【opencv】计算机视觉：实时目标追踪-阿里云开发者社区

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！

解析

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！

深入探究

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()