描述

基于 DeepSORT YOLOv4 的目標(biāo)跟蹤

隨著道路上的汽車、卡車和不同車輛的數(shù)量不斷增加，交通擁堵問題仍在日益嚴(yán)重。適當(dāng)?shù)募t綠燈控制可以減少交通并提高十字路口的通行能力，而十字路口往往是交通瓶頸。由于持續(xù)監(jiān)控十字路口的高成本和這項任務(wù)的基礎(chǔ)設(shè)施，更好的方法是使用無人機(jī)，它可以監(jiān)控、跟蹤和通知車輛的數(shù)量和通過十字路口所需的時間。它可以更好地管理交通信號燈，尤其是在高峰時段或道路整修期間。對于此任務(wù)，需要實時對象跟蹤算法來持續(xù)提供返回結(jié)果。所以該項目包含DeepSORT的實現(xiàn)基于 YOLOv4 檢測的目標(biāo)跟蹤算法，確保實時響應(yīng)。檢測器推理類在 TensorFlow、TensorFlow Lite、TensorRT、OpenCV 和 OpenVINO 等多個框架中實現(xiàn)，以便對方法進(jìn)行基準(zhǔn)測試并將最佳方法用于邊緣定制解決方案。

步驟 0：多對象跟蹤簡介

MOT 算法作為當(dāng)前計算機(jī)視覺研究的相關(guān)部分，與自動駕駛和轉(zhuǎn)向、監(jiān)視和行為分析有關(guān)。MOT 問題主要分為多個子任務(wù)，例如檢測多個對象（定位和分類）、添加和保持它們的身份，以及在連續(xù)幀中跟蹤它們的個體軌跡。

基于目標(biāo)檢測的MOT算法

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DeepSORT 算法是一種基于檢測器的方法，它使用具有恒定運(yùn)動速率的遞歸卡爾曼濾波器和線性觀察模型。重新識別任務(wù)使用匈牙利算法解決。為了提高分配算法的投影和性能，使用了加權(quán)度量，包括馬氏距離和余弦距離。第一個度量通過計算預(yù)測的卡爾曼狀態(tài)和新到達(dá)的測量值之間的距離來提供運(yùn)動信息。第二個指標(biāo)使用預(yù)訓(xùn)練的深度卷積網(wǎng)絡(luò)作為圖像特征描述符來提供外觀信息。

第 1 步：準(zhǔn)備檢測算法

作為目標(biāo)檢測器，由于其令人滿意的結(jié)果和實時處理速度，選擇了YOLOv4算法。神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型使用Darknet框架和VisDrone 數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練，其中包含從無人機(jī)視角捕獲的圖像。每個獨立對象都屬于 11 個類別之一。許多實例的圖像的小而被遮擋的部分被標(biāo)記為忽??略區(qū)域。

ignored_regions
pedestrian
people
bicycle
car
van
truck
tricycle
awning_tricycle
bus
motor
others

YOLOv4 文件在鏈接存儲庫中，配置文件在data/darknet/yolov4_visdrone.cfg中，類文件在data/classes/visdrone.names中，錨框的計算大小在data/anchors/visdrone_anchors.txt中。

第 2 步：邊緣設(shè)備設(shè)置

系統(tǒng)設(shè)置。

出于評估目的，使用了NVIDIA Jetson Xavier NX和英特爾神經(jīng)計算棒 2等邊緣設(shè)備。Jetson Xavier NX 使用JetPack SDK 4.4.1 刷新，Raspberry Pi 4B 的 SD 卡使用Raspberry Pi OS Lite 5.10刷新。完整的 TensorFlow 庫用于 Raspberry Pi 4B，2.2.0 版本的構(gòu)建指令可在此處獲得。

相機(jī)設(shè)置。

由于使用了 Jetson 相機(jī)驅(qū)動程序（e-CAM24_CUNX – 彩色全局快門相機(jī)），必須使用 4.4.1 版本的 JetPack。e-con Systems 作為制造商提供了適用于 NVIDIA Jetson Nano 和 Xavier NX 的攝像頭驅(qū)動程序和簡單的安裝說明。

第 3 步：邊緣定制的檢測器模型優(yōu)化和量化

使用 NVIDIA Jetson Xavier NX 的TensorRT 、英特爾神經(jīng)計算棒 2 的 OpenVINO 和基于 CPU 的解決方案的 TensorFlow Lite執(zhí)行優(yōu)化和量化過程。

TensorRT框架需要將模型轉(zhuǎn)換為一種受支持的格式，例如 ONNX 或 TensorFlow。在本項目中，使用了對 ONNX 格式的更改。為了將存儲庫中可用的腳本yolo_to_onnx.py與以下調(diào)用一起使用，其中 -c 描述了許多類-m輸入模型和-o輸出 ONNX 模型路徑。

python3 yolo_to_onnx.py -c 12 -m ./yolov4-608 -o ./yolov4.onnx

要將模型從 ONNX 更改為 TensorRT，使用了onnx_to_tensorrt.py腳本。模型的 TensorRT 表示以三種不同的數(shù)據(jù)類型呈現(xiàn)：FP32 和量化的 FP16 和 INT8。

- 使用 float32 權(quán)重將 ONNX 轉(zhuǎn)換為 TensorRT 引擎

python3 onnx_to_tensorrt.py -v -c 12 -m ./yolov4 -q fp32 -o ./yolov4_fp32.trt

- 使用 float16 權(quán)重將 ONNX 轉(zhuǎn)換為 TensorRT 引擎

python3 onnx_to_tensorrt.py -v -c 12 -m ./yolov4 -q fp16 -o ./yolov4_fp16.trt

- 將 ONNX 轉(zhuǎn)換為具有 int8 權(quán)重的 TensorRT 引擎（需要校準(zhǔn)數(shù)據(jù)集的路徑 - 來自數(shù)據(jù)集的代表性圖像，下面標(biāo)記為“./calib_images” ）

python3 onnx_to_tensorrt.py -v -c 12 -m ./yolov4 -i ./calib_images -q int8 -o ./yolov4_int8.trt

TensoRT 工作流程

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OpenVINO使用了從tensorrt/README.md的指令生成的 ONNX 文件，然后使用 OpenVINO模型優(yōu)化器包和命令：

- FP32 數(shù)據(jù)格式：

python3 mo.py --input_model ./yolov4.onnx --model_name yolov4_fp32 --data_type FP32 --batch 1

- FP16 數(shù)據(jù)格式：

python3 mo.py --input_model ./yolov4.onnx --model_name yolov4_fp16 --data_type FP16 --batch 1

OpenVINO 工作流

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通過命令行界面使用 ONNX 模型和onnx-tensorflow包完成到TensorFlow Lite的轉(zhuǎn)換：

onnx-tf convert -i /path/to/input.onnx -o /path/to/output

它支持從 ONNX 格式更改為 TensorFlow SavedModel 表示。使用內(nèi)部 TensorFlow TFLiteConverter 可以轉(zhuǎn)換為 TF Lite。

TensorFlow Lite 工作流程

?

- FP32 格式

import tensorflow as tf

converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(MODEL_PATH)

tflite_model = converter.convert()

# Save the model.
with open(OUTPUT_PATH, 'wb') as f:
    f.write(tflite_model)

- FP16 格式

import tensorflow as tf

converter = tf.lite.TFLiteConverter.from_saved_model(MODEL_PATH)

converter.optimizations = [tf.lite.Optimize.DEFAULT]
converter.target_spec.supported_types = [tf.float16]

tflite_model = converter.convert()

# Save the model.
with open(OUTPUT_PATH, 'wb') as f:
    f.write(tflite_model)

第 4 步：如何使用 DeepSORT 跟蹤器

DeepSORT 算法從 YOLOv4 中獲取檢測結(jié)果，并使用遞歸卡爾曼濾波器和匈牙利算法將它們關(guān)聯(lián)起來。

DeepSORT 推理管道

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。它是在 NVIDIA Jetson Xavier NX 上使用 TensorRT 在 FP32 模式下執(zhí)行的。

筆記

如果想要運(yùn)行推理，一臺支持 TensoRT 的 NVIDIA 設(shè)備需要取消注釋檢測器/__init__.py 中的TrtYOLO檢測器導(dǎo)入。同樣的問題是在英特爾硬件上使用OpenvinoYOLO類。

命令行參數(shù)

Usage: object_tracker.py [OPTIONS]

Options:
-f, --framework TEXT      Inference framework: {tf, tflite, trt, opencv,
openvino}
-m, --model_path TEXT     Path to detection model
-n, --yolo_names TEXT     Path to YOLO class names file
-s, --size INTEGER        Model input size
-v, --video_path TEXT     Path to input video
-o, --output TEXT         Path to output, inferenced video
--output_format TEXT      Codec used in VideoWriter when saving video to
file
--tiny BOOLEAN            If YOLO tiny architecture
--model_type TEXT         yolov3 or yolov4
--iou FLOAT               IoU threshold
--score_threshold FLOAT   Confidence score threshold
--opencv_dnn_target TEXT  Precision of OpenCV DNN model
--device TEXT             OpenVINO inference device, available: {MYRIAD,
CPU, GPU}
--dont_show BOOLEAN       Do not show video output
--info BOOLEAN            Show detailed info of tracked objects
--count BOOLEAN           Count objects being tracked on screen
--help                    Show this message and exit.

第 5 步：性能測試

基準(zhǔn)測試是在NVIDIA Jetson Xavier NX和英特爾神經(jīng)計算棒 2上執(zhí)行的。Jetson Xavier NX 處于模式 2 ( sudo nvpmodel -m 2) 和風(fēng)扇，時鐘通過命令設(shè)置為最大頻率sudo jetson clocks --fan。為了評估英特爾 INCS 2，使用了 Raspberry Pi 4B。評價結(jié)果如下所示。

基于 YOLOv4 檢測的 DeepSORT 評估結(jié)果

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第 6 步：功耗測試

在性能評估期間，檢查了基準(zhǔn)邊緣設(shè)備的能效。英特爾神經(jīng)計算棒 2 和樹莓派 4B 的功耗是使用 USB 多功能測試儀測量的，如下圖所示。

Intel NCS2 功耗測量

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具有 NCS2 功耗測量的 Raspberry Pi 4B

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Jetson Xavier NX 的能源使用情況通過使用旨在監(jiān)控和控制 NVIDIA Jetson 設(shè)備的jetson-stats包進(jìn)行檢查。所進(jìn)行的測試的結(jié)果如下表所示。

測得的功耗

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相比之下，NVIDIA V100 或 RTX 3080 等云中心中用于推理和計算的顯卡的功耗分別為 300 和 320 瓦，如下所示。

跟蹤算法的用例

多對象跟蹤的可能用例是：

• 監(jiān)視監(jiān)控
• 十字路口流量跟蹤
• 不安全場所監(jiān)測預(yù)警

參考

非常感謝您的出色工作：

• 人工智能專家：yolov4-deepsort ，麻省理工學(xué)院許可證
• nwojke : deep_sort , MIT 許可證
• jkjung-avt : tensorrt_demos , MIT 許可證