手把手教你使用LabVIEW OpenCV dnn实现物体识别（Object Detection）含源码

前言

今天和大家一起分享如何使用LabVIEW调用pb模型实现物体识别，本博客中使用的智能工具包可到主页置顶博客LabVIEW AI视觉工具包（非NI Vision）下载与安装教程中下载

一、物体识别算法原理概述

1、物体识别的概念

物体识别也称目标检测，目标检测所要解决的问题是目标在哪里以及其状态的问题。但是，这个问题并不是很容易解决。形态不合理，对象出现的区域不确定，更不用说对象也可以是多个类别。

目标检测用的比较多的主要是RCNN，spp- net，fast- rcnn，faster- rcnn；YOLO系列，如YOLOV3和YOLOV4；除此之外还有SSD，ResNet等。

2、Yolo算法原理概述

Yolo的识别原理简单清晰。对于输入的图片，将整张图片分为7×7（7为参数，可调）个方格。当某个物体的中心点落在了某个方格中，该方格则负责预测该物体。每个方格会为被预测物体产生2（参数，可调）个候选框并生成每个框的置信度。最后选取置信度较高的方框作为预测结果。

二、opencv调用darknet物体识别模型（yolov3/yolov4）

相关源码及模型在darknt文件夹下

使用darknet训练yolo的模型，生成weights文件。使用opencv调用生成的模型

1、darknet模型的获取

文件含义：

• cfg文件：模型描述文件

• weights文件：模型权重文件

Yolov3获取链接:

https://github.com/pjreddie/darknet/blob/master/cfg/yolov3.cfg

https://pjreddie.com/media/files/yolov3.weights

Yolov4获取链接:

https://github.com/AlexeyAB/darknet/releases/download/darknet_yolo_v3_optimal/yolov4.cfg

https://github.com/AlexeyAB/darknet/releases/download/darknet_yolo_v3_optimal/yolov4.weights

2、python调用darknet模型实现物体识别

（1）dnn模块调用darknet模型

net = cv2.dnn.readNetFromDarknet("yolov3/yolov3.cfg", "yolov3/yolov3.weights")

（2）获取三个输出端的LayerName

使用getUnconnectedOutLayer获取三个只有输入，没有输出的层的名字，Yolov3的三个输出端层名为：['yolo_82', 'yolo_94', 'yolo_106']

def getOutputsNames(net):
    # Get the names of all the layers in the network
    layersNames = net.getLayerNames()
    # Get the names of the output layers, i.e. the layers with unconnected outputs
    return [layersNames[i - 1] for i in net.getUnconnectedOutLayers()]

（3）图像预处理

使用blobFromImage将图像转为image Size=(416,416)或(608,608) Scale=1/255 Means=[0,0,0]

blob = cv2.dnn.blobFromImage(frame, 1/255, (416, 416), [0,0,0], 1, crop=False)

（4）推理

使用net.forward(multiNames)获取多个层的结果，其中getOutputsNames(net)=['yolo_82', 'yolo_94', 'yolo_106']

net.setInput(blob)
outs = net.forward(getOutputsNames(net))

（5）后处理（postrocess）

获取的结果（outs）里面有三个矩阵（out），每个矩阵的大小为85*n，n表示检测到了n个物体，85的排列顺序是这样的：

• 第0列代表物体中心x在图中的位置（0~1）

• 第1列表示物体中心y在图中的位置（0~1）

• 第2列表示物体的宽度

• 第3列表示物体的高度

• 第4列是置信概率，值域为[0-1]，用来与阈值作比较决定是否标记目标

• 第5~84列为基于COCO数据集的80分类的标记权重，最大的为输出分类。使用这些参数保留置信度高的识别结果(confidence>confThreshold)

def postprocess(frame, outs):
    frameHeight = frame.shape[0]
    frameWidth = frame.shape[1]
    classIds = []
    confidences = []
    boxes = []
    classIds = []
    confidences = []
    boxes = []
    for out in outs:
        for detection in out:
            scores = detection[5:]
            classId = np.argmax(scores)
            confidence = scores[classId]
            if confidence > confThreshold:
                center_x = int(detection[0] * frameWidth)
                center_y = int(detection[1] * frameHeight)
                width = int(detection[2] * frameWidth)
                height = int(detection[3] * frameHeight)
                left = int(center_x - width / 2)
                top = int(center_y - height / 2)
                classIds.append(classId)
                confidences.append(float(confidence))
                boxes.append([left, top, width, height])
    print(boxes)
    print(confidences)

（6）后处理（postrocess）

使用NMSBoxes函数过滤掉重复识别的区域。

    indices = cv.dnn.NMSBoxes(boxes, confidences, confThreshold, nmsThreshold)  
    for i in indices:
        box = boxes[i]
        left = box[0]
        top = box[1]
        width = box[2]
        height = box[3]
        drawPred(classIds[i], confidences[i], left, top, left + width, top + height)

（7）画出检测到的对象

def drawPred(classId, conf, left, top, right, bottom):
    # Draw a bounding box.
    cv.rectangle(frame, (left, top), (right, bottom), (0, 0, 255))
    
    label = '%.2f' % conf
        
    # Get the label for the class name and its confidence
    if classes:
        assert(classId < len(classes))
        label = '%s:%s' % (classes[classId], label)

    #Display the label at the top of the bounding box
    labelSize, baseLine = cv.getTextSize(label, cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, 1)
    top = max(top, labelSize[1])
    cv.putText(frame, label, (left, top), cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (255,255,255))

（8）完整源码及检测结果（cv_call_yolo.py）

import cv2
cv=cv2
import numpy as np
import time
net = cv2.dnn.readNetFromDarknet("yolov3/yolov3.cfg", "yolov3/yolov3.weights")
net.setPreferableBackend(cv2.dnn.DNN_BACKEND_CUDA)
net.setPreferableTarget(cv2.dnn.DNN_TARGET_CUDA)
​
confThreshold = 0.5  #Confidence threshold
nmsThreshold = 0.4   #Non-maximum suppression threshold
frame=cv2.imread("dog.jpg")
classesFile = "coco.names";
classes = None
with open(classesFile, 'rt') as f:
    classes = f.read().rstrip('\n').split('\n')
​
def getOutputsNames(net):
    # Get the names of all the layers in the network
    layersNames = net.getLayerNames()
    # Get the names of the output layers, i.e. the layers with unconnected outputs
    return [layersNames[i - 1] for i in net.getUnconnectedOutLayers()]
print(getOutputsNames(net))
# Remove the bounding boxes with low confidence using non-maxima suppression
​
def postprocess(frame, outs):
    frameHeight = frame.shape[0]
    frameWidth = frame.shape[1]
    classIds = []
    confidences = []
    boxes = []
    # Scan through all the bounding boxes output from the network and keep only the
    # ones with high confidence scores. Assign the box's class label as the class with the highest score.
    classIds = []
    confidences = []
    boxes = []
    for out in outs:
        for detection in out:
            scores = detection[5:]
            classId = np.argmax(scores)
            confidence = scores[classId]
            if confidence > confThreshold:
                center_x = int(detection[0] * frameWidth)
                center_y = int(detection[1] * frameHeight)
                width = int(detection[2] * frameWidth)
                height = int(detection[3] * frameHeight)
                left = int(center_x - width / 2)
                top = int(center_y - height / 2)
                classIds.append(classId)
                confidences.append(float(confidence))
                boxes.append([left, top, width, height])

    # Perform non maximum suppression to eliminate redundant overlapping boxes with
    # lower confidences.
    print(boxes)
    print(confidences)  
    indices = cv.dnn.NMSBoxes(boxes, confidences, confThreshold, nmsThreshold)
    for i in indices:
        #print(i)
        #i = i[0]
        box = boxes[i]
        left = box[0]
        top = box[1]
        width = box[2]
        height = box[3]
        drawPred(classIds[i], confidences[i], left, top, left + width, top + height)
​
    # Draw the predicted bounding box
def drawPred(classId, conf, left, top, right, bottom):
    # Draw a bounding box.
    cv.rectangle(frame, (left, top), (right, bottom), (0, 0, 255))
    label = '%.2f' % conf    
    # Get the label for the class name and its confidence
    if classes:
        assert(classId < len(classes))
        label = '%s:%s' % (classes[classId], label)
    #Display the label at the top of the bounding box
    labelSize, baseLine = cv.getTextSize(label, cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, 1)
    top = max(top, labelSize[1])
    cv.putText(frame, label, (left, top), cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (255,255,255))
blob = cv2.dnn.blobFromImage(frame, 1/255, (416, 416), [0,0,0], 1, crop=False)
t1=time.time()
net.setInput(blob)
outs = net.forward(getOutputsNames(net))
print(time.time()-t1)
postprocess(frame, outs)
t, _ = net.getPerfProfile()
label = 'Inference time: %.2f ms' % (t * 1000.0 / cv.getTickFrequency())
cv.putText(frame, label, (0, 15), cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (0, 0, 255))
cv2.imshow("result",frame)
​

3、LabVIEW调用darknet模型实现物体识别yolo_example.vi

（1）LabVIEW调用yolov3的方式及步骤和python类似，源码如下所示： 将带识别图片与yolo_example.vi置于同一路径下，即可进行物体识别

（2）识别结果如下：

4、LabVIEW实现实时摄像头物体识别（yolo_example_camera.vi）

（1）使用GPU加速

使用顺序结构检测神经网络推理的时间

比较使用GPU和不使用GPU两种情况下的推理速度

普通模式：net.serPerferenceBackend(0)，net.serPerferenceTarget(0)

Nvidia GPU模式：net.serPreferenceBackend(5)， net.serPerferenceTarget(6)

注：普通的c++、python、LabVIEW版本的opencv，即便选了GPU模式也没用，程序仍然运行在CPU上，需要安装CUDA和CUDNN后重新从源码编译opencv

（2）程序源码如下：

（3）物体识别结果如下：

注意，使用如上程序，可以点击STOP按钮，停止本次物体识别，也可勾选使用GPU进行加速

（4）使用GPU加速结果：

三、tensorflow的物体识别模型调用

相关源码及模型在tf1文件夹下

1、下载预训练模型并生成pbtxt文件

（1）下载ssd_mobilenet_v2_coco，下载地址如下： http://download.tensorflow.org/models/object_detection/ssd_mobilenet_v2_coco_2018_03_29.tar.gz

（2）解压后的文件内容

（3）根据pb模型生成pbtxt文件 运行 tf_text_graph_ssd.py以生成pptxt文件 在cmd中运行： python tf_text_graph_ssd.py --input ssd_mobilenet_v1_coco_2017_11_17/frozen_inference_graph.pb --config ssd_mobilenet_v1_coco_2017_11_17/ssd_mobilenet_v1_coco.config --output ssd_mobilenet_v1_coco_2017_11_17.pbtxt

2、LabVIEW调用tensorflow模型推理并实现物体识别（callpb.vi）

（1）程序源码如下：

（2）运行结果如下：

四、项目源码及模型下载

链接：https://pan.baidu.com/s/1zwbLQe0VehGhsqNIHyaFRw?pwd=8888 提取码：8888

总结拓展

可以使用Yolov3训练自己的数据集，具体训练方法可参考博客：https://blog.csdn.net/qq_38915710/article/details/97112788 可实现案例：口罩佩戴识别、肺炎分类、CT等，如口罩佩戴检测

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