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          我用YOLOv5做情感識(shí)別!

          共 20422字,需瀏覽 41分鐘

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          2022-01-14 08:08

           Datawhale干貨 
          作者:陳信達(dá),上海科技大學(xué),Datawhale成員

          AI技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了我們生活中的方方面面,而目標(biāo)檢測(cè)是其中應(yīng)用最廣泛的算法之一,疫情測(cè)溫儀器、巡檢機(jī)器人、甚至何同學(xué)的airdesk中都有目標(biāo)檢測(cè)算法的影子。下圖就是airdesk,何同學(xué)通過(guò)目標(biāo)檢測(cè)算法定位手機(jī)位置,然后控制無(wú)線充電線圈移動(dòng)到手機(jī)下方自動(dòng)給手機(jī)充電。這看似簡(jiǎn)單的應(yīng)用背后其實(shí)是復(fù)雜的理論和不斷迭代的AI算法,今天筆者就教大家如何快速上手目標(biāo)檢測(cè)模型YOLOv5,并將其應(yīng)用到情感識(shí)別中。

          一、背景

          今天的內(nèi)容來(lái)源于2019年發(fā)表在T-PAMI上的一篇文章[1],在這之前已經(jīng)有大量研究者通過(guò)AI算法識(shí)別人類情感,不過(guò)本文的作者認(rèn)為,人們的情感不僅與面部表情和身體動(dòng)作等有關(guān),還和當(dāng)前身處的環(huán)境息息相關(guān),比如下圖的男孩應(yīng)該是一個(gè)驚訝的表情:

          不過(guò)加上周圍環(huán)境后,剛剛我們認(rèn)為的情感就與真實(shí)情感不符:

          本文的主要思想就是將背景圖片和目標(biāo)檢測(cè)模型檢測(cè)出的人物信息結(jié)合起來(lái)識(shí)別情感。

          其中,作者將情感分為離散和連續(xù)兩個(gè)維度。下面會(huì)解釋以方便理解,已經(jīng)清楚的同學(xué)可以快劃跳過(guò)。

          連續(xù)情感解釋

          Valence (V)

          measures how positive or pleasant an emotion is, ranging from negative to positive(高興程度)

          Arousal (A)

          measures the agitation level of the person, ranging from non-active / in calm to agitated / ready to act(激動(dòng)程度)

          Dominance (D)

          measures the level of control a person feels of the situation, ranging from submissive / non-control to dominant / in-control(氣場(chǎng)大小)

          離散情感解釋

          Affection

          fond feelings; love; tenderness

          Anger

          intense displeasure or rage; furious; resentful

          Annoyance

          bothered by something or someone; irritated; impatient; frustrated

          Anticipation

          state of looking forward; hoping on or getting prepared for possible future events

          Aversion

          feeling disgust, dislike, repulsion; feeling hate

          Confidence

          feeling of being certain; conviction that an outcome will be favorable; encouraged; proud

          Disapproval

          feeling that something is wrong or reprehensible; contempt; hostile

          Disconnection

          feeling not interested in the main event of the surrounding; indifferent; bored; distracted

          Disquietment

          nervous; worried; upset; anxious; tense; pressured; alarmed

          Doubt/Confusion

          difficulty to understand or decide; thinking about different options

          Embarrassment

          feeling ashamed or guilty

          Engagement

          paying attention to something; absorbed into something; curious; interested

          Esteem

          feelings of favourable opinion or judgement; respect; admiration; gratefulness

          Excitement

          feeling enthusiasm; stimulated; energetic

          Fatigue

          weariness; tiredness; sleepy

          Fear

          feeling suspicious or afraid of danger, threat, evil or pain; horror

          Happiness

          feeling delighted; feeling enjoyment or amusement

          Pain

          physical suffering

          Peace

          well being and relaxed; no worry; having positive thoughts or sensations; satisfied

          Pleasure

          feeling of delight in the senses

          Sadness

          feeling unhappy, sorrow, disappointed, or discouraged

          Sensitivity

          feeling of being physically or emotionally wounded; feeling delicate or vulnerable

          Suffering

          psychological or emotional pain; distressed; anguished

          Surprise

          sudden discovery of something unexpected

          Sympathy

          state of sharing others emotions, goals or troubles; supportive; compassionate

          Yearning

          strong desire to have something; jealous; envious; lust

          二、準(zhǔn)備工作與模型推理

          2.1 快速入門

          只需完成下面五步即可識(shí)別情感!

          1. 通過(guò)克隆或者壓縮包將項(xiàng)目下載到本地:git clone https://github.com/chenxindaaa/emotic.git

          2. 將解壓后的模型文件放到emotic/debug_exp/models中。(模型文件下載地址:鏈接:https://gas.graviti.com/dataset/datawhale/Emotic/discussion)

          3. 新建虛擬環(huán)境(可選):

          conda create -n emotic python=3.7
          conda activate emotic
          1. 環(huán)境配置
          python -m pip install -r requirement.txt
          1. cd到emotic文件夾下,輸入并執(zhí)行:
          python detect.py

          運(yùn)行完后結(jié)果會(huì)保存在emotic/runs/detect文件夾下。

          2.2 基本原理

          看到這里可能會(huì)有小伙伴問(wèn)了:如果我想識(shí)別別的圖片該怎么改?可以支持視頻和攝像頭嗎?實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)該怎么修改YOLOv5的代碼呢?

          對(duì)于前兩個(gè)問(wèn)題,YOLOv5已經(jīng)幫我們解決,我們只需要修改detect.py中的第158行:

          parser.add_argument('--source', type=str, default='./testImages', help='source')  # file/folder, 0 for webcam

          將'./testImages'改為想要識(shí)別的圖像和視頻的路徑,也可以是文件夾的路徑。對(duì)于調(diào)用攝像頭,只需要將'./testImages'改為'0',則會(huì)調(diào)用0號(hào)攝像頭進(jìn)行識(shí)別。

          修改YOLOv5:

          在detect.py中,最重要的代碼就是下面幾行:

          for *xyxy, conf, cls in reversed(det):
              c = int(cls)  # integer class
              if c != 0:
                  continue
              pred_cat, pred_cont = inference_emotic(im0, (int(xyxy[0]), int(xyxy[1]), int(xyxy[2]), int(xyxy[3])))
              if save_img or opt.save_crop or view_img:  # Add bbox to image
                  label = None if opt.hide_labels else (names[c] if opt.hide_conf else f'{names[c]} {conf:.2f}')
                  plot_one_box(xyxy, im0, pred_cat=pred_cat, pred_cont=pred_cont, label=label, color=colors(c, True), line_thickness=opt.line_thickness)
                  if opt.save_crop:
                      save_one_box(xyxy, imc, file=save_dir / 'crops' / names[c] / f'{p.stem}.jpg', BGR=True)

          其中det是YOLOv5識(shí)別出來(lái)的結(jié)果,例如tensor([[121.00000,   7.00000, 480.00000, 305.00000,   0.67680,   0.00000], [278.00000, 166.00000, 318.00000, 305.00000,   0.66222,  27.00000]])就是識(shí)別出了兩個(gè)物體。

          xyxy是物體檢測(cè)框的坐標(biāo),對(duì)于上面的例子的第一個(gè)物體,xyxy = [121.00000,   7.00000, 480.00000, 305.00000]對(duì)應(yīng)坐標(biāo)(121, 7)和(480, 305),兩個(gè)點(diǎn)可以確定一個(gè)矩形也就是檢測(cè)框。conf是該物體的置信度,第一個(gè)物體置信度為0.67680。cls則是該物體對(duì)應(yīng)的類別,這里0對(duì)應(yīng)的是“人”,因?yàn)槲覀冎蛔R(shí)別人的情感,所以cls不是0就可以跳過(guò)該過(guò)程。這里我用了YOLOv5官方給的推理模型,其中包含很多類別,大家也可以自己訓(xùn)練一個(gè)只有“人”這一類別的模型,詳細(xì)過(guò)程可以參考:

          在識(shí)別出物體坐標(biāo)后輸入emotic模型就可以得到對(duì)應(yīng)的情感,即

          pred_cat, pred_cont = inference_emotic(im0, (int(xyxy[0]), int(xyxy[1]), int(xyxy[2]), int(xyxy[3])))

          這里我將原來(lái)的圖片可視化做了些改變,將emotic的結(jié)果打印到圖片上:

          def plot_one_box(x, im, pred_cat, pred_cont, color=(128128128), label=None, line_thickness=3):
              # Plots one bounding box on image 'im' using OpenCV
              assert im.data.contiguous, 'Image not contiguous. Apply np.ascontiguousarray(im) to plot_on_box() input image.'
              tl = line_thickness or round(0.002 * (im.shape[0] + im.shape[1]) / 2) + 1  # line/font thickness
              c1, c2 = (int(x[0]), int(x[1])), (int(x[2]), int(x[3]))
              cv2.rectangle(im, c1, c2, color, thickness=tl, lineType=cv2.LINE_AA)
              if label:
                  tf = max(tl - 11)  # font thickness
                  t_size = cv2.getTextSize(label, 0, fontScale=tl / 3, thickness=tf)[0]
                  c2 = c1[0] + t_size[0], c1[1] - t_size[1] - 3
                  cv2.rectangle(im, c1, c2, color, -1, cv2.LINE_AA)  # filled
                  #cv2.putText(im, label, (c1[0], c1[1] - 2), 0, tl / 3, [225, 255, 255], thickness=tf, lineType=cv2.LINE_AA)
                  for id, text in enumerate(pred_cat):
                      cv2.putText(im, text, (c1[0], c1[1] + id*20), 0, tl / 3, [225255255], thickness=tf, lineType=cv2.LINE_AA)

          運(yùn)行結(jié)果:

          完成了上面的步驟,我們就可以開始整活了。眾所周知,特朗普以其獨(dú)特的演講魅力征服了許多選民,下面我們就看看AI眼中的特朗普是怎么演講的:

          可以看出自信是讓人信服的必備條件之一。

          三、模型訓(xùn)練

          3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

          首先通過(guò)格物鈦進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理,在處理數(shù)據(jù)之前需要先找到自己的accessKey(開發(fā)者工具AccessKey新建AccessKey):

          我們可以在不下載數(shù)據(jù)集的情況下,通過(guò)格物鈦進(jìn)行預(yù)處理,并將結(jié)果保存在本地(下面的代碼不在項(xiàng)目中,需要自己創(chuàng)建一個(gè)py文件運(yùn)行,記得填入AccessKey):

          from tensorbay import GAS
          from tensorbay.dataset import Dataset
          import numpy as np
          from PIL import Image
          import cv2
          from tqdm import tqdm
          import os

          def cat_to_one_hot(y_cat):
              cat2ind = {'Affection'0'Anger'1'Annoyance'2'Anticipation'3'Aversion'4,
                         'Confidence'5'Disapproval'6'Disconnection'7'Disquietment'8,
                         'Doubt/Confusion'9'Embarrassment'10'Engagement'11'Esteem'12,
                         'Excitement'13'Fatigue'14'Fear'15'Happiness'16'Pain'17,
                         'Peace'18'Pleasure'19'Sadness'20'Sensitivity'21'Suffering'22,
                         'Surprise'23'Sympathy'24'Yearning'25}
              one_hot_cat = np.zeros(26)
              for em in y_cat:
                  one_hot_cat[cat2ind[em]] = 1
              return one_hot_cat

          gas = GAS('填入你的AccessKey')
          dataset = Dataset("Emotic", gas)
          segments = dataset.keys()
          save_dir = './data/emotic_pre'
          if not os.path.exists(save_dir):
              os.makedirs(save_dir)
          for seg in ['test''val''train']:
              segment = dataset[seg]
              context_arr, body_arr, cat_arr, cont_arr = [], [], [], []
              for data in tqdm(segment):
                  with data.open() as fp:
                      context = np.asarray(Image.open(fp))
                  if len(context.shape) == 2:
                      context = cv2.cvtColor(context, cv2.COLOR_GRAY2RGB)
                  context_cv = cv2.resize(context, (224224))
                  for label_box2d in data.label.box2d:
                      xmin = label_box2d.xmin
                      ymin = label_box2d.ymin
                      xmax = label_box2d.xmax
                      ymax = label_box2d.ymax
                      body = context[ymin:ymax, xmin:xmax]
                      body_cv = cv2.resize(body, (128128))
                      context_arr.append(context_cv)
                      body_arr.append(body_cv)
                      cont_arr.append(np.array([int(label_box2d.attributes['valence']), int(label_box2d.attributes['arousal']), int(label_box2d.attributes['dominance'])]))
                      cat_arr.append(np.array(cat_to_one_hot(label_box2d.attributes['categories'])))
              context_arr = np.array(context_arr)
              body_arr = np.array(body_arr)
              cat_arr = np.array(cat_arr)
              cont_arr = np.array(cont_arr)
              np.save(os.path.join(save_dir, '%s_context_arr.npy' % (seg)), context_arr)
              np.save(os.path.join(save_dir, '%s_body_arr.npy' % (seg)), body_arr)
              np.save(os.path.join(save_dir, '%s_cat_arr.npy' % (seg)), cat_arr)
              np.save(os.path.join(save_dir, '%s_cont_arr.npy' % (seg)), cont_arr)

          等程序運(yùn)行完成后可以看到多了一個(gè)文件夾emotic_pre,里面有一些npy文件則代表數(shù)據(jù)預(yù)處理成功。

          3.2 模型訓(xùn)練

          打開main.py文件,35行開始是模型的訓(xùn)練參數(shù),運(yùn)行該文件即可開始訓(xùn)練。

          四、Emotic模型詳解

          4.1 模型結(jié)構(gòu)

          該模型的思想非常簡(jiǎn)單,流程圖中的上下兩個(gè)網(wǎng)絡(luò)其實(shí)就是兩個(gè)resnet18,上面的網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)提取人體特征,輸入為的彩色圖片,輸出是512個(gè)的特征圖。下面的網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)提取圖像背景特征,預(yù)訓(xùn)練模型用的是場(chǎng)景分類模型places365,輸入是的彩色圖片,輸出同樣是是512個(gè)的特征圖。然后將兩個(gè)輸出flatten后拼接成一個(gè)1024的向量,經(jīng)過(guò)兩層全連接層后輸出一個(gè)26維的向量和一個(gè)3維的向量,26維向量處理26個(gè)離散感情的分類任務(wù),3維向量則是3個(gè)連續(xù)情感的回歸任務(wù)。

          import torch 
          import torch.nn as nn 

          class Emotic(nn.Module):
            ''' Emotic Model'''
            def __init__(self, num_context_features, num_body_features):
              super(Emotic,self).__init__()
              self.num_context_features = num_context_features
              self.num_body_features = num_body_features
              self.fc1 = nn.Linear((self.num_context_features + num_body_features), 256)
              self.bn1 = nn.BatchNorm1d(256)
              self.d1 = nn.Dropout(p=0.5)
              self.fc_cat = nn.Linear(25626)
              self.fc_cont = nn.Linear(2563)
              self.relu = nn.ReLU()

              
            def forward(self, x_context, x_body):
              context_features = x_context.view(-1, self.num_context_features)
              body_features = x_body.view(-1, self.num_body_features)
              fuse_features = torch.cat((context_features, body_features), 1)
              fuse_out = self.fc1(fuse_features)
              fuse_out = self.bn1(fuse_out)
              fuse_out = self.relu(fuse_out)
              fuse_out = self.d1(fuse_out)    
              cat_out = self.fc_cat(fuse_out)
              cont_out = self.fc_cont(fuse_out)
              return cat_out, cont_out

          離散感情是一個(gè)多分類任務(wù),即一個(gè)人可能同時(shí)存在多種感情,作者的處理方法是手動(dòng)設(shè)定26個(gè)閾值對(duì)應(yīng)26種情感,輸出值大于閾值就認(rèn)為該人有對(duì)應(yīng)情感,閾值如下,可以看到engagement對(duì)應(yīng)閾值為0,也就是說(shuō)每個(gè)人每次識(shí)別都會(huì)包含這種情感:

          >>> import numpy as np
          >>> np.load('./debug_exp/results/val_thresholds.npy')
          array([0.0509765 , 0.02937193, 0.03467856, 0.16765128, 0.0307672 ,
                 0.13506265, 0.03581731, 0.06581657, 0.03092133, 0.04115443,
                 0.02678059, 0.        , 0.04085711, 0.14374524, 0.03058549,
                 0.02580678, 0.23389584, 0.13780132, 0.07401864, 0.08617007,
                 0.03372583, 0.03105414, 0.029326  , 0.03418647, 0.03770866,
                 0.03943525], dtype=float32)

          4.2 損失函數(shù):

          對(duì)于分類任務(wù),作者提供了兩種損失函數(shù),一種是普通的均方誤差損失函數(shù)(即self.weight_type == 'mean'),另一種是加權(quán)平方誤差損失函數(shù)(即self.weight_type == 'static‘)。其中,加權(quán)平方誤差損失函數(shù)如下,26個(gè)類別對(duì)應(yīng)的權(quán)重分別為[0.1435, 0.1870, 0.1692, 0.1165, 0.1949, 0.1204, 0.1728, 0.1372, 0.1620, 0.1540, 0.1987, 0.1057, 0.1482, 0.1192, 0.1590, 0.1929, 0.1158, 0.1907, 0.1345, 0.1307, 0.1665, 0.1698, 0.1797, 0.1657, 0.1520, 0.1537]。

          class DiscreteLoss(nn.Module):
            ''' Class to measure loss between categorical emotion predictions and labels.'''
            def __init__(self, weight_type='mean', device=torch.device('cpu')):
              super(DiscreteLoss, self).__init__()
              self.weight_type = weight_type
              self.device = device
              if self.weight_type == 'mean':
                self.weights = torch.ones((1,26))/26.0
                self.weights = self.weights.to(self.device)
              elif self.weight_type == 'static':
                self.weights = torch.FloatTensor([0.14350.18700.16920.11650.19490.12040.17280.13720.1620,
                   0.15400.19870.10570.14820.11920.15900.19290.11580.1907,
                   0.13450.13070.16650.16980.17970.16570.15200.1537]).unsqueeze(0)
                self.weights = self.weights.to(self.device)
              
            def forward(self, pred, target):
              if self.weight_type == 'dynamic':
                self.weights = self.prepare_dynamic_weights(target)
                self.weights = self.weights.to(self.device)
              loss = (((pred - target)**2) * self.weights)
              return loss.sum() 

            def prepare_dynamic_weights(self, target):
              target_stats = torch.sum(target, dim=0).float().unsqueeze(dim=0).cpu()
              weights = torch.zeros((1,26))
              weights[target_stats != 0 ] = 1.0/torch.log(target_stats[target_stats != 0].data + 1.2)
              weights[target_stats == 0] = 0.0001
              return weights

          對(duì)于回歸任務(wù),作者同樣提供了兩種損失函數(shù),L2損失函數(shù):

          其中,當(dāng)(默認(rèn)是1)時(shí),,否則

          L1損失函數(shù):

          其中,當(dāng)(默認(rèn)是1)時(shí),,否則

          class ContinuousLoss_L2(nn.Module):
            ''' Class to measure loss between continuous emotion dimension predictions and labels. Using l2 loss as base. '''
            def __init__(self, margin=1):
              super(ContinuousLoss_L2, self).__init__()
              self.margin = margin
            
            def forward(self, pred, target):
              labs = torch.abs(pred - target)
              loss = labs ** 2 
              loss[ (labs < self.margin) ] = 0.0
              return loss.sum()


          class ContinuousLoss_SL1(nn.Module):
            ''' Class to measure loss between continuous emotion dimension predictions and labels. Using smooth l1 loss as base. '''
            def __init__(self, margin=1):
              super(ContinuousLoss_SL1, self).__init__()
              self.margin = margin
            
            def forward(self, pred, target):
              labs = torch.abs(pred - target)
              loss = 0.5 * (labs ** 2)
              loss[ (labs > self.margin) ] = labs[ (labs > self.margin) ] - 0.5
              return loss.sum()

          數(shù)據(jù)集鏈接:https://gas.graviti.com/dataset/datawhale/Emotic

          [1]Kosti R, Alvarez J M, Recasens A, et al. Context based emotion recognition using emotic dataset[J]. IEEE transactions on pattern analysis and machine intelligence, 2019, 42(11): 2755-2766.

          YOLOv5項(xiàng)目地址:https://github.com/ultralytics/yolov5

          Emotic項(xiàng)目地址:https://github.com/Tandon-A/emotic

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