计算机视觉项目-实时目标追踪

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本次博客内容将继续讲解关于OpenCV的相关知识
作者简介：⭐️⭐️⭐️目前计算机研究生在读。主要研究方向是人工智能和群智能算法方向。目前熟悉深度学习（keras、pytorch、yolo系列），python网页爬虫、机器学习、计算机视觉（OpenCV）、群智能算法。然后正在学习深度学习的相关内容。以后可能会涉及到网络安全相关领域，毕竟这是每一个学习计算机的梦想嘛！
目前更新：目前已经更新了关于网络爬虫的相关知识、机器学习的相关知识、目前正在更新计算机视觉-OpenCV的相关内容。
本文摘要

本文我们将继续讲解计算机视觉项目-目标实时追踪的相关操作。

项目前言

目标追踪技术对于民生、社会的发展以及国家军事能力的壮大都具有重要的意义。它不仅仅可以应用到体育赛事当中目标的捕捉，还可以应用到交通上，比如实时监测车辆是否超速等！对于国家的军事也具有一定的意义，比如说导弹识别目标等方向。所以说实时目标追踪技术对于整个社会来说都是非常重要的！目前被应用的比较多的，而且效果较好的是YOLO系列，目前已经更新到了YOLO7。原作者更新到了YOLO3之后就不再更新YOLO这个系列了，因为被一些不法人员应用到了军事上，给民众要造成了一定的伤害！但是依旧没有阻挡住YOLO的发展。但是我们提出来的这个是基于计算机视觉的，那么为什么有了YOLO这么好的东西我们还要基于计算机视觉来做呢？因为YOLO训练的模型占用的内存一般不小，这就会影响了一些东西的使用，比如说摄像头！就没有办法有这么大的内存来存储，所以还需要一些不需要那么大内存的东西来去实时跟踪目标！

项目详解

首先我们来根据代码来讲解一下如何追踪实时物体！
首先我们导入库和配置参数，对于参数的配置。我们需要在参数框架上输入--video videos/nascar.mp4 --tracker kcf。表示的意思就是我们导入的视频是nascar.mp4，然后用kcf这个框架来干活。

import argparse
import time
import cv2
import numpy as np

# 配置参数
ap = argparse.ArgumentParser()
ap.add_argument("-v", "--video", type=str,
	help="path to input video file")
ap.add_argument("-t", "--tracker", type=str, default="kcf",
	help="OpenCV object tracker type")
args = vars(ap.parse_args())

然后我们写一些OpenCV已经有的算法。

OPENCV_OBJECT_TRACKERS = {
	"csrt": cv2.legacy.TrackerCSRT_create,
	"kcf": cv2.legacy.TrackerKCF_create,
	"boosting": cv2.legacy.TrackerBoosting_create,
	"mil": cv2.legacy.TrackerMIL_create,
	"tld": cv2.legacy.TrackerTLD_create,
	"medianflow": cv2.legacy.TrackerMedianFlow_create,
	"mosse": cv2.legacy.TrackerMOSSE_create
}

这里注意一定要按照这个来写。其他的由于版本问题，可能会有问题。对于新老版本是不一样的。
然后我们建立多个追踪器。并且开始读入视频数据。这里的trackers就是我们需要建立的多目标追踪器。

trackers = cv2.legacy.MultiTracker_create()
vs = cv2.VideoCapture(args["video"])

这里我们取出来视频中的每一帧，然后视频结束了就直接结束。对于每一帧我们都要做一个操作就是同比例处理图像。

while True:
	# 取当前帧
	frame = vs.read()
	# (true, data)
	frame = frame[1]
	if frame is None:
		break
	# resize每一帧
	(h, w) = frame.shape[:2]
	width=600
	r = width / float(w)
	dim = (width, int(h * r))
	frame = cv2.resize(frame, dim, interpolation=cv2.INTER_AREA)

对于追踪结果来说，我们需要每一帧每一帧的进行更新框框。因为物体在运动，所以我们也要更新框框。

(success, boxes) = trackers.update(frame)

	for box in boxes:
		(x, y, w, h) = [int(v) for v in box]
		cv2.rectangle(frame, (x, y), (x + w, y + h), (0, 255, 0), 2)

对于每一个框框我们在更新的时候我们都要绘制出来！

	cv2.imshow("Frame", frame)
	key = cv2.waitKey(100) & 0xFF

然后将框框展示出来。cv2.waitKey(100)这个部分100可以改成其他的这里可以调节视频的快慢。

	if key == ord("s"):
		# 选择一个区域，按s
		box = cv2.selectROI("Frame", frame, fromCenter=False,
			showCrosshair=True)

如果我们按下S键，然后我们就可以手动的框出来ROI区域了。

		tracker = OPENCV_OBJECT_TRACKERS[args["tracker"]]()#创建一个追踪器 添加追踪器
		trackers.add(tracker, frame, box)

这里创建出来追踪器，然后添加上。

	elif key == 27:
		break
vs.release()
cv2.destroyAllWindows()

最后退出。

可以手动的任意追踪目标！！！完美！！！


追踪效果总体来说还是不错的！

项目深究

然后又继续做了一个多目标自动识别目标追踪。这里我们以运动员短跑为案例继续来讲解。

这里面我们导入库和第三方参数。

from utils import FPS
import numpy as np
import argparse
import dlib
import cv2

ap = argparse.ArgumentParser()
ap.add_argument("-p", "--prototxt", required=True,
	help="path to Caffe 'deploy' prototxt file")
ap.add_argument("-m", "--model", required=True,
	help="path to Caffe pre-trained model")
ap.add_argument("-v", "--video", required=True,
	help="path to input video file")
ap.add_argument("-o", "--output", type=str,
	help="path to optional output video file")
ap.add_argument("-c", "--confidence", type=float, default=0.2,
	help="minimum probability to filter weak detections")
args = vars(ap.parse_args())

其中参数导入的话是这样：

--prototxt mobilenet_ssd/MobileNetSSD_deploy.prototxt --model mobilenet_ssd/MobileNetSSD_deploy.caffemodel --video race.mp4 
--model mobilenet_ssd/MobileNetSSD_deploy.caffemodel 
--video race.mp4

把这段代码直接复制粘贴到参数配置当中就好。
然后我们建立一些分类标签，看看计算机到时候框出来的很多很多框框都属于什么东西，然后我们进行过滤操作。

CLASSES = ["background", "aeroplane", "bicycle", "bird", "boat",
	"bottle", "bus", "car", "cat", "chair", "cow", "diningtable",
	"dog", "horse", "motorbike", "person", "pottedplant", "sheep",
	"sofa", "train", "tvmonitor"]

读取网络模型。

print("[INFO] loading model...")
net = cv2.dnn.readNetFromCaffe(args["prototxt"], args["model"])

其中cv2.dnn.readNetFromCaffe(prototxt, model) 用于进行SSD网络的caffe框架的加载
参数说明:prototxt表示caffe网络的结构文本，model表示已经训练好的参数结果把视频读入进来。

print("[INFO] starting video stream...")
vs = cv2.VideoCapture(args["video"])
writer = None

trackers = []
labels = []
fps = FPS().start()

这里我们设置两个列表，等会来添加追踪器和标签信息。并且计算一下视频的fps数值。fps也就是一秒钟计算机可以处理多少帧图像。

while True:
	# 读取一帧
	(grabbed, frame) = vs.read()

	# 是否是最后了
	if frame is None:
		break

	# 预处理操作
	(h, w) = frame.shape[:2]
	width=600
	r = width / float(w)
	dim = (width, int(h * r))
	frame = cv2.resize(frame, dim, interpolation=cv2.INTER_AREA)
	rgb = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2RGB)

在这里面和上面一样同样也要同比例放大或者缩小每一帧图像。然后有一个重要操作，就是一定要将BGR图像通道改成RGB通道顺序。

	if args["output"] is not None and writer is None:
		fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*"MJPG")
		writer = cv2.VideoWriter(args["output"], fourcc, 30,
			(frame.shape[1], frame.shape[0]), True)

这里是保存数据，如果output这个文件夹是空的并且writer也是空的，那么我们将实时视频保存下来。这个就涉及到了视频保存的代码，有需要的可以自行提取。

	if len(trackers) == 0:
		# 获取blob数据
		(h, w) = frame.shape[:2]
		blob = cv2.dnn.blobFromImage(frame, 0.007843, (w, h), 127.5)

cv2.dnn.blobFromImage主要是对图像进行一个预处理，其中0.007843表示各通道数值的缩放比例。127.5表示各个通道减去的均值。

		net.setInput(blob)
		detections = net.forward()

这里面把预处理的图像输入到了模型的输入当中，然后进行了一次前向传播。这里面我们就得到了很多的检测框框了。

		for i in np.arange(0, detections.shape[2]):
			# 能检测到多个结果，只保留概率高的
			confidence = detections[0, 0, i, 2]
			# 过滤
			if confidence > args["confidence"]:
				# extract the index of the class label from the
				# detections list
				idx = int(detections[0, 0, i, 1])
				label = CLASSES[idx]

				# 只保留人的
				if CLASSES[idx] != "person":
					continue

这里面在前向传播当中，我们得到一些概率值较大的，这里怎么定义较大呢，用args["confidence"]这个数值来定义，如果大于我们设定的概率数值，我们就把他的索引拿出来，然后取出来对应的标签，如果不是人的话我们就过滤除去，最后留下这一帧图像当中所有检测到的人。

			box = detections[0, 0, i, 3:7] * np.array([w, h, w, h])
			(startX, startY, endX, endY) = box.astype("int")

这里面就是我们要得到这个框框，然后拿到这个框框的左上角和右下角坐标。

    t = dlib.correlation_tracker()
	rect = dlib.rectangle(int(startX), int(startY), int(endX), int(endY))
	t.start_track(rgb, rect)

然后我们创建一个追踪器，然后得到检测到的框框，然后开始追踪，追踪的时候按照rgb，并且在第一帧图像的时候开始追踪。

labels.append(label)
trackers.append(t)

然后添加人的标签，并且添加多个追踪器，因为不仅仅一个目标。

cv2.rectangle(frame, (startX, startY), (endX, endY),
					(0, 255, 0), 2)
cv2.putText(frame, label, (startX, startY - 15),
					cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.45, (0, 255, 0), 2)

然后我们把框画出来，并且把标签贴上去。都是人的标签。

else:
    	for (t, l) in zip(trackers, labels):
			t.update(rgb)#更新追踪器
			pos = t.get_position()#获得位置
			# 得到位置
			startX = int(pos.left())
			startY = int(pos.top())
			endX = int(pos.right())
			endY = int(pos.bottom())

如果检测到框框了，那么就我们遍历一下追踪器和标签，然后更新追踪器，并且获得追踪器的位置。并且得到位置。

	if writer is not None:
		writer.write(frame)

	# 显示
	cv2.imshow("Frame", frame)
	key = cv2.waitKey(1) & 0xFF

	# 退出
	if key == 27:
		break

	# 计算FPS
	fps.update()


fps.stop()
print("[INFO] elapsed time: {:.2f}".format(fps.elapsed()))
print("[INFO] approx. FPS: {:.2f}".format(fps.fps()))

if writer is not None:
	writer.release()

cv2.destroyAllWindows()
vs.release()

后面这些就是一些退出的一些简单的操作了。



FPS就是表示一秒钟可以处理17帧图片。运行时间是大概有20秒。然后我们想法就是继续进行一下改进，让处理的快一些。那么我们想到的就是使用多线程进行操作。多线程是指从软件或者硬件上实现多个线程并发执行的技术。

然后我们使用多线程进行改进程序：这里主函数就是要加上多线程。

if __name__ == '__main__':
	
	while True:
		(grabbed, frame) = vs.read()
	
		if frame is None:
			break
	
		(h, w) = frame.shape[:2]
		width=600
		r = width / float(w)
		dim = (width, int(h * r))
		frame = cv2.resize(frame, dim, interpolation=cv2.INTER_AREA)
		rgb = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2RGB)#深度学习必要要处理的部分
	
		if args["output"] is not None and writer is None:
			fourcc = cv2.VideoWriter_fourcc(*"MJPG")
			writer = cv2.VideoWriter(args["output"], fourcc, 30,
				(frame.shape[1], frame.shape[0]), True)
	
		#首先检测位置
		if len(inputQueues) == 0:
			(h, w) = frame.shape[:2]
			blob = cv2.dnn.blobFromImage(frame, 0.007843, (w, h), 127.5)#图像的预处理操作 详情看笔记
			net.setInput(blob)
			detections = net.forward()#输出追踪 因为是多个 所以我们下方要进行过滤
			for i in np.arange(0, detections.shape[2]): #检测了多少个模型
				confidence = detections[0, 0, i, 2]#置信度 这里我们可以理解为每一个模型对应CLASS的概率 然后选出来一个最高的
				if confidence > args["confidence"]:
					idx = int(detections[0, 0, i, 1])#表示CLASS的类别序号
					label = CLASSES[idx]#选出来
					if CLASSES[idx] != "person":#过滤掉除了人以外所有的追踪目标
						continue
					box = detections[0, 0, i, 3:7] * np.array([w, h, w, h])#这里标记处框架 这里表示按照长宽背书来定义
					(startX, startY, endX, endY) = box.astype("int")
					bb = (startX, startY, endX, endY)
	
					# 创建输入q和输出q
					iq = multiprocessing.Queue()#定义多进程
					oq = multiprocessing.Queue()
					inputQueues.append(iq)
					outputQueues.append(oq)
					
					# 多核
					p = multiprocessing.Process(#八所有追踪器放进进程当中，本电脑为8核 12核会更快
						target=start_tracker,
						args=(bb, label, rgb, iq, oq))
					p.daemon = True
					p.start()
					
					cv2.rectangle(frame, (startX, startY), (endX, endY),
						(0, 255, 0), 2)
					cv2.putText(frame, label, (startX, startY - 15),
						cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.45, (0, 255, 0), 2)
	
		else:
			# 多个追踪器处理的都是相同输入
			for iq in inputQueues:
				iq.put(rgb)
	
			for oq in outputQueues:
				# 得到更新结果
				(label, (startX, startY, endX, endY)) = oq.get()
	
				# 绘图
				cv2.rectangle(frame, (startX, startY), (endX, endY),
					(0, 255, 0), 2)
				cv2.putText(frame, label, (startX, startY - 15),
					cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.45, (0, 255, 0), 2)
	
		if writer is not None:
			writer.write(frame)
	
		cv2.imshow("Frame", frame)
		key = cv2.waitKey(1) & 0xFF
	
		if key == 27:
			break

		fps.update()
	fps.stop()
	print("[INFO] elapsed time: {:.2f}".format(fps.elapsed()))
	print("[INFO] approx. FPS: {:.2f}".format(fps.fps()))
	
	if writer is not None:
		writer.release()

	cv2.destroyAllWindows()
	vs.release()

这里就是5个线程一起跑。一秒钟可以处理24帧图像，运行时间14秒。大大的改进整体的进程。

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