改进Yolov5目标检测与单目测距 yolo速度测量-pyqt界面-yolo添加注意力机制

news2024/10/6 8:36:02

当设计一个结合了 YOLOv5 目标检测、单目测距与速度测量以及 PyQt 界面的毕业设计时，需要考虑以下几个方面的具体细节：

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YOLOv5 目标检测：
- 首先，选择合适的 YOLOv5 模型（如 YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l 或 YOLOv5x）以满足项目需求，权衡模型大小和性能之间的平衡。
- 进行目标类别的标注和数据集的准备，确保训练数据的质量和多样性，以提高检测准确度。
- 考虑实时性要求，优化模型推理速度，可以使用 ONNX 进行模型转换和加速，或者利用 TensorRT 进行模型部署和优化。
单目测距与速度测量：
- 实现单目测距功能时，可以利用物体在图像中的大小和相机内参进行距离估计，也可结合深度学习技术进行深度估计。
- 速度测量可以通过目标在连续帧之间的位移来计算，也可以借助光流法等技术实现运动速度的测量。
- 考虑误差分析和校正方法，确保测距和测速的准确性和稳定性，例如引入卡尔曼滤波器进行数据融合处理。
PyQt 界面设计：
- 设计直观友好的用户界面，包括主界面、设置界面、结果展示界面等，使用户能够方便地进行操作和查看结果。
- 添加交互功能，如实时显示检测结果、测距信息和速度信息，支持用户交互式操作，提升用户体验和系统的易用性。
- 考虑美观性和响应速度，选择合适的布局、颜色和字体，优化界面加载速度，确保界面流畅和用户友好。
  
  在 PyQt 中，可以利用 OpenCV 库来实现图片、视频和摄像头的输入，具体方法如下：

图片输入：

加载图片文件：使用 OpenCV 的 imread 函数，将图片文件读入到内存中，返回一个 numpy 数组类型的图片对象。
```
#qq-1309399183
import cv2
img = cv2.imread("image.jpg")
```

在 PyQt 界面中显示图片：使用 PyQt 的 QLabel 组件，通过 setPixmap 方法将 OpenCV 读取的图片对象转换成 QPixmap 对象，并设置为标签的图像。

from PyQt5.QtGui import QPixmap
from PyQt5.QtWidgets import QLabel, QApplication
import sys

app = QApplication(sys.argv)
label = QLabel()
pixmap = QPixmap.fromImage(img.data, img.shape[1], img.shape[0], QImage.Format_RGB888)
label.setPixmap(pixmap)
label.show()
sys.exit(app.exec_())

视频输入：
- 打开本地视频文件：使用 OpenCV 的 VideoCapture 函数，打开本地视频文件，创建一个视频捕捉对象。
```
import cv2
cap = cv2.VideoCapture("video.avi")
```
- 打开网络视频流：同样使用 VideoCapture 函数，传入视频流的 URL 地址即可打开网络视频流。
```
import cv2
cap = cv2.VideoCapture("http://xxx.xxx.xxx.xxx:xxxx/xxx.m3u8")
```
- 在 PyQt 界面中显示视频：使用 OpenCV 的 imshow 函数循环读取视频帧并在界面中展示，需要注意的是需要使用 PyQt 的方法将 OpenCV 的图像类型转换为 QImage 类型。
```
from PyQt5.QtGui import QImage
import sys

while True:
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        break
    img = QImage(frame.data, frame.shape[1], frame.shape[0], QImage.Format_RGB888)
    label.setPixmap(QPixmap.fromImage(img))
    QApplication.processEvents()
```

摄像头输入：

打开摄像头：同样使用 OpenCV 的 VideoCapture 函数，传入摄像头的索引号即可打开摄像头。
```
import cv2
cap = cv2.VideoCapture(0)
```

在 PyQt 界面中显示摄像头视频：和视频输入类似，不同的是需要通过 QTimer 定时器来触发读取摄像头帧数并在界面中展示。

from PyQt5.QtCore import QTimer
import sys

def update():
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        return
    img = QImage(frame.data, frame.shape[1], frame.shape[0], QImage.Format_RGB888)
    label.setPixmap(QPixmap.fromImage(img))

timer = QTimer()
timer.timeout.connect(update)
timer.start(1000 // 30)
app.exec_()

YOLOv5 改进：
- 可以尝试引入注意力机制、跨尺度特征融合等技术来改进 YOLOv5 的检测性能，提高小目标检测和边界框精度。
- 结合数据增强、迁移学习等方法，优化模型的训练过程，提升模型的泛化能力和鲁棒性。
- 进行模型压缩和加速，如剪枝、量化等技术，以降低模型计算复杂度和内存占用，提高推理速度和效率。
  在 YOLOv5 模型中添加 SE（Squeeze-and-Excitation）注意力机制可以提高模型的表示能力和泛化性能，具体实现步骤如下：

SE 注意力模块：

定义 Squeeze 操作：对输入张量进行全局平均池化操作，将特征映射压缩为一个通道。

class Squeeze(nn.Module):
    def forward(self, x):
        return torch.squeeze(x.mean((2, 3)), dim=(-1, -2))

定义 Excitation 操作：通过两个全连接层将 Squeeze 操作输出的通道数降低并再次扩展，作为权重系数与原始特征相乘，实现特征的加权和。

class Excitation(nn.Module):
    def __init__(self, channels, reduction=16):
        super(Excitation, self).__init__()
        mid_channels = max(channels // reduction, 1)
        self.fc1 = nn.Linear(channels, mid_channels)
        self.fc2 = nn.Linear(mid_channels, channels)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
    
    def forward(self, x):
        out = self.fc1(x)
        out = self.relu(out)
        out = self.fc2(out)
        out = self.sigmoid(out)
        out = out.unsqueeze(-1).unsqueeze(-1)
        return x * out

将 Squeeze 和 Excitation 操作组合在一起，形成 SE 注意力模块：

class SE(nn.Module):
    def __init__(self, channels, reduction=16):
        super(SE, self).__init__()
        self.squeeze = Squeeze()
        self.excitation = Excitation(channels, reduction)
    
    def forward(self, x):
        out = self.squeeze(x)
        out = self.excitation(out)
        return out

基于 YOLOv5 的改进：

在 YOLOv5 模型中，SE 注意力模块可以应用在每个卷积层的输出上，以对特征图进行加权处理。

class Conv(nn.Module):
    def __init__(self, ch_in, ch_out, k=1, s=1, p=None, g=1, act=True, se=False):
        super(Conv, self).__init__()
        self.conv = nn.Conv2d(ch_in, ch_out, kernel_size=k, stride=s, padding=p, groups=g, bias=False)
        self.bn = nn.BatchNorm2d(ch_out)
        self.act = nn.SiLU() if act else nn.Identity()
        self.se = SE(ch_out) if se else nn.Identity()
    
    def forward(self, x):
        out = self.conv(x)
        out = self.bn(out)
        out = self.act(out)
        out = self.se(out)
        return out