基于深度学习的危险物品检测系统(网页版+YOLOv8/v7/v6/v5代码+训练数据集)

news/2024/4/19 17:57:47/

摘要:本文详细介绍基于YOLOv8/v7/v6/v5的危险物品检测技术。主要采用YOLOv8技术并整合了YOLOv7、YOLOv6、YOLOv5的算法,进行了细致的性能指标对比分析。博客详细介绍了国内外在危险物品检测方面的研究现状、数据集处理方法、算法原理、模型构建与训练代码,以及基于Streamlit的交互式Web应用界面设计。在该Web应用中,用户可以支持图像、视频和实时摄像头进行危险物品检测,同时能够上传不同的训练模型(YOLOv8/v7/v6/v5)进行推理预测。为读者提供了完整的网页设计、深度学习模型代码和训练数据集的下载链接。

文章目录

  • 1. 网页功能与效果
  • 2. 绪论
    • 2.1 研究背景及意义
    • 2.2 国内外研究现状
    • 2.3 要解决的问题及其方案
      • 2.3.1 要解决的问题
      • 2.3.2 解决方案
    • 2.4 博文贡献与组织结构
  • 3. 数据集处理
  • 4. 原理与代码介绍
    • 4.1 YOLOv8算法原理
    • 4.2 模型构建
    • 4.3 训练代码
  • 5. 实验结果与分析
    • 5.1 训练曲线
    • 5.2 PR曲线图
    • 5.3 YOLOv8/v7/v6/v5对比实验
  • 6. 系统设计与实现
    • 6.1 系统架构概览
    • 6.2 系统流程
  • 代码下载链接
  • 7. 结论与未来工作

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网页版-基于深度学习的危险物品检测系统(YOLOv8/YOLOv7/YOLOv6/YOLOv5+实现代码+训练数据集)


1. 网页功能与效果

        (1)开启摄像头实时检测:本系统允许用户通过网页直接开启摄像头,实现对实时视频流中危险物品的检测。系统将自动识别并分析画面中的危险物品,并将检测结果实时显示在用户界面上,为用户提供即时的反馈。

在这里插入图片描述

        (2)选择图片检测:用户可以上传本地的图片文件到系统中进行危险物品检测。系统会分析上传的图片,识别出图片中的危险物品,并在界面上展示带有危险物品标签和置信度的检测结果,让用户能够清晰地了解到每个危险物品状态。

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        (3)选择视频文件检测:系统支持用户上传视频文件进行危险物品检测。上传的视频将被系统逐帧分析,以识别和标记视频中每一帧的危险物品。用户可以观看带有危险物品标记的视频,了解视频中危险物品的变化。

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        (4)选择不同训练好的模型文件:系统集成了多个版本的YOLO模型(如YOLOv8/v7/v6/v5),用户可以根据自己的需求选择不同的模型进行危险物品检测。这一功能使得用户能够灵活地比较不同模型的表现,以选择最适合当前任务的模型。

在这里插入图片描述

        在本研究中,我们精心开发了一个基于Streamlit的交互式Web应用,旨在为用户提供一个直观、灵活的平台以进行危险物品的检测。本应用集成了多项核心功能,下面我们将详细介绍这些功能及其使用方法。

        首先,开启摄像头实时检测功能允许用户通过简单点击界面上的按钮,激活设备的摄像头,对捕捉到的视频流进行实时危险物品检测。此外,我们还提供了选择图片进行检测选择视频文件进行检测的选项,用户可以上传图片或视频文件,系统将自动进行深度分析并标注出潜在的危险物品。

        为了满足不同用户对检测精度的需求,本应用支持选择不同训练好的模型文件,包括YOLOv8/v7/v6/v5等版本,用户可以通过下拉菜单轻松切换不同的模型以比较其检测效果。同时,应用还提供了灵活的显示选项,用户可以选择检测画面与原始画面的同时或单独显示,根据个人偏好调整视觉体验。

        在检测过程中,特别设计了特定目标的单独标记与结果显示功能,用户可以专注于关注特定类型的危险物品。检测结果将实时展示在页面的表格中,且支持通过动态调整检测算法的参数,如置信度阈值和IOU阈值,以优化检测的准确性和可靠性。完成检测后,用户可以利用导出标记结果功能,将标记的图片、视频及摄像头画面结果导出为AVI图像文件,便于后续分析和存档。同时,检测结果还可以通过点击按钮,保存为CSV文件,方便用户进行数据分析和记录。

        通过以上介绍,我们可以看到该交互式Web应用不仅提升了用户体验,也通过其高效、灵活的功能设计,显著增强了基于YOLOv8/v7/v6/v5的危险物品检测系统的实用价值和技术先进性。


2. 绪论

2.1 研究背景及意义

        随着全球化的发展和技术的进步,公共安全已成为社会关注的重点。特别是在机场、车站、大型活动等人流密集的场所,危险物品的检测与管理显得尤为重要。危险物品,包括但不限于爆炸物、易燃物、有毒化学品等,它们一旦被不法分子利用,可能导致严重的人员伤亡和财产损失。因此,如何有效、快速地识别和检测这些潜在的威胁,成为保障公共安全的关键技术挑战。

        在过去的几十年里,随着计算机视觉和深度学习技术的快速发展,图像识别和物体检测领域取得了巨大的进步。尤其是深度学习模型,如卷积神经网络(CNN)在图像处理方面的应用,大幅提高了目标检测的准确性和效率。在众多深度学习模型中,YOLO(You Only Look Once)算法系列因其高效的检测速度和良好的准确性,成为了目标检测领域的突出代表。

        YOLO算法的核心思想是将目标检测任务作为一个单一的回归问题来处理,直接在图像中预测物体的边界框和类别概率。这种一步到位的方法,相较于传统的两步检测流程(先区域提议,后分类),大大加快了检测速度,使其能够满足实时检测的需求。从YOLOv1到YOLOv8,每个版本都在性能、速度和准确性上进行了显著的改进。

        随着算法的不断进步,基于YOLO系列的危险物品检测技术也在不断地发展。这些技术不仅被应用于机场安检、公共安全监控,也逐步扩展到了日常生活中的多个领域,如工厂安全监管、快递物流检查等场景。通过深度学习模型的学习和训练,系统能够准确地识别和定位图像或视频中的危险物品,有效提前预警,减少潜在的安全风险。

        然而,尽管取得了显著的进展,基于深度学习的危险物品检测仍面临着一些挑战和限制。例如,模型的泛化能力、对小目标的检测精度、在复杂背景下的鲁棒性等,都是当前研究需要解决的问题。

2.2 国内外研究现状

        随着计算机视觉和深度学习技术的迅猛发展,危险物品检测领域经历了从传统图像处理技术到深度学习算法的转变。早期,基于特征的方法如SIFT(尺度不变特征变换)和HOG(方向梯度直方图)在物体识别领域占据主导地位。这些方法依靠手工提取的特征进行物体的识别和分类,但在处理复杂场景和实现实时检测方面存在局限性。

        进入深度学习时代,卷积神经网络(CNN)的出现彻底改变了物体检测技术的面貌。Fast R-CNN、Faster R-CNN等算法通过引入区域建议网络,大幅提升了检测的速度和准确度。YOLO系列和SSD(Single Shot MultiBox Detector)算法进一步通过单次前向传播实现了对物体的快速准确检测,特别是YOLO算法以其出色的实时性能在实际应用中获得了广泛的应用。

在这里插入图片描述

        数据集的发展同样对危险物品检测技术的进步起到了关键作用。早期的数据集如PASCAL VOC和ImageNet虽然在推动目标检测算法的发展中起到了里程碑式的作用,但它们覆盖的类别和场景较为有限。近年来,针对特定任务如危险物品检测的专用数据集逐渐增多,例如X-ray数据集用于机场安检中的液体和其他禁止品的检测。这些专用数据集的出现,为深度学习模型提供了大量的、高质量的训练样本,显著提升了模型的性能和泛化能力。

        从YOLOv5到YOLOv8,每一版本的迭代都在寻求更快的速度和更高的准确性。YOLOv8继承和发展了之前版本的优点,如YOLOv7对模型结构的优化,YOLOv6在数据预处理和增强技术上的创新,以及YOLOv5在模型轻量化和实时性方面的突破。每一步迭代都致力于解决目标检测中的实际问题,比如减少模型的复杂度、提高对小目标的检测能力、优化检测速度与准确率之间的平衡等。

        ViT(Vision Transformer),它通过引入自注意力机制,展示了在处理图像任务时与CNN不同的视角和优势。注意力机制能够让模型更加聚焦于图像中的关键信息,这对于复杂场景下的危险物品检测尤其重要。RetinaNet解决了以往目标检测算法中的类别不平衡问题,通过引入Focal Loss减少了对大量易分类样本的关注,从而提升了对困难样本,如小物体或模糊物体的检测能力。

        Faster R-CNN作为一种经典的两阶段检测框架,通过区域建议网络(RPN)与CNN检测网络的结合,实现了高精度的目标检测。而DETR(Detection Transformer)则是一种端到端的目标检测框架,它通过将Transformer应用于目标检测,摒弃了传统的锚点和非极大值抑制(NMS),展现了新的可能性。

        近期,一些研究将YOLO系列与Transformer结合,如Glod-YOLO等,试图借助Transformer强大的全局依赖建模能力,进一步提升目标检测的性能。同时,开源目标检测工具箱如MMDetection为研究者提供了丰富的算法库和框架,促进了目标检测技术的快速发展和应用。

2.3 要解决的问题及其方案

2.3.1 要解决的问题

        针对基于YOLOv8/v7/v6/v5的危险物品检测系统,我们面临的核心挑战与要解决的问题,以及对应的解决方案,需要细致分析以确保系统的高效性、准确性及用户友好性。以下是结合本系统实际情况的详细分析:

  1. 危险物品检测的准确性和速度
    危险物品检测的核心挑战在于如何实现对多种危险物品的高准确度识别与实时处理。鉴于危险物品种类的多样性以及它们可能出现的多变形态和环境条件(如不同光照、遮挡、复杂背景等),系统需要能够准确识别出细微的特征差异。同时,考虑到实时监控的需求,开发一个能够快速响应并准确识别危险物品的模型是项目的首要任务。

  2. 环境适应性和模型泛化能力
    危险物品检测的环境可能极其多变,包括不同的光照条件、背景复杂度及天气变化等因素,这些都可能影响识别的准确性。系统因此需要具备出色的环境适应性和模型泛化能力,确保在各种环境条件下都能保持高识别准确率。

  3. 用户交互界面的直观性和功能性
    为了确保非专业用户也能高效利用危险物品检测系统,用户界面的设计必须直观易懂,功能布局合理,支持用户快速访问实时监控、历史数据查询、模型切换等核心功能。

  4. 数据处理能力和存储效率
    考虑到系统将处理大量图像和视频数据,必须具备强大的数据处理能力和高效的存储机制。这关系到识别的实时性及长期数据的管理和查询效率,同时也需确保数据的安全性和隐私保护。

  5. 系统的可扩展性和维护性
    系统设计需考虑未来可能的需求变化,如支持更多种类的危险物品检测或集成新技术以提升性能。系统的维护性也至关重要,确保能够持续稳定运行,及时进行必要的更新和升级。

        通过对上述问题的细致分析,本系统在设计和实现过程中,将重点关注模型的选择与优化、数据的处理与管理、用户界面的设计与实现,以及系统架构的可扩展性和维护性。这将为开发出既高效又准确、同时用户友好的危险物品检测系统奠定坚实的基础。

2.3.2 解决方案

        针对本系统基于YOLOv8/v7/v6/v5的危险物品检测的挑战,我们拟采取以下综合性解决方案来设计和实现一个高效、准确且用户友好的检测系统:

  1. 深度学习模型的选择和优化
  • 模型架构:选择YOLO系列中的最新版本作为核心深度学习模型,特别是YOLOv8,因其在速度和准确度之间提供了最优的平衡。根据项目需求,也可灵活切换至YOLOv7、v6或v5,以适应不同的检测场景和性能要求。
  • 数据增强:为提升模型对危险物品在各种环境条件下的识别能力,我们将采用多种数据增强技术,如随机裁剪、缩放、旋转和色彩调整等,以模拟复杂多变的实际应用场景。
  • 迁移学习:利用在大规模数据集上预训练的模型作为起点,通过迁移学习对特定的危险物品数据集进行微调,这不仅加快了训练速度,还有助于提高模型的识别性能和泛化能力。
  1. 技术框架和开发工具
  • PyTorch框架:选用PyTorch作为深度学习框架,凭借其灵活性和强大的GPU加速能力,适合于本项目快速开发和模型迭代的需求。
  • Streamlit Web应用:基于Streamlit框架构建交互式Web应用,提供直观的操作界面和实时反馈,支持图片、视频和实时摄像头的危险物品检测。
  • PyCharm IDE:使用PyCharm作为集成开发环境,提供代码编写、调试及版本控制的全方位支持,确保开发流程的高效和规范。
  1. 功能实现和系统设计
  • 多输入源支持:设计系统以支持多种输入源,包括静态图像、视频文件和实时摄像头流,以适应不同使用场景的需求。
  • 模型切换功能:实现用户界面中的模型动态切换功能,允许用户根据具体需求选择不同版本的YOLO模型,增加系统的灵活性和适用范围。
  • CSS美化与交互设计:使用CSS对Streamlit默认界面进行美化和定制,提升用户体验。同时,设计直观的操作流程,如上传检测图片/视频,选择模型,调整检测参数等,使用户即使在无专业背景的情况下也能轻松使用系统。
  1. 数据处理和存储策略
  • 高效数据处理:利用PyTorch的数据加载和预处理功能,实现高效的数据处理流程,确保检测任务的实时性。
  • 智能数据存储:开发高效的数据存储方案,对检测结果和历史数据进行有效组织和索引,便于后续的查询、分析和可视化展示。
  1. 性能优化
  • 性能调优:通过对模型和系统进行深入的性能分析,识别并解决瓶颈问题,进行针对性的优化措施,如模型简化、算法加速等,以进一步提升系统的运行效率和响应速度。

        通过实施以上方法,我们期望开发出一个既准确又高效的危险物品检测系统,该系统不仅能满足不同用户在多样化环境下的应用需求,而且提供友好的用户交互界面和强大的数据处理能力。

2.4 博文贡献与组织结构

        本文综合介绍了基于YOLOv8/v7/v6/v5的危险物品检测系统的设计与实现,重点探讨了任务相关的文献综述、数据集处理方式、算法选择理由及其优化,同时还涉及了如何使用Streamlit框架设计一个美观且用户友好的网页界面。此外,文章还对比了YOLO系列中v7、v6、v5等不同版本算法的检测效果,并提供了完整的数据集和代码资源包,以便读者可以直接应用或进一步研究。本文的主要贡献如下:

  1. 深入文献综述:提供了关于危险物品检测领域的详细文献综述,包括最新的研究进展、主流的检测算法及其优缺点分析,为读者提供了扎实的理论基础。
  2. 数据集处理:详细介绍了数据集的处理方式,包括数据的采集、预处理、增强技术等,确保模型训练和测试的有效性和准确性。
  3. 算法选择与优化:基于YOLO系列算法(v8/v7/v6/v5)的性能评估,阐述了选择特定版本的理由,并对算法进行了必要的优化,以提高危险物品检测的准确率和实时性。
  4. Streamlit网页设计:展示了如何利用Streamlit框架设计和实现一个美观、直观、用户友好的网页界面,使得危险物品检测更加便捷。
  5. 算法效果对比:对YOLOv7、v6、v5等版本的检测效果进行了系统的对比分析,为读者在实际应用中选择合适的模型提供了参考。
  6. 资源分享:提供了完整的数据集和代码资源包,包括模型训练和预测的详细代码,方便读者下载学习和应用。

        后续章节的组织结构如下: 绪论:介绍研究背景、目的和本文的主要贡献;算法原理:详细介绍YOLOv8/v7/v6/v5等算法的工作原理及其在危险物品检测中的应用;数据集处理:讨论使用的数据集及其预处理、增强方法。代码介绍:提供模型训练和预测的详细代码说明,包括环境搭建、参数配置和执行步骤。实验结果与分析:展示不同模型在危险物品任务上的实验结果,并进行比较分析。系统设计与实现:介绍基于Streamlit的危险物品检测系统的设计与实现细节。结论与未来工作:总结本文的研究成果,并讨论未来的研究方向和潜在的改进空间。


3. 数据集处理

        在我们致力于危险物品检测的研究工作中,构建了一个具有代表性和实用性的数据集,这是深度学习模型训练过程的基石。本博客章节将详细介绍该数据集,阐述其在我们研究中的关键作用。我们的数据集总共包含了2486张图像,这些图像被分为1661张训练集、580张验证集以及245张测试集。这种精心的划分,确保了在模型训练期间有足够的样本来学习杂草的特征,在验证阶段可以适当调整模型以避免过拟合,并在测试阶段公正地评估模型的泛化能力。每张图像中的杂草都被精确地标注,并统一命名为“weeds”,这为我们的目标检测算法提供了清晰的学习目标。博主使用的类别如下:

Chinese_name = {"Axe": "斧头", "Celurit": "大镰刀", "Cleaver": "切肉刀", "Cutlass": "弯刀","Damageable": "破坏器械", "Knife": "刀", "Linggis": "撬棍", "Mace": "狼牙棒", "Spear": "矛", "Wrench": "扳手"}

        在预处理阶段,所有图像都进行了自动方向校正,以确保图像的统一性和方向一致性。重要的是,我们还进行了EXIF-orientation信息的剥离,以消除由于相机角度变化带来的数据偏差。这样的预处理工作,对于训练一个鲁棒的深度学习模型至关重要,能够让模型专注于杂草本身的视觉特征,而非图像的方向。

在这里插入图片描述

        此外,为了适配网络输入和提升计算效率,所有图像被统一调整至640x640像素的分辨率。这一调整过程涉及到了尺寸的拉伸,虽然可能会对图像中杂草的形状产生影响,但仍然可以保持其识别的有效性。这种处理方式对于实现快速而准确的杂草检测具有重要意义,因为它确保了图像在网络中快速前传的同时,还能够保留足够的细节信息以供模型学习。

        分析数据集中的标注分布,我们发现杂草标注在图像中的分布相对均匀,没有特定的集中趋势,这意味着杂草可能出现在图像中的任何位置。这样的分布为模型训练提供了挑战,因为模型需要能够在整个图像区域内识别杂草。另一方面,边界框尺寸分布表明,绝大多数杂草标注为图像中的小尺寸对象,这提示我们在模型设计时需要特别关注对小目标的检测能力。

在这里插入图片描述

        我们的数据集提供了一个全面的视角来理解危险物品的复杂性。通过对数据集的详细介绍,我们展现了在构建一个高效且精确的杂草检测系统中的考量。从数据的收集和预处理到标注的准确性和多样性,每一步都是为了确保最终训练出的模型可以在实际的田间环境中以高准确率和高效率执行任务。通过分享这些信息,我们希望为其他研究者提供宝贵的参考,并推动农业领域深度学习应用的发展。


4. 原理与代码介绍

4.1 YOLOv8算法原理

        YOLOv8 是一个最新的实时对象检测算法,它是 YOLO 系列的最新作品。在 YOLOv3 的基础上,YOLOv8 进行了多项改进。YOLOv3 是基于 Darknet53 网络,而 YOLOv8 则是基于更加高效的 C2F 结构。这意味着它在网络的底层采用了与 Darknet53 类似的结构,但是在高层则采用了新的方法。

在这里插入图片描述

        YOLOv8 还继承了 YOLOv5 中的 C3 模块以及 YOLOv7 中的有效层聚合(Efficient layer aggregation networks, ELAN)方法。C3 模块是基于 BottleNeck 结构的改进,它加入了更多的跳跃连接以增强特征信息的传递,这有助于网络能更好地从输入的图像中学习到有用的信息。而有效层聚合网络(ELAN)则进一步优化了这些跳跃连接,确保了网络不仅在深层能够学习到重要的信息,同时也能保持网络的高效性。

        在路径聚合方面,YOLOv8 引入了路径聚合网络(Path Aggregation Network, PANet)来进一步提高特征的传递效率。PANet 通过在不同层之间建立更多的连接,使得网络能够更好地保留和利用低层的细节信息和高层的语义信息。这有助于网络在检测小对象时保持高性能,因为这些小对象往往需要低层的细节信息来进行准确的识别。

        最后,YOLOv8 放弃了传统的基于锚点(anchor)的方法,转而采用了无锚点(None anchor)的机制。这种新的机制使得模型不再依赖预设的锚点框来预测对象的位置,而是直接从特征中预测对象的边界框,这样做减少了模型对先验知识的依赖,同时也简化了模型的训练过程,并可能提高了检测的准确性。

        综上所述,YOLOv8 在保持了 YOLO 系列高速检测的特点的同时,通过引入新的结构和算法改进,进一步提高了模型的性能,尤其是在处理复杂场景和小型对象时的识别能力。

4.2 模型构建

        在这一章节中,我们详细介绍了构建的危险物品检测模型的实现细节。我们利用了强大的深度学习库PyTorch以及针对目标检测优化的专用库ultralytics的YOLO实现。整个系统设计遵循了加载模型、预处理数据、执行推理和后处理结果的典型流程。

        首先,我们导入必要的库。cv2是OpenCV库的Python接口,它提供了处理图像和视频的丰富功能。torch是PyTorch深度学习框架的核心库,用于构建和训练神经网络。接下来,我们从自定义的QtFusion库导入Detector基类,这些类为我们的检测模型提供基础架构和可视化工具。我们还从datasets库中导入了Chinese_name字典,这个字典映射了类别到它们的中文名称,以便在用户界面显示。

import cv2
import torch
from QtFusion.models import Detector
from datasets.label_name import Chinese_name
from ultralytics import YOLO
from ultralytics.utils.torch_utils import select_device

        使用select_device函数,我们选择了合适的硬件设备(如果可用,优先使用GPU)。之后,我们设置了一系列初始参数,如置信度阈值和IOU阈值,这些参数在模型推理时至关重要,因为它们决定了检测结果的选择。

device = "cuda:0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"
ini_params = {'device': device,'conf': 0.25,'iou': 0.5,'classes': None,'verbose': False
}

        接下来,我们定义了count_classes函数,它负责统计每个类别的实例数量。这对于分析数据集的类别分布和之后的模型评估非常有用。

def count_classes(det_info, class_names):count_dict = {name: 0 for name in class_names}for info in det_info:class_name = info['class_name']if class_name in count_dict:count_dict[class_name] += 1count_list = [count_dict[name] for name in class_names]return count_list

        核心部分是YOLOv8v5Detector类,这是一个继承自Detector的具体检测器实现。在初始化时,该类配置了模型的加载和预处理所需的参数。load_model方法使用YOLO模型初始化深度学习网络,为接下来的推理预热。在preprocess方法中,我们执行了图像预处理,尽管在这里我们仅仅是简单地将传入的图像分配给类属性,但实际应用中这一步通常包含归一化、缩放和裁剪等操作。

class YOLOv8v5Detector(Detector):def __init__(self, params=None):super().__init__(params)self.model = Noneself.img = Noneself.names = list(Chinese_name.values())self.params = params if params else ini_paramsdef load_model(self, model_path):self.device = select_device(self.params['device'])self.model = YOLO(model_path)names_dict = self.model.namesself.names = [Chinese_name[v] if v in Chinese_name else v for v in names_dict.values()]self.model(torch.zeros(1, 3, *[self.imgsz] * 2).to(self.device).type_as(next(self.model.model.parameters())))def preprocess(self, img):self.img = imgreturn imgdef predict(self, img):results = self.model(img, **ini_params)return resultsdef postprocess(self, pred):results = []for res in pred[0].boxes:for box in res:class_id = int(box.cls.cpu())bbox = box.xyxy.cpu().squeeze().tolist()bbox = [int(coord) for coord in bbox]result = {"class_name": self.names[class_id],"bbox": bbox,"score": box.conf.cpu().squeeze().item(),"class_id": class_id,}results.append(result)return resultsdef set_param(self, params):self.params.update(params)

        predict方法将处理好的图像传递给加载的YOLO模型,执行前向传播,获取检测结果。而postprocess方法则负责解析YOLO模型的输出,将其转换为易于理解的格式,每个检测结果包含类别名称、边界框坐标、置信度和类别ID。最后,我们定义了set_param方法,它允许我们在运行时更新模型参数,增加了模型运行过程的灵活性。

        这一整套代码架构提供了一个完整的危险物品检测流程,从图像的输入到检测结果的输出,都经过了精心的设计和实现。它不仅高效地利用了现代计算资源,还通过明确的逻辑和结构保证了良好的代码可读性和可维护性。

4.3 训练代码

        在构建一个深度学习模型时,训练过程的配置和管理是确保模型能够正确学习和泛化至新数据的关键环节。我们的训练流程使用了ultralytics的YOLO模型,这是一个在目标检测任务中表现卓越的深度学习模型。以下表格详细介绍了YOLOv8模型训练中使用的一些重要超参数及其设置:

超参数设置说明
学习率(lr00.01决定了模型权重调整的步长大小,在训练初期有助于快速收敛。
学习率衰减(lrf0.01控制训练过程中学习率的降低速度,有助于模型在训练后期细致调整。
动量(momentum0.937加速模型在正确方向上的学习,并减少震荡,加快收敛速度。
权重衰减(weight_decay0.0005防止过拟合,通过在损失函数中添加正则项减少模型复杂度。
热身训练周期(warmup_epochs3.0初始几个周期内以较低的学习率开始训练,逐渐增加到预定学习率。
批量大小(batch16每次迭代训练中输入模型的样本数,影响GPU内存使用和模型性能。
输入图像大小(imgsz640模型接受的输入图像的尺寸,影响模型的识别能力和计算负担。

        环境设置与模型加载:首先,我们首先设置了Python环境,导入了必要的库。torch是我们选择的深度学习库,而yaml库被用于解析数据集配置文件,这些文件通常包含了数据集的类别信息、训练和验证图像的路径等关键元数据。通过ultralytics的YOLO类,我们能够接入一个预训练的模型作为我们训练的起点,这有助于缩短训练时间并提高最终模型的性能。

import os
import torch
import yaml
from ultralytics import YOLO  # 用于加载YOLO模型
from QtFusion.path import abs_path  # 用于获取文件的绝对路径

        在这里,我们决定训练过程是在CPU还是GPU上执行。显然,如果可用,GPU将提供更快的计算速度,是训练深度学习模型的首选。

device = "0" if torch.cuda.is_available() else "cpu"

        数据集准备:接着,我们处理了数据集配置文件的路径问题,并确保了无论在哪种操作系统上,路径设置都是准确无误的。通过abs_path函数,我们获得了数据集配置文件的绝对路径。正确的路径设置是确保训练流程顺利进行的前提,特别是在大规模数据集上训练时。

workers = 1  # 工作进程数
batch = 8  # 每批处理的图像数量
data_name = "Weapon"
data_path = abs_path(f'datasets/{data_name}/{data_name}.yaml', path_type='current')
unix_style_path = data_path.replace(os.sep, '/')

        进入实际的模型加载和训练环节之前,我们对数据集的YAML配置文件进行了预处理。我们读取并更新了配置文件中的path项,这保证了模型在训练过程中引用的数据路径是当前目录结构下的正确路径。

directory_path = os.path.dirname(unix_style_path)
with open(data_path, 'r') as file:data = yaml.load(file, Loader=yaml.FullLoader)if 'path' in data:data['path'] = directory_pathwith open(data_path, 'w') as file:yaml.safe_dump(data, file, sort_keys=False)

        训练模型:在加载模型的步骤中,我们实例化了YOLO模型,选择了对应的权重文件。在这里,我们使用的是YOLOv8的预训练模型。选择预训练模型是因为它们在大规模数据集上已经训练过,拥有了识别多种物体的能力,可以大幅减少我们自己训练模型所需的时间和资源。最后,我们调用了模型的train方法,开始训练过程。我们指定了许多重要的训练参数,如数据集路径、计算设备、工作进程数量(数据加载的并行性)、图像尺寸、训练周期总数、批次大小以及训练任务的命名。这些参数共同决定了训练过程的具体行为,包括训练的时长、每次迭代的数据量以及模型保存的具体方式。

model = YOLO(abs_path('./weights/yolov5nu.pt', path_type='current'), task='detect')  # 加载预训练的YOLOv8模型
# model = YOLO('./weights/yolov5.yaml', task='detect').load('./weights/yolov5nu.pt')  # 加载预训练的YOLOv8模型
# Training.
results = model.train(  # 开始训练模型data=data_path,  # 指定训练数据的配置文件路径device=device,  # 自动选择进行训练workers=workers,  # 指定使用2个工作进程加载数据imgsz=640,  # 指定输入图像的大小为640x640epochs=120,  # 指定训练100个epochbatch=batch,  # 指定每个批次的大小为8name='train_v5_' + data_name  # 指定训练任务的名称
)
model = YOLO(abs_path('./weights/yolov8n.pt'), task='detect')  # 加载预训练的YOLOv8模型
results2 = model.train(  # 开始训练模型data=data_path,  # 指定训练数据的配置文件路径device=device,  # 自动选择进行训练workers=workers,  # 指定使用2个工作进程加载数据imgsz=640,  # 指定输入图像的大小为640x640epochs=120,  # 指定训练100个epochbatch=batch,  # 指定每个批次的大小为8name='train_v8_' + data_name  # 指定训练任务的名称
)

        整个训练过程是自动化的。通过精心选择的参数和先进的YOLOv8架构,我们的模型训练旨在达到在危险物品检测任务上的高准确率和快速响应。


5. 实验结果与分析

5.1 训练曲线

        对于深度学习模型的训练过程,损失函数的变化趋势和最终的性能指标是评估模型学习效果的重要依据。YOLOv8模型的训练损失和验证损失图像提供了训练过程中各个阶段模型性能的直观展示。

在这里插入图片描述

        在训练过程中,我们观察到的损失函数包括边界框损失(box_loss)、分类损失(cls_loss)和目标损失(dfI_loss)。从图像中可以看出,所有损失随着训练的进行持续减小,这是模型学习和优化过程的正常表现。边界框损失的持续下降表明模型在确定物体位置方面的预测越来越准确,而分类损失的减小则意味着模型在区分不同类别方面的能力在增强。目标损失是YOLO模型特有的损失函数,通常用于目标检测任务中评价模型在预测目标置信度方面的性能。

        在这个训练过程中,我们尤其关注验证损失,因为它代表模型在未见过的数据上的表现,是判断模型是否过拟合的重要指标。图像显示,在训练初期,验证损失迅速下降,随着模型的进一步训练,下降速度放缓并趋于稳定。这种趋势通常表示模型在提高其泛化能力,不过,持续监测验证损失是否会再次上升是必要的,因为那可能是过拟合的信号。

        对于性能指标,我们关注精确度(precision)、召回率(recall)、平均精度均值(mAP@0.5)和更严格指标下的mAP(mAP@0.5-0.95)。精确度指标的波动可能是由于在不同的epoch中,模型在预测时对某些类别的置信度变化较大。召回率的逐渐上升表明模型在检测到的正样本数量上有所增加。mAP@0.5指标给出了在IoU阈值为0.5时模型性能的估计,这是一个比较宽松的指标,对于初步评估模型性能来说是很有用的。而mAP@0.5-0.95提供了一个从宽松到严格的IoU阈值范围内的平均表现,它更全面地反映了模型的整体性能。

        总的来说,从这些图表中可以得出的结论是,模型在训练过程中性能稳步提升,未出现明显的过拟合迹象。验证损失的稳定性和性能指标的持续提升都预示着模型对危险物品检测任务的泛化能力强,可以期待在实际应用中取得良好的表现。然而,实际部署之前,还应进行进一步的测试和调整,以确保模型在各种条件下均具有鲁棒性。

5.2 PR曲线图

        在评估目标检测模型的性能时,精确度-召回率(Precision-Recall, PR)曲线是一个重要的工具。它提供了在不同置信度阈值下模型性能的详细视图。上图显示的PR曲线是我们用于评估危险物品检测模型的结果,其中包括了各个类别的曲线和一个综合所有类别的平均精确度(mAP@0.5)。

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        从曲线可以看出,大部分类别的检测精确度较高。例如,'Mace’的检测表现最为出色,其PR曲线几乎达到了完美的标准,曲线下的面积接近1,对应的mAP@0.5值为0.995。这表明在绝大多数情况下,模型能够正确地识别并定位到‘Mace’类别的物体,几乎没有误检或漏检。‘Cutlass’、'Cleuri’和’Wrench’也表现出相对较高的检测精确度,mAP@0.5值分别为0.802、0.824和0.822。这意味着模型在检测这些物体时同样展现出了较高的准确性和可靠性。

        然而,某些类别,如’Cleaver’,其PR曲线下方的面积较小,mAP@0.5值仅为0.629,这暗示模型在这些类别上的性能存在提升空间。可能的原因包括训练数据不足、类别间的相似性导致的混淆,或者是这些物体在实际图像中出现的姿态和光照条件的变化。

        模型的平均精确度较高,达到了0.798的mAP@0.5。这是一个相当强的结果,表明我们的模型在大多数情况下能够准确地识别出各种危险物品。然而,PR曲线也揭示了模型在某些类别上可能的弱点,这为我们提供了进一步优化模型的线索。例如,我们可以通过收集更多的训练样本、改进数据增强策略或者调整模型结构来解决这些问题。

        虽然mAP@0.5是一个有用的指标,但在实际应用中,我们也可能需要考虑更严格的mAP计算方式,如mAP@0.75或者mAP@0.5-0.95,以更精细地评价模型性能。此外,实际部署时还需要考虑模型的实时性能和计算资源需求,以确保在实际应用场景中的可行性。通过这种全面的评估,我们能够确保模型不仅在理论上表现良好,而且在现实世界中同样可靠和有效。

5.3 YOLOv8/v7/v6/v5对比实验

(1)实验设计
        本实验旨在评估和比较YOLOv5、YOLOv6、YOLOv7和YOLOv8几种模型在危险物品目标检测任务上的性能。为了实现这一目标,博主分别使用使用相同的数据集训练和测试了这四个模型,从而可以进行直接的性能比较。该数据集包含危险物品的图像。本文将比较分析四种模型,旨在揭示每种模型的优缺点,探讨它们在工业环境中实际应用的场景选择。

模型图像大小 (像素)mAPval 50-95CPU ONNX 速度 (毫秒)A100 TensorRT 速度 (毫秒)参数数量 (百万)FLOPs (十亿)
YOLOv5nu64034.373.61.062.67.7
YOLOv8n64037.380.40.993.28.7
YOLOv6N64037.5--4.711.4
YOLOv7-tiny64037.4--6.0113.1

(2)度量指标

  • F1-Score:F1-Score 作为衡量模型性能的重要指标,尤其在处理类别分布不均的数据集时显得尤为关键。它通过结合精确率与召回率,提供了一个单一的度量标准,能够全面评价模型的效能。精确率衡量的是模型在所有被标记为正例中真正属于正例的比例,而召回率则关注于模型能够识别出的真正正例占所有实际正例的比例。F1-Score通过两者的调和平均,确保了只有当精确率和召回率同时高时,模型的性能评估才会高,从而确保了模型对于正例的预测既准确又完整。
  • mAP(Mean Average Precision):在目标检测任务中,Mean Average Precision(mAP)是评估模型性能的重要标准。它不仅反映了模型对单个类别的识别精度,而且还考虑了所有类别的平均表现,因此提供了一个全局的性能度量。在计算mAP时,模型对于每个类别的预测被单独考虑,然后计算每个类别的平均精度(AP),最后这些AP值的平均数形成了mAP。
名称YOLOv5nuYOLOv6nYOLOv7-tinyYOLOv8n
mAP0.7790.8080.6290.798
F1-Score0.750.750.620.78

(3)实验结果分析

       在目标检测领域,YOLO系列一直以其卓越的性能和快速的检测速度著称。我们的实验结果表明,不同版本的YOLO在相同的危险物品检测任务上表现出了显著的差异。具体来说,YOLOv6n在我们的实验中以0.808的mAP表现最佳,而YOLOv7-tiny的表现则相对较差,其mAP为0.629。这两个指标告诉我们,YOLOv6n不仅能够识别出图像中的大多数正类别(较高的召回率),同时它在预测时的准确性(精确度)也很高。相反,YOLOv7-tiny虽然可能具有较高的速度优势,但在准确性方面有所牺牲。

       在F1-Score的对比中,我们观察到YOLOv8n以0.78的分数领先,而YOLOv7-tiny的分数最低,为0.62。F1-Score是精确度和召回率的调和平均值,因此,YOLOv8n的高分数意味着它在平衡召回率和精确度方面做得更好,这在实际应用中是非常重要的,尤其是在安全敏感的领域。

       这些差异背后的原因可能是多方面的。首先,算法本身的架构设计就决定了其性能特点。YOLOv6和YOLOv8的网络架构可能包含了更加有效的特征提取机制,能够更好地从图像中捕获对目标检测有帮助的信息。其次,可能与训练数据有关。虽然所有模型都在相同的数据集上进行训练和测试,但是不同模型对数据的敏感度可能不同,因此,在数据预处理和增强阶段可能需要特别注意数据的质量和多样性。

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       进一步的分析可能还需要探究训练过程中的超参数设置、学习率调度策略以及模型正则化技巧的差异。比如,一个优秀的学习率调度策略可能帮助某个模型更快地收敛并避免过拟合,而较差的超参数选择可能导致另一个模型性能不佳。

       实验结果表明YOLOv6n和YOLOv8n在危险物品检测任务上表现较好,但这并不意味着YOLOv7-tiny没有其应用场景。在对实时性能要求极高的场合,速度较快的模型可能更有优势,尤其是在资源有限的设备上。因此,选择哪个模型还需根据具体的应用场景和需求来定。未来的工作中,我们会继续深入探索这些模型在不同环境下的性能,以及它们的优化空间,以期在实际应用中取得最佳的平衡。


6. 系统设计与实现

6.1 系统架构概览

        在我们的基于YOLOv8/v7/v6/v5的危险物品检测系统中,系统架构设计精细、模块化,旨在提供高效、准确的检测服务,并确保用户界面友好、易于操作。以下详细介绍系统架构的关键组成部分,特别强调了类和方法的具体应用,以及它们在整个系统中的作用。

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  1. 初始化与界面布局

    • 初始化配置:系统启动时,首先在Detection_UI类的构造函数中进行初始化设置,包括模型类型、检测阈值等。

    • 界面布局:使用setup_pagesetup_sidebar方法,分别构建主页面和侧边栏的布局,提供用户交互的入口。

  2. 模型加载与配置

    • 模型动态选择:通过侧边栏,用户可以选择不同版本的YOLO模型(model_type)。系统根据用户选择,利用YOLOv8v5Detector实例的load_model方法动态加载预训练模型。

    • 模型配置:侧边栏还允许用户上传自定义模型文件(custom_model_file),提高了系统的灵活性和适用范围。

  3. 数据预处理

    • 文件上传处理:用户通过侧边栏上传图像或视频文件,系统通过process_camera_or_file方法处理上传的文件,为后续检测准备数据。

    • 图像预处理:对于每一帧图像,系统通过frame_process方法调整尺寸、归一化等,确保数据格式符合模型要求。

  4. 检测执行与参数调整

    • 检测参数调整:用户可以通过侧边栏设置置信度阈值(conf_threshold)和IOU阈值(iou_threshold),系统通过set_param方法应用这些参数。

    • 执行检测:使用YOLOv8v5Detectorpredict方法对预处理后的图像执行目标检测。

  5. 结果后处理与展示

    • 检测结果后处理:检测完成后,通过drawRectBox方法在图像上绘制检测框和标注信息。

    • 展示处理结果:系统将处理后的图像和检测信息在用户界面上展示,使用image_placeholdertable_placeholder等占位符展示结果。

  6. 交互式功能

    • 结果筛选与导出:用户可以通过selectbox_placeholder筛选特定的检测结果进行查看。同时,提供了导出检测结果和日志的功能,增强了系统的实用性。

关键组件强调

  • YOLOv8v5Detector:是系统的核心,负责加载模型、执行检测和结果处理。
  • frame_process方法:负责单帧图像的预处理和调用模型进行检测,是数据处理和检测的关键环节。
  • setup_pagesetup_sidebar方法:构建用户界面的主体和侧边栏,为用户提供友好的操作界面。
  • process_camera_or_file方法:处理用户上传的文件或摄像头捕获的实时视频,体现了系统的灵活性和广泛适用性。
  • drawRectBox方法:在检测结果上绘制边框和信息,直观展示检测结果。

6.2 系统流程

        在基于YOLOv8/v7/v6/v5的危险物品检测系统中,我们通过精心设计了一套流程,以确保从用户上传图像或视频至最终检测结果展示的每一步都能高效、准确地执行。以下是系统整体流程的专业化描述,涵盖了关键步骤和方法的应用。

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系统流程概览

  1. 启动系统与初始化设置

    • 系统启动后,首先通过Detection_UI类的构造函数初始化系统设置,包括模型类型、检测阈值、UI布局等。
  2. 模型选择与加载

    • 用户在侧边栏选择希望使用的YOLO模型版本(v8/v7/v6/v5)及模型文件(默认或自定义)。
    • 根据用户选择,系统通过YOLOv8v5Detector实例的load_model方法加载相应的预训练模型。
  3. 文件上传与数据预处理

    • 用户上传待检测的图像或视频文件。
    • 系统根据文件类型(图像或视频),通过frame_process方法对每一帧进行预处理,包括调整尺寸和归一化。
  4. 检测参数配置

    • 用户通过侧边栏设置置信度阈值和IOU阈值。
    • 系统根据用户设置的参数,通过set_param方法动态调整检测配置。
  5. 执行目标检测

    • 对预处理后的数据,系统调用predict方法执行目标检测。
    • 检测过程中,系统会根据设置的阈值筛选出置信度高的检测结果。
  6. 检测结果后处理

    • 系统对检测到的目标进行结果后处理,如绘制检测框、标注类别和置信度等。
    • 通过drawRectBox方法实现结果的可视化展示。
  7. 结果展示与交互

    • 系统在主界面以图像和表格的形式展示检测结果。
    • 用户可以通过UI进行交互操作,如选择特定目标进行详细查看或导出检测结果。
  8. 系统结束与资源释放

    • 用户完成检测任务后,系统释放相关资源,结束检测流程。

        通过上述流程,我们的系统不仅优化了危险物品检测的效率和准确性,也提供了友好的用户交互界面,使得从技术人员到日常用户都能轻松上手,实现危险物品的快速检测。


代码下载链接

        如果您希望获取博客中提及的完整资源包,包含测试图片、视频、Python文件(*.py)、网页配置文件、训练数据集、代码及界面设计等,可访问博主在面包多平台的上传内容。相关的博客和视频资料提供了所有必要文件的下载链接,以便一键运行。完整资源的预览如下图所示:

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        资源包中涵盖了你需要的训练测试数据集、训练测试代码、UI界面代码等完整资源,完整项目文件的下载链接可在下面的视频简介中找到➷➷➷

演示及项目介绍视频:https://www.bilibili.com/video/BV1oE421u7b6/

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完整安装运行教程:

        这个项目的运行需要用到Anaconda和Pycharm两个软件,下载到资源代码后,您可以按照以下链接提供的详细安装教程操作即可运行成功,如仍有运行问题可私信博主解决:

  1. Pycharm和Anaconda的安装教程:https://deepcode.blog.csdn.net/article/details/136639378;

        软件安装好后需要为本项目新建Python环境、安装依赖库,并在Pycharm中设置环境,这几步采用下面的教程可选在线安装(pip install直接在线下载包)或离线依赖包(博主提供的离线包直接装)安装两种方式之一:

  1. Python环境配置教程:https://deepcode.blog.csdn.net/article/details/136639396(2,3方法可选一种);
  2. 离线依赖包的安装指南:https://deepcode.blog.csdn.net/article/details/136650641(2,3方法可选一种);

        如使用离线包方式安装,请下载离线依赖库,下载地址:https://pan.baidu.com/s/1uHbU9YzSqN0YP_dTHBgpFw?pwd=mt8u (提取码:mt8u)。


7. 结论与未来工作

        本文深入研究并实践了基于YOLOv8/v7/v6/v5的深度学习模型在危险物品检测领域的应用,成功开发了一个高效准确的危险物品检测系统。通过对这些先进的YOLO模型版本进行详尽的比较和深入的优化,本研究不仅显著提升了危险物品检测的准确率和实时性,还利用Streamlit构建了一个直观、美观且易于操作的Web应用,让用户能够毫不费力地执行危险物品检测任务,有效提升了该技术在实际应用场景中的可用性和影响力。

        经过系列严格的实验验证,本文提出的解决方案在提高危险物品检测的准确性和处理速度方面都取得了显著成效。同时,本研究还详细提供了完整的数据集处理流程、模型训练与预测的代码,以及基于Streamlit的系统设计和实现细节,为未来的研究者和开发者提供了宝贵的参考和便利。尽管已取得了初步成果,但鉴于危险物品检测是一个充满挑战且需求多变的任务,仍有广泛的改进空间和探索机会。未来,我们计划从以下几个关键方向进行深入研究和发展:

  • 模型优化:进一步探索深度网络结构和优化策略,比如采用神经网络架构搜索(NAS)技术,旨在进一步提升模型的检测性能和效率。
  • 多模态融合:考虑到结合图像以外的其他模态信息,如语音、文本等,采用多模态学习方法进行危险物品的综合性检测,从而实现更全面的理解和判断。
  • 跨域适应性:研究并实现模型在不同文化、年龄组等多样化场景下的危险物品检测,利用领域适应技术提升模型的泛化能力和适应性。
  • 用户交互体验:持续优化系统的用户界面(UI)和用户体验(UX)设计,使之更加人性化和智能化,以满足更广泛用户群体的需求。
  • 实际应用拓展:拓宽危险物品检测技术在更多实际应用领域中的应用,如公共安全监控、智能交通系统、边检安全等,以发掘其更大的社会价值和经济效益。

        总的来说,随着技术的持续进步和应用范围的逐步扩大,我们坚信基于深度学习的危险物品检测技术将在保障公共安全、促进社会稳定等方面发挥更加关键的作用。


http://www.ppmy.cn/news/1404986.html

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