2024年华为杯数学建模E题-高速公路应急车道启用建模-基于YOLO8的数据处理代码参考（无偿分享）

news2024/9/23 8:02:22

利用YOLO模型进行高速公路交通流量分析

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随着交通管理的日益重要，自动化监测系统的需求也随之增加。利用计算机视觉技术，我们可以高效地分析视频中的车辆流量，提升交通管理的科学性和有效性。本文将详细介绍如何使用YOLO（You Only Look Once）模型分析高速公路的交通流，结合视频数据提取车辆信息、速度计算和流量分析。整个过程将结合代码，逐步解析每个步骤的细节及其背后的原理。

1. 问题背景

在交通流量分析中，实时监测和处理车辆数据是一个具有挑战性的任务。我们希望能够快速且准确地识别视频中的车辆，并计算它们的速度、流量和密度。为此，我们将使用YOLO模型来进行目标检测，结合一些图像处理技术，分析交通状况。

2. 准备工作

在开始之前，我们需要确保安装必要的库，包括OpenCV、Pandas、NumPy、YOLO等。以下是我们将用到的库：

import cv2
import pandas as pd
import numpy as np
from ultralytics import YOLO
from datetime import datetime
from scipy.spatial import distance

3. 计算视频时长

首先，我们需要计算视频的时长，以便在后续处理中使用。以下是计算视频时长的函数：

def calculate_duration(start_time, end_time):
    fmt = '%H:%M:%S'
    start = datetime.strptime(start_time, fmt)
    end = datetime.strptime(end_time, fmt)
    duration = end - start
    return duration

在这个函数中，我们使用datetime模块将输入的开始时间和结束时间转换为datetime对象，并计算它们之间的差值，这就是视频的总时长。

4. 获取视频信息

我们需要从视频中提取一些关键信息，例如总帧数、帧率和每帧的时间间隔。可以使用以下函数来实现：

def get_video_info(video_path, duration):
    cap = cv2.VideoCapture(video_path)

    if not cap.isOpened():
        raise ValueError("无法打开视频文件")

    total_frames = int(cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT))
    fps = cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS)
    frame_time = 1 / fps if fps > 0 else 0
    interval_time = duration.total_seconds() / total_frames if total_frames > 0 else 0

    cap.release()
    return total_frames, fps, frame_time, interval_time

这个函数会返回视频的总帧数、帧率、每帧时间以及每帧之间的时间间隔，供后续处理使用。

初始化路径和视频时长

接下来，我们需要初始化视频路径和时长：

video_path = './高速公路交通流数据/32.31.250.103/20240501_20240501125647_20240501140806_125649.mp4'
duration = calculate_duration('12:56:47', '14:08:05')
total_frames, fps, frame_time, interval_time = get_video_info(video_path, duration)

5. 加载YOLO模型

我们将加载预训练的YOLOv8模型以进行目标检测：

model = YOLO('yolov8n.pt')

这一步确保我们有一个强大的目标检测模型，可以处理视频中的车辆检测。

6. 处理视频帧

我们将处理视频的前10%帧，以减少计算量并专注于关键时刻。以下是相关代码：

num_frames_to_process = total_frames // 1
frame_count = 0

# 存储车辆信息
vehicle_data = {}
unique_vehicle_counter = 0
data = []

6.1 定义参数

我们还需要定义一些判断参数，以帮助后续判断车辆是否为同一辆车：

IOU_THRESHOLD = 0.3
MAX_MOVEMENT_DISTANCE = 50
MAX_SIZE_DIFFERENCE = 0.2
COLOR_THRESHOLD = 30
  • IOU_THRESHOLD：用于判断车辆边界框重叠的阈值。
  • MAX_MOVEMENT_DISTANCE：判断车辆在相邻帧之间的最大移动距离。
  • MAX_SIZE_DIFFERENCE：判断车辆大小差异的最大阈值。
  • COLOR_THRESHOLD：用于判断颜色差异的阈值。

7. 定义辅助函数

7.1 计算IoU（交并比）

def calculate_iou(box1, box2):
    x1, y1, x2, y2 = box1
    x1b, y1b, x2b, y2b = box2
    inter_x1 = max(x1, x1b)
    inter_y1 = max(y1, y1b)
    inter_x2 = min(x2, x2b)
    inter_y2 = min(y2, y2b)
    inter_area = max(0, inter_x2 - inter_x1) * max(0, inter_y2 - inter_y1)
    box1_area = (x2 - x1) * (y2 - y1)
    box2_area = (x2b - x1b) * (y2b - y1b)
    union_area = box1_area + box2_area - inter_area
    return inter_area / union_area if union_area > 0 else 0

此函数计算两个边界框的交并比（IoU），用于判断两个检测框的重叠程度。

7.2 计算中心距离

def calculate_center_distance(box1, box2):
    center1 = ((box1[0] + box1[2]) / 2, (box1[1] + box1[3]) / 2)
    center2 = ((box2[0] + box2[2]) / 2, (box2[1] + box2[3]) / 2)
    return distance.euclidean(center1, center2)

计算两个边界框中心点之间的距离，以判断车辆是否为同一辆车。

7.3 提取车辆颜色

def extract_vehicle_color(frame, box):
    x1, y1, x2, y2 = map(int, box)
    vehicle_roi = frame[y1:y2, x1:x2]
    hsv_roi = cv2.cvtColor(vehicle_roi, cv2.COLOR_BGR2HSV)
    return cv2.mean(hsv_roi)[:3]

提取车辆在当前帧中的颜色，便于后续判断车辆是否相同。

7.4 计算颜色差异

def calculate_color_difference(color1, color2):
    return np.linalg.norm(np.array(color1) - np.array(color2))

计算两个颜色之间的差异，为车辆匹配提供依据。

7.5 判断是否为同一辆车

def is_same_vehicle(vehicle_info, new_box, new_color):
    prev_box = vehicle_info["box"]
    prev_color = vehicle_info["color"]
    
    iou = calculate_iou(prev_box, new_box)
    center_distance = calculate_center_distance(prev_box, new_box)
    prev_size = (prev_box[2] - prev_box[0]) * (prev_box[3] - prev_box[1])
    new_size = (new_box[2] - new_box[0]) * (new_box[3] - new_box[1])
    size_difference = abs(new_size - prev_size) / prev_size if prev_size > 0 else 1
    color_difference = calculate_color_difference(prev_color, new_color)
    
    return (
        iou > IOU_THRESHOLD
        and center_distance < MAX_MOVEMENT_DISTANCE
        and size_difference < MAX_SIZE_DIFFERENCE
        and color_difference < COLOR_THRESHOLD
    )

这个函数综合考虑了IoU、中心距离、大小差异和颜色差异，来判断检测到的车辆是否与之前记录的车辆相同。

7.6 车型类别映射

class_map = {
    2: 'car',
    7: 'truck',
    5: 'bus',
    3: 'motorcycle',
    1: 'bicycle',
}

我们定义了一个字典，用于将YOLO模型输出的类别编号映射到相应的车辆类型。

8. 处理视频帧

我们开始逐帧处理视频，检测车辆并记录相关信息：

cap = cv2.VideoCapture(video_path)

start_time_seconds = 12 * 3600 + 56 * 60 + 47  # 起始时间转换为秒
frame_count = 0
LANE_WIDTH = 3  # 车道宽度（米）
LANE_LENGTH = 30  # 识别范围的长度（米）

# 用于存储流量计算的车辆ID
unique_vehicles_in_interval = set()

while cap.isOpened() and frame_count < num_frames_to_process:
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        break

    results = model(frame)
    current_frame_vehicle_ids = []
    vehicle_speeds = []
    truck_count = 0
    other_count = 0

    # 处理检测结果
    for result in results:
        for box in result.boxes:
            coords = box.xyxy[0]
            x1, y1, x2, y2 = coords[0], coords[1], coords[2], coords[3]
            cv2.rectangle(frame, (int(x1), int(y1)), (int(x2), int(y2)), (0, 255, 0), 2)

            vehicle_class = int(box.cls.item())
            vehicle_type = class_map.get(vehicle_class, 'unknown')

            if vehicle_type == 'truck':
                truck_count += 1
            else:
                other_count += 1

            vehicle_color = extract_vehicle_color(frame, (x1, y1, x2, y2))
            matched_vehicle_id = None

            for vehicle_id, vehicle_info in vehicle_data.items():
                if is_same_vehicle(vehicle_info, (x1, y1, x2, y2), vehicle_color):
                    matched_vehicle_id = vehicle_id
                    break

            if matched_vehicle_id is None:
                unique_vehicle_counter += 1
                matched_vehicle_id = unique_vehicle_counter
                vehicle_data[matched_vehicle_id] = {
                    "box": (x1, y1, x2, y2),
                    "color": vehicle_color,
                    "first_frame": frame_count,
                    "last_frame": frame_count
                }
            else:
                vehicle_data[matched_vehicle_id]["last_frame"] = frame_count
                vehicle_data[matched_vehicle_id]["box"] = (x1, y1, x2, y2)
                vehicle_data[matched_vehicle_id]["color"] = vehicle_color

            current_frame_vehicle_ids.append(matched_vehicle_id)

在这段代码中，我们使用YOLO模型检测当前帧中的车辆，并提取每辆车的边界框、类型和颜色。通过判断条件，我们可以将车辆与已知车辆进行匹配，确保我们能够跟踪同一辆车。

9. 计算车辆速度

根据检测到的车辆信息，我们可以计算车辆的速度。以下是速度计算的代码：

# 计算车辆速度
for vehicle_id in current_frame_vehicle_ids:
    vehicle_info = vehicle_data[vehicle_id]
    first_frame = vehicle_info["first_frame"]
    last_frame = vehicle_info["last_frame"]
    frame_diff = last_frame - first_frame + 1
    if frame_diff > 0:
        vehicle_speed = 30 / (frame_diff * 0.4)  # 计算速度的公式
        vehicle_speeds.append(vehicle_speed)

根据车辆在视频中的帧差和已知车道长度，计算每辆车的速度。

10. 过滤速度异常值

为了确保计算结果的可靠性，我们对速度进行过滤，去除异常值：

filtered_speeds = []
if vehicle_speeds:
    lower_bound = 0
    upper_bound = 40
    filtered_speeds = [speed for speed in vehicle_speeds if lower_bound <= speed <= upper_bound]

在这里，我们设定了速度的上下限，仅保留在该范围内的速度数据。

11. 计算流量和密度

在每20帧中，我们将计算流量和车辆密度：

unique_vehicles_in_interval.update(current_frame_vehicle_ids)
if (frame_count + 1) % 20 == 0:
    flow = len(unique_vehicles_in_interval)  # 每20帧的唯一车辆数
    unique_vehicles_in_interval.clear()  # 清空当前周期的车辆ID
else:
    flow = None

通过维护一个唯一车辆ID的集合，我们能够计算特定时间间隔内的流量。

12. 输出信息

最后，我们将输出当前帧的分析结果，并将所有数据存储在一个列表中，便于后续分析：

current_time_seconds = start_time_seconds + frame_count * interval_time
current_time = datetime.utcfromtimestamp(current_time_seconds).strftime('%H:%M:%S')

# 输出信息
total_vehicles = truck_count + other_count
print(f"当前帧: {frame_count}, 时间: {current_time}, 卡车数: {truck_count}, 其他车辆数: {other_count}, 总车辆数: {total_vehicles}")
print(f"车辆编号集合: {current_frame_vehicle_ids}")
print(f"原始车辆速度: {vehicle_speeds}")
print(f"过滤后的车辆速度: {filtered_speeds}")
print(f"每帧平均速度: {average_speed:.2f}")
print(f"流量: {flow}辆 " if flow is not None and density is not None else "")
print(f"密度: {density:.2f}辆/米")
# 存储帧相关数据
data.append({
    'timestamp': current_time,                   
    'frame': frame_count,
    'total_vehicles': total_vehicles,
    'trucks': truck_count,
    'others': other_count,
    'vehicle_ids': current_frame_vehicle_ids,  
    'original_speeds': vehicle_speeds,          
    'filtered_speeds': filtered_speeds,          
    'average_speed': average_speed,              
    'flow': flow,                                
    'density': density                            
})

13. 显示结果

最后，我们将每帧的结果显示出来，并在按下’q’键时退出视频：

cv2.imshow('frame', frame)
frame_count += 1
if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
    break

14. 保存结果

完成视频处理后，我们将分析结果转换为DataFrame，并保存到Excel文件中，以便后续分析：

df = pd.DataFrame(data)
df.to_excel('./video_analysis_with_color.xlsx', index=False)

输出表格展示：

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15. 总结

通过上述步骤，我们实现了一个基于YOLO模型的高速公路交通流量分析系统。该系统不仅可以检测和跟踪车辆，还能计算它们的速度、流量和密度，为交通管理提供重要的数据支持。随着技术的不断进步，我们期待在交通流量监测方面能够实现更高的自动化和智能化。

完整代码

import cv2
import pandas as pd
import numpy as np
from ultralytics import YOLO
from datetime import datetime
from scipy.spatial import distance

# 计算视频时长
def calculate_duration(start_time, end_time):
    fmt = '%H:%M:%S'
    start = datetime.strptime(start_time, fmt)
    end = datetime.strptime(end_time, fmt)
    duration = end - start
    return duration

# 获取视频信息
def get_video_info(video_path, duration):
    cap = cv2.VideoCapture(video_path)

    if not cap.isOpened():
        raise ValueError("无法打开视频文件")

    total_frames = int(cap.get(cv2.CAP_PROP_FRAME_COUNT))
    fps = cap.get(cv2.CAP_PROP_FPS)
    frame_time = 1 / fps if fps > 0 else 0
    interval_time = duration.total_seconds() / total_frames if total_frames > 0 else 0

    cap.release()
    return total_frames, fps, frame_time, interval_time

# 初始化路径和视频时长
video_path = './高速公路交通流数据/32.31.250.103/20240501_20240501125647_20240501140806_125649.mp4'
duration = calculate_duration('12:56:47', '14:08:05')
total_frames, fps, frame_time, interval_time = get_video_info(video_path, duration)

# 加载预训练的YOLOv8模型
model = YOLO('yolov8n.pt')

# 处理前10%的帧
num_frames_to_process = total_frames // 100
frame_count = 0

# 存储车辆信息
vehicle_data = {}
unique_vehicle_counter = 0
data = []

# 定义IoU阈值以及其他判断参数
IOU_THRESHOLD = 0.3
MAX_MOVEMENT_DISTANCE = 50
MAX_SIZE_DIFFERENCE = 0.2
COLOR_THRESHOLD = 30

# 计算IoU（交并比）
def calculate_iou(box1, box2):
    x1, y1, x2, y2 = box1
    x1b, y1b, x2b, y2b = box2
    inter_x1 = max(x1, x1b)
    inter_y1 = max(y1, y1b)
    inter_x2 = min(x2, x2b)
    inter_y2 = min(y2, y2b)
    inter_area = max(0, inter_x2 - inter_x1) * max(0, inter_y2 - inter_y1)
    box1_area = (x2 - x1) * (y2 - y1)
    box2_area = (x2b - x1b) * (y2b - y1b)
    union_area = box1_area + box2_area - inter_area
    return inter_area / union_area if union_area > 0 else 0

# 计算中心距离
def calculate_center_distance(box1, box2):
    center1 = ((box1[0] + box1[2]) / 2, (box1[1] + box1[3]) / 2)
    center2 = ((box2[0] + box2[2]) / 2, (box2[1] + box2[3]) / 2)
    return distance.euclidean(center1, center2)

# 提取车辆颜色
def extract_vehicle_color(frame, box):
    x1, y1, x2, y2 = map(int, box)
    vehicle_roi = frame[y1:y2, x1:x2]
    hsv_roi = cv2.cvtColor(vehicle_roi, cv2.COLOR_BGR2HSV)
    return cv2.mean(hsv_roi)[:3]

# 计算颜色差异
def calculate_color_difference(color1, color2):
    return np.linalg.norm(np.array(color1) - np.array(color2))

# 判断车辆是否为同一辆车
def is_same_vehicle(vehicle_info, new_box, new_color):
    prev_box = vehicle_info["box"]
    prev_color = vehicle_info["color"]
    
    iou = calculate_iou(prev_box, new_box)
    center_distance = calculate_center_distance(prev_box, new_box)
    prev_size = (prev_box[2] - prev_box[0]) * (prev_box[3] - prev_box[1])
    new_size = (new_box[2] - new_box[0]) * (new_box[3] - new_box[1])
    size_difference = abs(new_size - prev_size) / prev_size if prev_size > 0 else 1
    color_difference = calculate_color_difference(prev_color, new_color)
    
    return (
        iou > IOU_THRESHOLD
        and center_distance < MAX_MOVEMENT_DISTANCE
        and size_difference < MAX_SIZE_DIFFERENCE
        and color_difference < COLOR_THRESHOLD
    )

# 车型类别映射
class_map = {
    2: 'car',
    7: 'truck',
    5: 'bus',
    3: 'motorcycle',
    1: 'bicycle',
}

# 打开视频文件
cap = cv2.VideoCapture(video_path)

start_time_seconds = 12 * 3600 + 56 * 60 + 47  # 起始时间转换为秒
frame_count = 0
LANE_WIDTH = 3  # 车道宽度（米）
LANE_LENGTH = 30  # 识别范围的长度（米）

# 用于存储流量计算的车辆ID
unique_vehicles_in_interval = set()

while cap.isOpened() and frame_count < num_frames_to_process:
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        break

    results = model(frame)
    current_frame_vehicle_ids = []
    vehicle_speeds = []
    truck_count = 0
    other_count = 0

    # 处理检测结果
    for result in results:
        for box in result.boxes:
            coords = box.xyxy[0]
            x1, y1, x2, y2 = coords[0], coords[1], coords[2], coords[3]
            cv2.rectangle(frame, (int(x1), int(y1)), (int(x2), int(y2)), (0, 255, 0), 2)

            vehicle_class = int(box.cls.item())
            vehicle_type = class_map.get(vehicle_class, 'unknown')

            if vehicle_type == 'truck':
                truck_count += 1
            else:
                other_count += 1

            vehicle_color = extract_vehicle_color(frame, (x1, y1, x2, y2))
            matched_vehicle_id = None

            for vehicle_id, vehicle_info in vehicle_data.items():
                if is_same_vehicle(vehicle_info, (x1, y1, x2, y2), vehicle_color):
                    matched_vehicle_id = vehicle_id
                    break

            if matched_vehicle_id is None:
                unique_vehicle_counter += 1
                matched_vehicle_id = unique_vehicle_counter
                vehicle_data[matched_vehicle_id] = {
                    "box": (x1, y1, x2, y2),
                    "color": vehicle_color,
                    "first_frame": frame_count,
                    "last_frame": frame_count
                }
            else:
                vehicle_data[matched_vehicle_id]["last_frame"] = frame_count
                vehicle_data[matched_vehicle_id]["box"] = (x1, y1, x2, y2)
                vehicle_data[matched_vehicle_id]["color"] = vehicle_color

            current_frame_vehicle_ids.append(matched_vehicle_id)

    # 计算车辆速度
    for vehicle_id in current_frame_vehicle_ids:
        vehicle_info = vehicle_data[vehicle_id]
        first_frame = vehicle_info["first_frame"]
        last_frame = vehicle_info["last_frame"]
        frame_diff = last_frame - first_frame + 1
        if frame_diff > 0:
            vehicle_speed = 30 / (frame_diff * 0.4)  # 计算速度的公式
            vehicle_speeds.append(vehicle_speed)

    # 过滤速度异常值
    filtered_speeds = []
    if vehicle_speeds:
        lower_bound = 0
        upper_bound = 40
        filtered_speeds = [speed for speed in vehicle_speeds if lower_bound <= speed <= upper_bound]

    # 计算每一帧的平均速度
    average_speed = np.mean(filtered_speeds) if filtered_speeds else 0

    # 计算流量和密度
    unique_vehicles_in_interval.update(current_frame_vehicle_ids)
    if (frame_count + 1) % 20 == 0:
        flow = len(unique_vehicles_in_interval)  # 每20帧的唯一车辆数
        unique_vehicles_in_interval.clear()  # 清空当前周期的车辆ID
    else:
        flow = None
    # 计算实际时间
    current_time_seconds = start_time_seconds + frame_count * interval_time
    current_time = datetime.utcfromtimestamp(current_time_seconds).strftime('%H:%M:%S')

    # 输出信息
    total_vehicles = truck_count + other_count
    density = total_vehicles / (LANE_WIDTH * LANE_LENGTH)  # 单位长度内的车辆数
    print(f"当前帧: {frame_count}, 时间: {current_time}, 卡车数: {truck_count}, 其他车辆数: {other_count}, 总车辆数: {total_vehicles}")
    print(f"车辆编号集合: {current_frame_vehicle_ids}")
    print(f"原始车辆速度: {vehicle_speeds}")
    print(f"过滤后的车辆速度: {filtered_speeds}")
    print(f"每帧平均速度: {average_speed:.2f}")
    print(f"流量: {flow}辆 " if flow is not None and density is not None else "")
    print(f"密度: {density:.2f}辆/米")
    # 存储帧相关数据
    data.append({
        'timestamp': current_time,                   # 当前帧的时间戳
        'frame': frame_count,
        'total_vehicles': total_vehicles,
        'trucks': truck_count,
        'others': other_count,
        'vehicle_ids': current_frame_vehicle_ids,  # 记录当前帧车辆编号
        'original_speeds': vehicle_speeds,          # 原始速度
        'filtered_speeds': filtered_speeds,          # 过滤后的速度
        'average_speed': average_speed,              # 每帧平均速度
        'flow': flow,                                # 流量
        'density': density                            # 密度
    })


    # 显示结果
    cv2.imshow('frame', frame)
    # 更新帧计数器
    frame_count += 1
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

# 转换为DataFrame并保存到Excel
df = pd.DataFrame(data)
df.to_excel('./video_analysis_with_color.xlsx', index=False)

再次提醒：本文内容仅供参考，作者对此不负任何责任。希望读者能够从中获得启发，继续探索交通流量分析的更深入领域。

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