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如何使用Mask-RCNN檢測停車位可用性?

空/占用停車位

我最近做了一個(gè)項(xiàng)目，根據(jù)安全攝像頭的照片來檢測停車位是否可用或被占用。我的工作有局限性，我將進(jìn)一步詳細(xì)介紹這些局限性，但一旦這些問題得到解決，這個(gè)項(xiàng)目可能是一個(gè)低成本的解決方案，以優(yōu)化停車位的可用性。安裝這些額外的設(shè)備肯定是有潛力的。

讓我詳細(xì)說明我在這個(gè)項(xiàng)目中使用的資源。Kaggle上有一個(gè)停車場數(shù)據(jù)集，無論位置是否被占用，它都有足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)來訓(xùn)練一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型和xml文件，我們可以在這里訪問數(shù)據(jù)集停車場數(shù)據(jù)集。對于模型，我使用了最先進(jìn)的目標(biāo)檢測和分割Mask-RCNN模型，它的性能驚人，可以通過這個(gè)鏈接訪問。

如我們所見，Mask-RCNN在COCO數(shù)據(jù)集模型上進(jìn)行了直接即用的預(yù)訓(xùn)練，在目標(biāo)檢測和分割方面做得很好。盡管在某些情況下，它把汽車誤分為火車和卡車。

Mask-RCNN對象檢測和分割

我也嘗試了YOLO-v3，它的性能是一樣的，所以我沒有進(jìn)一步使用YOLO模型，但如果小伙伴正在尋找替代的模型，YOLO是一個(gè)很棒的對象檢測模型，這里有鏈接。

YOLO模型檢測停車場上的車輛

首先我使用Mask-RCNN模型來檢測車位上的車輛，并給定可用車位的數(shù)量來計(jì)算空車位。我們的模型不需要所有的COCO類，所以我將類限制為汽車、卡車和摩托車。但是預(yù)先訓(xùn)練的COCO數(shù)據(jù)集模型在檢測小物體方面做得并不好，即使我嘗試調(diào)整閾值和邊界框，那些被誤分類為火車的汽車也沒有被檢測到。這里繪制的是邊界框，而不是可視化方法提供的模型。

Mask-RCNN模型預(yù)測

基于數(shù)據(jù)集的預(yù)測，這樣我們就有兩個(gè)類來預(yù)測這個(gè)位置是被占用了還是空了。這個(gè)停車場數(shù)據(jù)集的不足之處是，只從兩個(gè)角度拍攝照片，這導(dǎo)致訓(xùn)練模型時(shí)存在過擬合問題，沒有很好的泛化能力。其次，每個(gè)車位的標(biāo)注不完整，在訓(xùn)練過程中會(huì)產(chǎn)生異常，并且并不是所有照片上可用的車位都被標(biāo)注了，這也導(dǎo)致了模型的性能較差。我將向小伙伴展示我的意思，下面的照片只是顯示了有多少停車位被注釋:

并非所有停車位都已標(biāo)注

許多xml文件沒有填充類:

注釋文件中缺少信息

缺少信息的停車位數(shù)量可能會(huì)增加到10-15個(gè)停車位，但在運(yùn)行一些代碼后，我認(rèn)為這可以手動(dòng)修復(fù):

有太多的文件需要修復(fù)，只為了訓(xùn)練模型的頂層，避免這些文件比較容易。為了解析xml文件，我使用了內(nèi)置的python包XML .etree.Elementtree。同樣值得注意的是，邊界框的坐標(biāo)是以一個(gè)中心點(diǎn)的角度給出的，所以如果我們想要正確地解析和創(chuàng)建邊界框，就必須進(jìn)行一些調(diào)整。

函數(shù)解析xml文件，提取停車位的輪廓

由于Mask-RCNN使用掩碼來訓(xùn)練類，采用與KangarooDetection文章類似的方式，可以在這里訪問，我使用邊界框來創(chuàng)建掩碼。這篇文章實(shí)際上幫助我們理解了如何使用Mask-RCNN模型，并且機(jī)器學(xué)習(xí)掌握對于許多機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序來說是一個(gè)很好的資源。如果小伙伴還沒看過的話，可以瀏覽一下。主要的區(qū)別是，我們將檢測兩個(gè)類，而不是一個(gè)，從而創(chuàng)建基于占用分類的掩碼，以及如何計(jì)算邊界框。

函數(shù)在邊界框之外創(chuàng)建掩碼，并創(chuàng)建兩個(gè)要檢測的類

至于數(shù)據(jù)集結(jié)構(gòu)，我們必須為訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)創(chuàng)建兩個(gè)目錄，每個(gè)包含圖像文件夾和匹配的標(biāo)簽文件夾，其中每個(gè)xml文件除了擴(kuò)展名不同之外，都具有相同的文件名。而其余部分實(shí)際上是遵循一般的做法來訓(xùn)練Mask-RCNN的頂層，小伙伴可以在Matterport GitHub上查看不同的示例代碼。

我們必須創(chuàng)建一個(gè)類ParkingLot來加載數(shù)據(jù)集，通過解析帶注釋的xml文件提取邊界框的輪廓。

創(chuàng)建停車場類

然后，我們需要指定配置類，基于我們希望模型訓(xùn)練的類，加載訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)集，使用“訓(xùn)練”模式加載模型，并開始訓(xùn)練。

停車配置類

模型將在每個(gè)時(shí)期后保存在日志文件夾中，以便在訓(xùn)練完成后，我們可以繼續(xù)加載模型以評估其性能。使用Mask-RCNN實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)的方法是創(chuàng)建新的配置類，該類將限制我們的預(yù)測范圍。

預(yù)測配置類

用“驗(yàn)證集”模式加載模型，從logs文件夾加載模型:

函數(shù)繪制檢測對象的邊界框

因此，如果我們加載任意隨機(jī)圖像，檢測可用和已占用的停車位，使用我們的函數(shù)來繪制它們，結(jié)果將是:

綠色框是可用的停車位，藍(lán)色邊界框是已占用的停車位。這個(gè)模型的性能看起來是相當(dāng)不錯(cuò)，盡管它仍然不能檢測到小車/停車位。數(shù)據(jù)集中故意忽略了停在人行道旁的汽車，這樣模型在訓(xùn)練時(shí)就不會(huì)考慮這些汽車。這是MaskRCNN可視化方法的結(jié)果:

Mask-RCNN檢測可用停車位

考慮到這個(gè)結(jié)果，似乎模型的性能真的很好。但在我們的數(shù)據(jù)集中，我們只有停車場的兩個(gè)角度，因?yàn)槲抑挥?xùn)練頂級模型，我只使用了數(shù)據(jù)集的一部分。所以，可以看一下另一張停車場的照片，用類似的攝像頭定位，但不是這個(gè)數(shù)據(jù)集的一部分。

很明顯，這個(gè)模型與我們的停車場數(shù)據(jù)集過于匹配，這意味著它在同一個(gè)數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)很好，但我沒有說訓(xùn)練，因?yàn)橛?xùn)練和測試照片實(shí)際上是位于停車場上不同汽車的相同照片，雖然技術(shù)上沒有泄漏測試數(shù)據(jù)，但在某種意義上，他們是一樣的。預(yù)先訓(xùn)練過的、開箱即用的Mask-RCNN在探測車輛方面的表現(xiàn)要好得多。

鑒于這些結(jié)論和我之前提到的局限性，為了改進(jìn)模型或向前推進(jìn)，下一步應(yīng)該做什么?我們可以使用整個(gè)數(shù)據(jù)集從頭開始訓(xùn)練模型，看看它的執(zhí)行情況，嘗試調(diào)優(yōu)檢測閾值。我們也可以試著去做，也許這可以成為這篇文章的第二部分。但理想情況下，更多變化的數(shù)據(jù)集是必不可少的，完整的注釋是創(chuàng)建準(zhǔn)確的停車位檢測模型的基礎(chǔ)。此外，為了建立不僅準(zhǔn)確而且健壯的檢測模型，考慮到正在行駛而尚未停車的汽車和擅自停放的汽車是非常重要的，這些可能是未來需要進(jìn)一步研究的步驟。


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【深度學(xué)習(xí)】實(shí)戰(zhàn)：使用Mask-RCNN的停車位檢測