類和no_mask類。最后形成四個(gè)文件夾，image_mask文件夾是存儲(chǔ)的人臉戴口罩的圖像，image_nomask文件夾是存儲(chǔ)的人臉沒有戴口罩的圖像，label_mask文件夾是存儲(chǔ)的人臉戴口罩圖像的標(biāo)簽，label_nomask文件夾是存儲(chǔ)的人臉沒有戴口罩圖像的標(biāo)簽。

我們將YOLOv4網(wǎng)絡(luò)加載到開發(fā)環(huán)境Pycharm中，加入訓(xùn)練數(shù)據(jù)及其標(biāo)簽，寫好訓(xùn)練腳本，就可以利用yolov4算法進(jìn)行口罩佩戴模型的訓(xùn)練，經(jīng)過漫長時(shí)間的訓(xùn)練過程，訓(xùn)練出了我們自己的網(wǎng)絡(luò)模型，接下來使用幾張圖片檢測訓(xùn)練效果，測試圖片如圖1所示。測試結(jié)果如圖2所示。

由此可見，訓(xùn)練出的模型的效果還是非常好的，比較準(zhǔn)確地標(biāo)注出了人群中是否佩戴口罩的情況。

2 項(xiàng)目的兩方面部署

在訓(xùn)練好我們的模型以后，接下來考慮的就是如何將該項(xiàng)目部署落地的問題?；谶@個(gè)問題，我們采取了兩方面的部署措施。第一個(gè)是將該系統(tǒng)通過服務(wù)器和瀏覽器部署到web端，第二個(gè)部署方案是直接部署到本地客戶端。使用服務(wù)端-瀏覽器進(jìn)行訪問時(shí)，可以將圖片或者視頻通過前端頁面接口傳輸?shù)椒?wù)器上，利用服務(wù)器的算力進(jìn)行識(shí)別推理，將結(jié)果回顯到頁面中。適用于對圖片或視頻中的人流進(jìn)行檢測，進(jìn)行口罩佩戴的檢測。前端頁面效果及其識(shí)別接口請?jiān)L問http：//hanqikai.com。

使用本地客戶端時(shí)可以直接調(diào)用攝像頭進(jìn)行檢測識(shí)別，適用于對出入口閘機(jī)進(jìn)行檢測，通過捕捉攝像頭的視頻流進(jìn)行檢測。使用python的圖形界面編程工具PyQt5進(jìn)行技術(shù)實(shí)現(xiàn)，提供實(shí)時(shí)識(shí)別檢測功能，可以調(diào)用本地計(jì)算機(jī)的攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測口罩的佩戴情況，客戶端頁面以及識(shí)別效果如圖3，圖4所示。

3 項(xiàng)目分析

在本項(xiàng)目中，網(wǎng)絡(luò)模型的選擇是最重要的問題，選擇一個(gè)合適的網(wǎng)絡(luò)模型對于項(xiàng)目的部署和運(yùn)行都起著重要的作用。在本項(xiàng)目中，我們對比了多種網(wǎng)絡(luò)模型，比如GoogLeNet，F(xiàn)aster-RCNN，YOLOv4等，在充分了解這些目標(biāo)檢測算法模型的優(yōu)缺點(diǎn)及其應(yīng)用場景后，我們最終選擇YOLOv4目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)作為口罩佩戴識(shí)別檢測項(xiàng)目的核心檢測算法。在訓(xùn)練自己的網(wǎng)絡(luò)模型中，數(shù)據(jù)集的采集和處理也是一個(gè)重要的問題。在本項(xiàng)目中，由于手頭沒有數(shù)據(jù)集，因此我門使用了python網(wǎng)絡(luò)爬蟲技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)上爬取了大量人臉數(shù)據(jù)集進(jìn)行手工標(biāo)注，結(jié)合部分開源數(shù)據(jù)集，最后拼湊的數(shù)據(jù)集的總數(shù)為1165張圖像，這些數(shù)據(jù)集經(jīng)過訓(xùn)練之后所得出的效果并不好，有很多人臉沒有被檢測出來，甚至出現(xiàn)錯(cuò)誤檢測的情況。經(jīng)過和指導(dǎo)老師的交流后，我們采取Mosaic數(shù)據(jù)增強(qiáng)方法。通過這個(gè)方法不僅豐富了數(shù)據(jù)集，而且豐富了檢測物體的背景，在最后訓(xùn)練出的模型效果中，新模型取得了非常好的效果。

在實(shí)現(xiàn)了口罩識(shí)別檢測系統(tǒng)之后，我們下一步計(jì)劃將該項(xiàng)目與計(jì)算機(jī)硬件的相關(guān)模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)根據(jù)是否佩戴口罩進(jìn)行出入口的自動(dòng)控制，戴口罩者通過入口時(shí)，閘機(jī)自動(dòng)開放，當(dāng)沒有戴口罩的人通過入口時(shí)，閘機(jī)自動(dòng)關(guān)閉，并向防控人員發(fā)出警報(bào)信息。同時(shí)可以結(jié)合數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)口罩佩戴的檢測以及數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)的匹配，判斷人流中的某個(gè)個(gè)體是否屬于該小區(qū)人員或?qū)W校學(xué)生。結(jié)合紅外熱像體溫自動(dòng)檢測系統(tǒng)，將通過入口人員進(jìn)行口罩佩戴和體溫監(jiān)測的同時(shí)檢測識(shí)別，有效幫助疫情防控人員進(jìn)行全面檢測，全面防控，排查可疑人員，為幫助疫情防控常態(tài)化工作作出更大的貢獻(xiàn)。

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曲阜師范大學(xué) 山東省 276800