基于深度學(xué)習(xí)的安全帽佩戴檢測實(shí)現(xiàn)與分析

鄧開發(fā) 鄒振宇

摘要：安全帽能夠有效減輕事故損害，監(jiān)督工人的安全帽佩戴顯得十分必要。針對工人安全帽佩戴檢測，文章提出一種基于深度學(xué)習(xí)的安全帽佩戴檢測方法，用于施工現(xiàn)場攝像頭監(jiān)控的圖像和視頻目標(biāo)檢測。試驗結(jié)果表明，該方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)安全帽佩戴的圖像和視頻檢測。

關(guān)鍵詞：深度學(xué)習(xí);安全帽佩戴檢測;圖像檢測;視頻檢測

中圖分類號：TP391.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-8228（2020）07-12-05

0引言

建筑施工作業(yè)過程中存在著較多安全隱患，使得事故發(fā)生率居高不下。施工活動實(shí)踐表明，作業(yè)前對建筑工人的行為能力和安全裝備進(jìn)行檢查，能夠有效減輕事故損害或減少事故發(fā)生。因此，監(jiān)督工人的活動和安全設(shè)備正確佩戴顯得尤為重要的。然而，目前傳統(tǒng)活動監(jiān)測和安全裝備佩戴檢查很大程度上依賴于現(xiàn)場經(jīng)驗豐富的管理人員進(jìn)行的觀察和檢查，普遍存在自動化水平較低、工作量較大、檢查項目有限的現(xiàn)象，容易出現(xiàn)誤檢、漏檢等問題。

隨著科技的發(fā)達(dá)，計算機(jī)視覺、人工智能等技術(shù)飛速發(fā)展。人工智能這一術(shù)語在1956年首次被提出，到今天已經(jīng)獲得了60年的長足的發(fā)展，尤其是近十年人工智能在中國的發(fā)展也突飛猛進(jìn)。而計算機(jī)視覺是人工智能的一個熱門的發(fā)展方向。在我國，圖像識別技術(shù)正在逐漸同各行各業(yè)相互融合，包括金融、醫(yī)療、教育、家居等各行業(yè)領(lǐng)域當(dāng)中均能夠看見它的“身影”，已可實(shí)現(xiàn)三維人體姿態(tài)重建、跌倒監(jiān)測、駕駛員疲勞監(jiān)測、行為識別等功能。

基于上述原因，本文提出一種基于深度學(xué)習(xí)技術(shù)來檢測安全帽佩戴的方法。使用Keras深度學(xué)習(xí)框架搭建Faster RCNN模型，收集施工工人佩戴安全帽和未佩戴安全帽圖像，構(gòu)建對模型訓(xùn)練及測試的數(shù)據(jù)集，并對算法的測試速度、準(zhǔn)確性進(jìn)行評估。在取得良好測試結(jié)果的前提下，進(jìn)一步設(shè)計將圖像檢測結(jié)果用于視頻檢測安全帽佩戴。選取一段在施工現(xiàn)場上攝像頭拍攝的視頻，檢測在實(shí)際場景中應(yīng)用的效果。通過此技術(shù)可以來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人為監(jiān)督，有利于構(gòu)建智能化、自動化的施工安全裝備佩戴檢測，既節(jié)省了勞動力成本，又提高了施工現(xiàn)場的安全性，更是為“智慧工地”的發(fā)展建設(shè)奠定了基礎(chǔ)。

1目標(biāo)檢測關(guān)鍵技術(shù)

1.1卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)介紹

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（onvolutional neural network，CNN）（LeCun，1989），是深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的一種，專門用來處理具有時間序列數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。隨著卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在各大競賽中取得優(yōu)異的成績，成為研究機(jī)構(gòu)競相追捧的研究對象，模型得到不斷發(fā)展、改進(jìn)，然而如圖1所示，其網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件幾乎不變，卷積層和池化層仍是卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的核心所在。

卷積層實(shí)際上是卷積核對圖像進(jìn)行卷積運(yùn)算。卷積核是一個和學(xué)習(xí)特征高度相關(guān)的模板，在提取圖像特征時，從圖像或特征映射圖的第一個像素開始依次向右向下移動計算，將模板的中心與每一個像素點(diǎn)對其覆蓋，對覆蓋區(qū)域內(nèi)的每個像素值與模板的對應(yīng)權(quán)值加權(quán)求和。通常還需要把加權(quán)求和的結(jié)果送入一個非線性函數(shù)，將其函數(shù)值作為最終計算出下一層特征圖的元素值。

池化層又叫下采樣層、降采樣層。在降采樣層中，通常采取的計算方式是求平均值、求最大值或求最小值，因此池化層沒有需要學(xué)習(xí)的權(quán)值。與卷積層類似，池化層運(yùn)算也可以看作是模板運(yùn)算，從數(shù)據(jù)源的左上角第一個像素開始依次向右向下移動，對覆蓋區(qū)域內(nèi)與模板大小同樣的像素區(qū)域進(jìn)行池化運(yùn)算。池化層的降維操作不僅可以壓縮原圖像尺寸、提升計算效率，還可以保證圖像特征旋轉(zhuǎn)、平移不變性。

1.2Faster RCNN介紹

Faster RCNN是一種基于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的物體檢測框架，它是繼RCNN和Fast RCNN之后，為了減少檢測網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時間、提升檢測進(jìn)度的改進(jìn)版本。

1.2.1RCNN與Fast RCNN簡介

RCNN（Regions with CNN features）的首次提出在基于深度學(xué)習(xí)的物體檢測研究中具有里程碑式的歷史意義，其首先采用非深度學(xué)習(xí)方法提出候選區(qū)域（region proposal），從候選區(qū)域利用深度卷積網(wǎng)絡(luò)提取特征，再利用支持向量機(jī)等線性分類器，將區(qū)域分為物體和背景，而不再是對整張圖像進(jìn)行特征提取和分類。然而，RCNN的缺點(diǎn)也比較明顯，在計算機(jī)對所有候選區(qū)域進(jìn)行特征提取時，會有重復(fù)計算，繼而產(chǎn)生嚴(yán)重的速度瓶頸，使得花費(fèi)的時間非常多。

RCNN的進(jìn)階版Fast RCNN則在RCNN的基礎(chǔ)上采納了空間金字塔池化方法（Spatial Pyramid Poohng，SPP），對RCNN作了改進(jìn)。不像RCNN把每個候選區(qū)域給深度網(wǎng)絡(luò)提特征，而是整張圖提一次特征，再把候選區(qū)域映射到第五個卷積層上，只需要計算一次特征，使得性能進(jìn)一步提高。

1.2.2Faster RCNN簡介

經(jīng)過RCNN和Fast RCNN的積淀，F(xiàn)aster RCNN的誕生進(jìn)一步完善了這一流程，在Fast RCNN的基礎(chǔ)上，加入一個提取邊緣的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，名叫區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)（Region Proposal Network（RPN）。首先通過卷積層和池化層提取整個圖像的基礎(chǔ)信息，形成特征圖（feature map），再通過區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)（RPN），提取多個興趣區(qū)域的位置信息和對應(yīng)區(qū)域是否存在目標(biāo)的置信度值，在ROI pooing層將特征映射為相同尺寸的特征向量輸入全連接層，隨后利用窗口得分對每一類物體進(jìn)行非極大值抑制去除重疊區(qū)域建議框，最終得到每個分類回歸修正后得到分?jǐn)?shù)最高的窗口。簡而言之，F(xiàn)aster RCNN的特點(diǎn)在于找候選區(qū)域的工作也交給神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來做，代替了之前RCNN和Fast RCNN區(qū)域建議由費(fèi)時的選擇性搜索（selective search）來實(shí)現(xiàn)，從而使得區(qū)域建議階段不再那么耗時，檢測速度大幅度提高。

基于深度學(xué)習(xí)目標(biāo)檢測從RCNN、Fast RCNN、Faster RCNN一路走來，流程變得越來越精簡，速度越來越快，精度也越來越高。可以說基于候選區(qū)域的RCNN系列目標(biāo)檢測方法是當(dāng)前目標(biāo)檢測技術(shù)領(lǐng)域最主要的一個分支。

1.3視頻目標(biāo)檢測

視頻目標(biāo)檢測和圖像目標(biāo)檢測都屬于計算機(jī)視覺領(lǐng)域的研究范疇。然而視頻和圖像這兩類數(shù)據(jù)存在著明顯的類型差異，視頻中每幀圖片的內(nèi)容變化不大，利用卷積來提取特征是相當(dāng)耗時的計算。假使每幀視頻都利用卷積來提取特征再進(jìn)行目標(biāo)，檢測會導(dǎo)致極大的計算冗余，十分影響計算效率，令人難以忍受。

深度特征流算法（Deep Feature Flow）的出現(xiàn)為視頻目標(biāo)檢測研究領(lǐng)域提供了一種結(jié)合光流來實(shí)現(xiàn)特征圖的幀間傳播和復(fù)用的思路。該算法的核心思想是只在稀疏的關(guān)鍵幀（key frame）上運(yùn)行計算量龐大的卷積子網(wǎng)絡(luò)來提取特征圖，而在非關(guān)鍵幀（currentframe）上，通過光流傳播的方式將關(guān)鍵幀的特征圖傳播到非關(guān)鍵幀上。再利用現(xiàn)有的目標(biāo)檢測算法，在特征圖上進(jìn)行目標(biāo)檢測，得出檢測結(jié)果。由于光流傳播的方式傳播非關(guān)鍵幀的特征圖，能夠大大減少計算量，加快視頻目標(biāo)檢測的速度。

2試驗

本試驗環(huán)境配置在Windows 764位操作系統(tǒng)、210GHz CPU、GeForce GTX 1060GPU，6G顯存并安裝GPU并行數(shù)據(jù)計算開發(fā)環(huán)境CUDA和CuDnn、8G內(nèi)存平臺上，使用基于Keras學(xué)習(xí)框架進(jìn)行相關(guān)代碼和參數(shù)訓(xùn)練，通過Python語言編譯Faster RCNN網(wǎng)絡(luò)框架并且分別選擇vgg 16、resnet 50、inception resnet v2網(wǎng)絡(luò)提取目標(biāo)特征。

2.1數(shù)據(jù)集

本試驗訓(xùn)練測試的數(shù)據(jù)采用安全帽佩戴檢測比賽數(shù)據(jù)集GDUT-HWD，共3174張圖片，為了提供豐富充足的樣本來源，又通過截取多個建設(shè)項目施工現(xiàn)場視頻監(jiān)控圖像和拍攝的照片，共采集8814張。兩個數(shù)據(jù)集打亂混合相加共11988張圖像。再根據(jù)本試驗需求，使用圖像注釋工具Labeling對數(shù)據(jù)集中的圖片進(jìn)行人工標(biāo)注，注釋包括佩戴安全帽工人、未佩戴安全帽工人。將標(biāo)注結(jié)果保存為XML文件。作為安全帽佩戴的應(yīng)用型研究，在實(shí)際場景中的應(yīng)用效果非常重要的，因此截取了多個施工現(xiàn)場的攝像頭監(jiān)控視頻來進(jìn)行視頻安全帽佩戴檢測。

2.2評估指標(biāo)

為了評價本試驗對建筑工人安全帽佩戴識別檢測效果的可靠性，使用準(zhǔn)確率（accuracy）、召回率（recall）和錯誤率（error）三個指標(biāo)來衡量。

網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)預(yù)測情況可以分為以下三種：正確正例（True Poitives，TP）：被正確識別的正樣本;錯誤正例（False Poitives，F(xiàn)P）：被錯誤識別的負(fù)樣本;正確負(fù)例（False Negative，F(xiàn)N）：被錯誤識別的正樣本。具體表示見.表1。

2.3檢測效果及分析

將收集的11988張圖像按照9：l的比例分為訓(xùn)練集合測試集，其中10788張作為訓(xùn)練集，其余的1200張作為測試集。訓(xùn)練時，為避免梯度下降過快，先將模型迭代次數(shù)進(jìn)行測試，并繪制訓(xùn)練模型迭代損失值曲線，如圖2所示，在增加迭代次數(shù)后，明顯能夠降低模型的損失率，在迭代次數(shù)達(dá)到10000次趨于穩(wěn)定。

完成訓(xùn)練后，將1200張圖像放置于測試集文件夾中，調(diào)用訓(xùn)練好的模型進(jìn)行測試檢測。根據(jù)統(tǒng)計出的TP、FP及FN參數(shù)，按照式（1）～（3）進(jìn)行計算，評估工人安全帽佩戴檢測的效果。由表2可見，擁有更深網(wǎng)絡(luò)的resnet 50網(wǎng)絡(luò)和inception resnet v2網(wǎng)絡(luò)相比vgg 16網(wǎng)絡(luò)效果更佳。

如圖3顯示的部分測試結(jié)果圖像，F(xiàn)aster RCNN網(wǎng)絡(luò)用于檢測安全帽佩戴圖像檢測效果不錯。為檢驗在實(shí)際場景中的應(yīng)用效果，采用基于深度特征流（DeepFeature Flow）對施工現(xiàn)場的攝像頭監(jiān)控截取的視頻進(jìn)行安全帽佩戴檢測，其中特征網(wǎng)絡(luò)選擇之前圖像檢測中效果略佳的inception resnet v2網(wǎng)絡(luò)，任務(wù)網(wǎng)絡(luò)依舊選擇Faster RCNN網(wǎng)絡(luò)，流網(wǎng)絡(luò)選擇FlowNet Simple網(wǎng)絡(luò)。

從視頻的第一幀開始遍歷，直到所有的視頻幀都遍歷完，得到所有的關(guān)鍵幀。將這些關(guān)鍵幀送入特征網(wǎng)絡(luò)得到特征圖，再將特征圖送入目標(biāo)檢測任務(wù)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全帽佩戴檢測，最終輸出檢測結(jié)果。本試驗截取了幾個關(guān)鍵幀檢測效果在圖4中進(jìn)行展示。

3結(jié)束語

針對工人安全帽佩戴檢測，本文提供了一種基于Faster RCNN的安全帽佩戴檢測方法，對佩戴安全帽和未佩戴安全帽的圖像數(shù)據(jù)集進(jìn)行檢測和識別，再將檢測效果好的模型結(jié)合Deep Feature Flow算法用于施工現(xiàn)場攝像頭監(jiān)控的視頻目標(biāo)檢測。經(jīng)過本試驗和對深度學(xué)習(xí)的研究，該方法能夠較好地實(shí)現(xiàn)安全帽佩戴的圖像和視頻檢測效果。然而在本試驗中，圖像中存在目標(biāo)被遮擋和光線昏暗的現(xiàn)象，使檢測結(jié)果產(chǎn)生誤差，并且視頻中運(yùn)動模糊和光線變化多樣性也對檢測結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，解決上述問題是下一步研究的重點(diǎn)。