自动泊车系统中的YOLOv8关键点车位线检测技术解析

引言

随着智能驾驶技术的快速发展，自动泊车功能成为了现代汽车的重要组成部分。它不仅能够提高驾驶的安全性，还能在一定程度上解决城市停车难的问题。在自动泊车系统中，准确识别停车位的位置是实现精准泊车的关键。近年来，深度学习技术在图像识别领域的应用为这一挑战提供了新的解决方案。YOLO（You Only Look Once）系列算法因其高效的实时检测能力而受到广泛关注。本文将探讨基于YOLOv8的关键点车位线检测方法，从数据标注、模型训练到最终的推理过程进行全面解析。

数据准备与标注

1. 数据收集：首先，需要收集大量包含不同场景下的停车位图片。这些图片应该覆盖多种环境条件，如白天、夜晚、晴天、雨天等，以确保模型具有良好的泛化能力。此外，还应包括不同类型的停车位，如平行式、垂直式和斜向式停车位。

import os
import json

# import cv2
# from imgviz.external.transformations import angle_between_vectors

# 指定包含JSON文件的目录
directory = 'data_js'
jpg="data_js/"
# 创建一个空列表来保存所有的点
all_points = []
# index={"occ":0,"empty":1}
index={"parkset":0}
# 遍历指定目录下的所有文件
for filename in os.listdir(directory):
    name=filename.split(".json")[0]+".jpg"
    txt_name=filename.split(".json")[0]+".txt"
    jpg_path=jpg+name
    if filename.endswith('.json'):
        filepath = os.path.join(directory, filename)
        # 读取JSON文件
        with open(filepath, 'r') as f:
            data = json.load(f)
            # 遍历每个shape对象
            all=[]
            cons=2
            for shape in data.get('shapes', []):
                points = shape.get('points', [])
                label = shape.get('label', None)
                print("label0:",label)
                first=index[label]
                print("label:",first)
                # 如果有points字段，则添加到all_points列表中
                box=[min(points[1][0],points[2][0]),min(points[1][1],points[2][1]),max(points[0][0],points[3][0]),max(points[0][1],points[3][1])]
                x=box[0]/1080
                y=box[1]/1080
                w=(box[2]-box[0])/1080
                h=(box[3]-box[1])/1080
                x1=points[0][0]/1080
                y1=points[0][1]/1080
                x2 = points[1][0]/1080
                y2 = points[1][1]/1080
                x3 = points[2][0]/1080
                y3 = points[2][1]/1080
                x4 = points[3][0]/1080
                y4 = points[3][1]/1080
                with open(txt_name,'a') as f:
                    f.write(f"{first} {x} {y} {w} {h} {x1} {y1} 2 {x2} {y2} 2 {x3} {y3} 2 {x4} {y4} 2\n")




                # for i in range(4):
                #     if box[i]>1079:
                #         print("false----------------------")
                # img=cv2.imread(jpg_path)
                # cv2.rectangle(img,(int(box[0]),int(box[1])),(int(box[2]),int(box[3])), (0, 255, 0), 2)
                # cv2.imshow("Image with Rectangle", img)
                # cv2.waitKey(0)
                # cv2.destroyAllWindows()
                print("box:",box,'\n')

        # 输出所有提取的点
        #print(all_points,'\n')

2. 数据标注：对于每一张图片，需要精确标注出车位线的关键点位置。这通常涉及到以下几个步骤：

   • 选择标注工具：可以使用Labelme、CVAT等专业的图像标注工具。
   • 定义关键点：确定车位线上的几个关键点，例如车位线的起点、终点以及中间的几个控制点。这些关键点用于描述车位线的形状和位置。
   • 标注过程：在标注工具中，手动点击每个关键点的位置，并记录其坐标信息。对于复杂的车位线，可能需要增加更多的关键点以更准确地描述其形状。
   • 质量检查：完成标注后，进行质量检查，确保每个关键点的位置准确无误。可以邀请多名标注人员进行交叉验证，提高标注的准确性。

3. 数据增强：为了进一步提升模型的鲁棒性和泛化能力，可以通过数据增强技术生成更多样化的训练样本。常见的数据增强方法包括旋转、缩放、裁剪、颜色变换等。这些操作可以在保持原始信息不变的前提下，模拟不同的拍摄角度和光照条件，从而丰富训练集。
   

模型训练

1. 模型选择与配置：YOLOv8是YOLO系列的最新版本，相比前代模型，在速度和精度上都有显著提升。选择YOLOv8作为基础模型，可以根据具体需求调整网络结构和超参数。例如，可以调整输入图像的分辨率、锚框的尺寸和数量等。

2. 损失函数设计：在关键点检测任务中，除了传统的边界框回归损失外，还需要引入关键点定位损失。常用的损失函数包括均方误差（MSE）和Huber损失。通过优化这些损失函数，使模型能够同时学习到车位线的边界框和关键点位置。

3. 训练过程：使用标注好的数据集对模型进行训练。训练过程中需要注意以下几点：

   • 批量大小：根据GPU内存大小选择合适的批量大小。较大的批量大小可以加速训练，但也可能导致内存不足。
   • 学习率调整：合理设置学习率及其衰减策略，避免模型过拟合或欠拟合。可以采用学习率预热、余弦退火等方法。
   • 正则化：为了防止过拟合，可以添加L1或L2正则化项，或者使用Dropout等技术。
   • 评估指标：在训练过程中，定期在验证集上评估模型性能。常用的评估指标包括平均精度（mAP）、关键点定位误差等。
     

4. 模型优化：通过多次迭代训练，不断调整模型结构和超参数，直至达到满意的性能。可以尝试使用混合精度训练、知识蒸馏等技术进一步提升模型效果。

推理过程

1. 模型部署：将训练好的模型导出为适用于目标平台的格式，如ONNX、TensorRT等。确保模型在实际应用场景中能够高效运行。

2. 图像预处理：在进行推理之前，需要对输入图像进行预处理，包括调整图像大小、归一化等操作，使其符合模型输入的要求。

3. 推理执行：将预处理后的图像输入模型，得到预测结果。输出包括车位线的边界框和关键点位置。

4. 后处理：对模型输出进行后处理，例如去除低置信度的预测结果、平滑关键点位置等。通过后处理，可以进一步提高检测的准确性和稳定性。

5. 决策逻辑：根据检测到的车位线信息，结合车辆当前位置和姿态，计算出最佳的泊车路径。这一过程通常涉及路径规划和控制算法，确保车辆能够安全、平稳地停入目标车位。
   

结论

基于YOLOv8的关键点车位线检测技术为自动泊车系统提供了一种高效、准确的解决方案。通过精心准备的数据集、合理的模型配置和优化的训练策略，可以实现对复杂场景下停车位的高精度识别。未来，随着深度学习技术的不断进步，这一领域的研究将更加深入，为智能驾驶的发展带来更多可能性。

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