一種基于YOLO算法的智能監(jiān)控系統(tǒng)

文/楊玉棋 邱虎鳴 王子龍 王躍進(jìn)

1 當(dāng)前校園監(jiān)控存在的問題

在當(dāng)今社會中，校園安全一直是每個學(xué)校最為重視的一點，學(xué)校的安全工作，是全社會安全工作的一個十分重要的組成部分。他直接關(guān)系到學(xué)生能否安全、健康地成長，關(guān)系到許多家庭的幸福安寧和社會的穩(wěn)定。要時刻保證學(xué)生安全，但學(xué)院里存在的安全隱患十分的多，比如車輛，流浪貓狗等。校園內(nèi)的監(jiān)控攝像頭的作用就是加強(qiáng)對校園的監(jiān)控，但是目前校園中廣泛采用的監(jiān)控系統(tǒng)只能實現(xiàn)監(jiān)控視頻的錄制，不能對安全隱患及時做出預(yù)警，一旦發(fā)生諸如學(xué)生進(jìn)入禁區(qū)、攀爬欄桿等情況，警衛(wèi)人員如未能及時發(fā)現(xiàn)等事后趕到現(xiàn)場就為時已晚。所以需要加強(qiáng)監(jiān)控對安全隱患的探查與預(yù)警，將隱患扼殺在搖籃中。

2 改進(jìn)的實時監(jiān)控系統(tǒng)

針對現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)不能及時發(fā)現(xiàn)潛在安全隱患的問題，本文提出一種改進(jìn)的智能監(jiān)控系統(tǒng)：

（1）制作人物及潛在安全隱患事物（貓、狗、自行車、汽車等）的數(shù)據(jù)集;

（2）訓(xùn)練YOLO神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，提取各類別物體的特征；

（3）在現(xiàn)有的監(jiān)控系統(tǒng)基礎(chǔ)上通過攝像頭采集監(jiān)控錄像傳入監(jiān)控系統(tǒng)；

（4）智能監(jiān)控系統(tǒng)劃分敏感區(qū)域，同時對采集到的監(jiān)控視頻中的物體進(jìn)行分類標(biāo)注；

（5）一旦有人物進(jìn)入該區(qū)域，即將之標(biāo)注為紅色，將該條記錄寫入數(shù)據(jù)庫，同時在監(jiān)控系統(tǒng)的界面中顯示該條日志；

（6）警衛(wèi)人員在接到預(yù)警信息及時趕往現(xiàn)場。

遷移學(xué)習(xí)也就是所謂的有監(jiān)督預(yù)訓(xùn)練，我們通常把這個稱為遷移學(xué)習(xí)。就是把一個任務(wù)提前訓(xùn)練好的參數(shù)，拿到另外一個任務(wù)中，作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)值,這樣以來相比于直接去采用隨機(jī)初始化的方法，它的精度可以大大的提高。圖片的分類和已經(jīng)注釋好的數(shù)據(jù)十分多，但是物體檢測的標(biāo)注數(shù)據(jù)卻十分少，盡量去使用較少的標(biāo)注數(shù)據(jù)，來訓(xùn)練高質(zhì)量的一種模型。

對象檢測需要確定對象的邊界框。我們不光要找到對象的邊界框。同時我們還需要認(rèn)識到邊界框內(nèi)的對象是我們要找的這個對象。YOLO的CNN網(wǎng)絡(luò)將輸入的圖像分成S×S的網(wǎng)格，然后其中每個單元負(fù)責(zé)檢測中心點落在網(wǎng)格內(nèi)的地點。每個單元格都存在預(yù)測邊界框和邊界框的置信度。所謂的置信度實際上包括兩個方面，一個是包括目標(biāo)邊界框的可能性，另一個是邊界框的精確性。前者表示為Pr（對象），當(dāng)邊界框作為背景時，不包括此對象。這時，Pr= 0。當(dāng)邊界框含有目標(biāo)的時候，Pr=1。邊界框的精確性可以通過預(yù)測框和實際框的IOU來表示出，表示為IOUpredtruth。因此，可以將置信度定義為Pr（對象）*IOUpredtruth。邊界框的大小以及位置可以用四個數(shù)值來表示：（x，y，w，h），其中（x，y）是邊界框的中心坐標(biāo)，w和h是邊界框的寬度和高度。同樣重要的是要注意，中心坐標(biāo)（x，y）的預(yù)測值是相對于每個單元的左上角的坐標(biāo)點的偏移值，并且該單位是相對于單元尺寸的。邊界框的w和h預(yù)測值是相對于整個圖像的寬度和高度的，因此理論上四個元素的大小應(yīng)該在[0,1]的范圍內(nèi)。因此，每個邊界框的預(yù)測值實際上包含5個元素：（x，y，w，h，c），其中前4個表示邊界框的大小和位置，最后一個值是置信度。

根據(jù)提取的對象的特征執(zhí)行識別，并且識別的結(jié)果顯示在由相機(jī)捕獲的圖片或視頻中由YOLO算法構(gòu)成的邊界框上，并且呈現(xiàn)項目名稱。在學(xué)校的一些存在安全問題，較容易發(fā)生危險事故的地點，如危險品倉庫，化學(xué)實驗室等地方。將這些區(qū)域設(shè)置劃為一個敏感區(qū)域，每一個敏感區(qū)域設(shè)置一個數(shù)據(jù)庫，根據(jù)邊界框的中心坐標(biāo)（x，y）是否在禁區(qū)坐標(biāo)范圍內(nèi)判定是否有標(biāo)記物體進(jìn)入禁區(qū)，將物體類別計入該禁區(qū)所對應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中,在敏感區(qū)域內(nèi)，矩形框標(biāo)注出的事物的名稱采用不同的顏色來表示，用來著重強(qiáng)調(diào)。

通過提前設(shè)定的數(shù)據(jù)集，系統(tǒng)將識別我們所規(guī)定的一些在校園內(nèi)具有危險性的物體，將其識別后并保存到數(shù)據(jù)庫。

當(dāng)系統(tǒng)識別出物體，并將它們存到數(shù)據(jù)庫中時，同時將當(dāng)前系統(tǒng)時間一起寫入數(shù)據(jù)庫中，由于畫面拍攝和系統(tǒng)的物體識別基本上是同步進(jìn)行的，所以可以將系統(tǒng)識別的時間看做成畫面拍攝時間，將這些信息保存到數(shù)據(jù)庫中，并作為日志實時輸出到系統(tǒng)的操作界面。且在系統(tǒng)剛開始檢測視頻的同時即保存標(biāo)注后的視頻，方便事后調(diào)出查詢。

3 總結(jié)

通過監(jiān)視、分類、檢測坐標(biāo)、數(shù)據(jù)庫讀寫、監(jiān)控保存等一系列流程，彌補當(dāng)前校園監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用的監(jiān)視、保存模式，實時對視頻做一次篩選，既可以減少警力巡邏的人力資源消耗，又可以在學(xué)生誤入敏感區(qū)域情況及時發(fā)出預(yù)警，極大彌補了校園安全在監(jiān)控方面的不足。