CN111274930B - 一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法。该方法包括：构建训练集与验证集；对训练集进行数据扩增；构造人头目标检测网络；对检测网络进行训练与预测。本发明的基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法充分考虑了应用光照的多样性和目标尺寸与形态的复杂性，使用基于Resnet18的Centernet网络与Mobilenetv3的分类网络，因此，既保证了目标检测的速度也提高了检测准确度。
Description
技术领域
本发明属于计算机视觉领域，涉及一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法。
背景技术
安全生产对于石化、煤炭、电力、建筑等行业都是非常重要的一环，而根据据《JGJ59- 99建筑施工安全检查标准》，进入施工现场必须戴安全帽，在通过人力监督成本及风险都较大的情况下，通过开发安全帽识别算法对作业区域的人员进行识别，若检测到人员未佩戴安全帽，则立即报警，提升作业区域的管控效率，保障作业人员的安全，最后落地应用到实际的智慧工地和智慧工厂项目。同时，在建筑工地，煤矿及油田等，因为有保温材料和易燃物品的存放，防火工作是重中之重，一个烟头就可能引起火灾，造成巨大的生命和财产损失，所以在这些场景下是禁止吸烟的。基于这样的场景需求，开发出能够实时检测人的吸烟行为，并给出报警的算法，能够大大降低事故发生的风险。
日新月异的计算机视觉和机器学习算法使得目标检测精度越来越高，基于传统的计算机视觉与机器学习的方法，在目前专利系统中能查到的方法主要有多子区域图像特征自动学习、 Kalman滤波的传统图像技术、基于HOG特征和Adaboost特征的机器学习方法，但这些方法需要大量的先验知识和巨大的计算量，对复杂场景和气候下的车辆检测鲁棒性不好，因此导致检测精度不够、检测速度不快，不能在工程中应用。
深度学习技术如火如荼，产生了R-CNN系列网络、YOLO系列、SSD等网络。R-CNN系列网络虽然保证了检测的精度，但是存在训练过程麻烦、训练时间久、预测时间慢的问题。YOlO 和SSD网络，虽然预测快，耗时少，但是存在检测精度不够的问题。而且上述网络都是基于锚框做的预测，这会导致网络的训练与预测很大程度上依赖于锚框的先验尺寸，这就导致了上述网络无法解决现实场景种多种目标的框尺寸不一的问题，所以，在安全帽佩戴检测识别任务中，以上的网络都不是最佳的方案。
考虑到吸烟行为检测属于细粒化地识别任务，单单用目标检测算法难以完成识别任务，但是通过先检测出图像中的人头，包括佩戴与不佩戴安全帽的人头，再将这些已经识别出的人头输入目标分类网络，就可以对目标是否进行抽烟行为进行识别。目前常见的分类网络，如VGG，Resnet等难以达到实时识别的要求，但是基于深度可分离卷积的Mobilenetv3网络可以完成实时分类的要求。
发明内容
鉴于以上所述过往技术的缺点，本发明提供一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，以提高安全帽佩戴以及吸烟行为识别的准确度和速度。
为了实现上述目的，本发明包括以下步骤：
步骤1)获取过去所搜集到的安全帽佩戴以及吸烟行为数据，并做好人工标注，按照 9∶1的比例划分为检测模型的训练集和验证集；
步骤2)对上述训练集进行数据扩增，形成新的训练集；
步骤3)构造基于Resnet18的Centernet检测网络，主要包括特征提取网络、上采样层、目标中心定位层、目标尺寸判断层、目标类别判断层；
步骤4)将上述检测网络使用安全帽佩戴训练集进行模型训练，并选出在验证集表现最优的模型；
步骤5)将吸烟行为训练集图片送进上述检测网络识别图像中的人头，将检测到的人头图像保存，按抽烟与否划分吸烟行为训练集图片；
步骤6)构造基于Mobilenetv3的人头吸烟分类网络；
步骤7)将上述分类网络使用吸烟行为训练集进行模型训练，并选出在验证集表现最优的模型；
步骤8)将待测图像送入上述选出的模型进行预测，得到图像中人头目标对应的位置和行为概率；
上述步骤1)中所述的全帽佩戴以及吸烟行为数据来源于真实环境下工地安全帽佩戴以及公共场所行人吸烟图片，需要各种天气条件下各种光照场景的数据；
上述步骤1)中所述的人工标注是指：将每一张图片中的图片上佩戴或者不佩戴安全帽的人头目标都用矩形框框出，对应产生一个xml文件，xml文件中记录下图中每一目标的坐标，记录格式为[左上角x坐标，左上角y坐标，目标宽w，目标高度h]，同时删掉目标模糊或者难以标注的图片；
上述步骤2)中所述的数据扩增是指：将已经标注好的图片，做亮度、对比度、饱和度和色调的变换，或者做一定角度旋转，再经过人工筛选出合理的图片，构造成新的训练集；
上述步骤3)中所述特征提取网络是指：由18层卷积层构成的特征提取层，对应resnet18分类网络去掉最后的全连接和Pooling层，提取特征过程中图片会进行下采样，最后输出的下采样倍数为32；
上述步骤3)中所述上采样层是指：将上述特征提取层的输出经过三个转置卷积进行上采样，转置卷积核大小为4，上采样最后输出特征尺寸为原输入图像的四分之一，通道数为64；
上述步骤3)中所述目标中心定位层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标偏移所在单元格左上角的相对x与y坐标；
上述步骤3)中所述目标尺寸判断层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标的宽与高；
上述步骤3)中所述目标类别判断层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标的属于佩戴或者不佩戴安全帽的置信度；
上述步骤4)中所述的在验证集中选出表现最优的模型是指：在训练过程，每经过半个 epoch存储一次目标检测模型，并在验证集上测试，根据目标的误检率和漏检率两个指标选择出最优的模型；
上述步骤5)中所述的将检测到的人头图像保存是指，将所检测到的目标，置信度大于0.5 的判断为人头，并且根据输出目标的坐标和尺寸，将人头图像截取，保留到电脑上；
上述步骤5)中所述的按抽烟与否划分吸烟行为训练集图片是指，将截取到的人头图像数据进行人为判断图像中的人是否在吸烟，并且将吸烟与不吸烟的人头图像分别划分到两个文件夹下；
上述步骤6)中所述的构造基于Mobilenetv3的分类网络是指，搭建Mobilenetv3，将模型的输出类别从原模型的1000改成2，即只对目标人头吸烟或者不吸烟进行判断；
上述步骤7)中所述的在验证集中选出表现最优的模型是指：在训练过程，每经过半个epoch存储一次吸烟分类模型，并在验证集上测试，根据目标的误检率和漏检率两个指标选择出最优的模型；
上述步骤8)中所述的预测过程是指：将每一张待预测图像，首先保持图片的尺寸为 512*512不变，输入到检测模型中，设定一定的概率阈值，然后会得到待预测图像中的人头的位置以及属于佩戴或者不佩戴安全帽的概率，将所得到的人头调整尺寸到224*224输入到分类模型中，设定一定阈值，就可以判断目标是否在吸烟；
附图说明
图1是待识别的图像
图2是基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别结果
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对
本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
请参阅图1与图2，本发明的基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法包括数据的标定、训练数据增强、网络的构造、检测模型训练、预测。
包括以下步骤：
步骤1)获取过去所搜集到的安全帽佩戴以及吸烟行为数据，并做好人工标注，按照 9∶1的比例划分为检测模型的训练集和验证集；
步骤2)对上述训练集进行数据扩增，形成新的训练集；
步骤3)构造基于Resnet18的Centernet检测网络，主要包括特征提取网络、上采样层、目标中心定位层、目标尺寸判断层、目标类别判断层；
步骤4)将上述检测网络使用安全帽佩戴训练集进行模型训练，并选出在验证集表现最优的模型；
步骤5)将吸烟行为训练集图片送进上述检测网络识别图像中的人头，将检测到的人头图像保存，按抽烟与否划分吸烟行为训练集图片；
步骤6)构造基于Mobilenetv3的人头吸烟分类网络；
步骤7)将上述分类网络使用吸烟行为训练集进行模型训练，并选出在验证集表现最优的模型；
步骤8)将待测图像送入上述选出的模型进行预测，得到图像中人头目标对应的位置和行为概率。
上述步骤1)中所述的全帽佩戴以及吸烟行为数据来源于真实环境下工地安全帽佩戴以及公共场所行人吸烟图片，需要各种天气条件下各种光照场景的数据；
上述步骤1)中所述的人工标注是指：将每一张图片中的图片上佩戴或者不佩戴安全帽的人头目标都用矩形框框出，对应产生一个xml文件，xml文件中记录下图中每一目标的坐标，记录格式为[左上角x坐标，左上角y坐标，目标宽w，目标高度h]，同时删掉目标模糊或者难以标注的图片。
上述步骤2)中所述的数据扩增是指：将已经标注好的图片，做亮度、对比度、饱和度和色调的变换，或者做一定角度旋转，再经过人工筛选出合理的图片，构造成新的训练集。
上述步骤3)中所述特征提取网络是指：由18层卷积层构成的特征提取层，对应resnet18分类网络去掉最后的全连接和Pooling层，提取特征过程中图片会进行下采样，最后输出的下采样倍数为32；
上述步骤3)中所述上采样层是指：将上述特征提取层的输出经过三个转置卷积进行上采样，转置卷积核大小为4，上采样最后输出特征尺寸为原输入图像的四分之一，通道数为64；
上述步骤3)中所述目标中心定位层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标偏移所在单元格左上角的相对x与y坐标；
上述步骤3)中所述目标尺寸判断层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标的宽与高；
上述步骤3)中所述目标类别判断层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标的属于佩戴或者不佩戴安全帽的置信度。
上述步骤4)中所述的在验证集中选出表现最优的模型是指：在训练过程，每经过半个 epoch存储一次目标检测模型，并在验证集上测试，根据目标的误检率和漏检率两个指标选择出最优的模型。
上述步骤5)中所述的将检测到的人头图像保存是指，将所检测到的目标，置信度大于0.5 的判断为人头，并且根据输出目标的坐标和尺寸，将人头图像截取，保留到电脑上；
上述步骤5)中所述的按抽烟与否划分吸烟行为训练集图片是指，将截取到的人头图像数据进行人为判断图像中的人是否在吸烟，并且将吸烟与不吸烟的人头图像分别划分到两个文件夹下。
上述步骤6)中所述的构造基于Mobilenetv3的分类网络是指，搭建Mobilenetv3，将模型的输出类别从原模型的1000改成2，即只对目标人头吸烟或者不吸烟进行判断。
上述步骤7)中所述的在验证集中选出表现最优的模型是指：在训练过程，每经过半个 epoch存储一次吸烟分类模型，并在验证集上测试，根据目标的误检率和漏检率两个指标选择出最优的模型。
上述步骤8)中所述的预测过程是指：将每一张待预测图像，首先保持图片的尺寸为 512*512不变，输入到检测模型中，设定一定的概率阈值，然后会得到待预测图像中的人头的位置以及属于佩戴或者不佩戴安全帽的概率，将所得到的人头调整尺寸到224*224输入到分类模型中，设定一定阈值，就可以判断目标是否在吸烟。
以上对本发明所提供的方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (15)
1.一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)获取过去所搜集到的安全帽佩戴以及吸烟行为数据，并做好人工标注，按照9:1的比例划分为检测模型的训练集和验证集；
步骤2)对上述训练集进行数据扩增，形成新的训练集；
步骤3)构造基于Resnet18的Centernet检测网络，主要包括特征提取网络、上采样层、目标中心定位层、目标尺寸判断层、目标类别判断层；
步骤4)将上述检测网络使用安全帽佩戴训练集进行模型训练，并选出在验证集表现最优的模型；
步骤5)将吸烟行为训练集图片送进上述检测网络识别图像中的人头，将检测到的人头图像保存，按抽烟与否划分吸烟行为训练集图片；
步骤6)构造基于Mobilenetv3的人头吸烟分类网络；
步骤7)将上述分类网络使用吸烟行为训练集进行模型训练，并选出在验证集表现最优的模型；
步骤8)将待测图像送入上述选出的模型进行预测，得到图像中人头目标对应的位置和行为概率。
2.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤1)中所述的安全帽佩戴以及吸烟行为数据来源于真实环境下工地安全帽佩戴以及公共场所行人吸烟图片，需要各种天气条件下各种光照场景的数据。
3.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤1)中所述的人工标注是指：将每一张图片中的图片上佩戴或者不佩戴安全帽的人头目标都用矩形框框出，对应产生一个xml文件，xml文件中记录下图中每一目标的坐标，记录格式为[左上角x坐标，左上角y坐标，目标宽w，目标高度h]，同时删掉目标模糊或者难以标注的图片。
4.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤2)中所述的数据扩增是指：将已经标注好的图片，做亮度、对比度、饱和度和色调的变换，或者做一定角度旋转，再经过人工筛选出合理的图片，构造成新的训练集。
5.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤3)中所述特征提取网络是指：由18层卷积层构成的特征提取层，对应resnet18分类网络去掉最后的全连接和Pooling层，提取特征过程中图片会进行下采样，最后输出的下采样倍数为32。
6.根据权利要求5所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤3)中所述上采样层是指：将上述特征提取层的输出经过三个转置卷积进行上采样，转置卷积核大小为4，上采样最后输出特征尺寸为原输入图像的四分之一，通道数为64。
7.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤3)中所述目标中心定位层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标偏移所在单元格左上角的相对x与y坐标。
8.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤3)中所述目标尺寸判断层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标的宽与高。
9.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤3)中所述目标类别判断层是指：将上采样层输出通过一个卷积输出两张数值图，即目标的属于佩戴或者不佩戴安全帽的置信度。
10.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤4)中所述的在验证集中选出表现最优的模型是指：在训练过程，每经过半个epoch存储一次目标检测模型，并在验证集上测试，根据目标的误检率和漏检率两个指标选择出最优的模型。
11.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤5)中所述的将检测到的人头图像保存是指，将所检测到的目标，置信度大于0.5的判断为人头，并且根据输出目标的坐标和尺寸，将人头图像截取，保留到电脑上。
12.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤5)中所述的按抽烟与否划分吸烟行为训练集图片是指，将截取到的人头图像数据进行人为判断图像中的人是否在吸烟，并且将吸烟与不吸烟的人头图像分别划分到两个文件夹下。
13.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤6)中所述的构造基于Mobilenetv3的分类网络是指，搭建Mobilenetv3，将模型的输出类别从原模型的1000改成2，即只对目标人头吸烟或者不吸烟进行判断。
14.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤7)中所述的在验证集中选出表现最优的模型是指：在训练过程，每经过半个epoch存储一次吸烟分类模型，并在验证集上测试，根据目标的误检率和漏检率两个指标选择出最优的模型。
15.根据权利要求1所述的一种基于深度学习的安全帽佩戴以及吸烟行为识别方法，其特征是，在步骤8)中所述的预测过程是指：将每一张待预测图像，首先保持图片的尺寸为512*512不变，输入到检测模型中，设定一定的概率阈值，然后会得到待预测图像中的人头的位置以及属于佩戴或者不佩戴安全帽的概率，将所得到的人头调整尺寸到224*224输入到分类模型中，设定一定阈值，就可以判断目标是否在吸烟。
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