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使用YOLOv3进行实时活体检测：Python与OpenCV实现

article 2024/12/1 18:05:04

1. 引言

在现代安全监控系统中，能够区分视频流中的活体（如人）与其他物体的能力至关重要。这种能力不仅有助于提高系统的准确性和效率，还能在一定程度上减少误报。本文将介绍如何使用YOLOv3（You Only Look Once version 3）这一先进的对象检测算法，结合OpenCV库来实现一个简单的实时活体检测系统。我们将详细解析整个过程，并提供完整的Python代码。

2. 准备工作

安装必要的库

首先，确保你的环境中安装了以下库：

OpenCV: 用于图像处理和摄像头操作。
NumPy: 提供高效的数值运算支持。

可以通过pip命令安装这些库：

pip install opencv-python numpy

下载模型文件

YOLOv3需要配置文件（.cfg）、权重文件（.weights）以及类别名称文件（.names）。这些文件可以从YOLO官方网站下载。对于本项目，你需要下载的是COCO数据集对应的版本。

3. 代码解析

现在我们深入了解一下代码的结构及其功能。

导入库

import cv2
import numpy as np

这里导入了OpenCV和NumPy两个库，分别用于图像处理和数学计算。

参数设置

函数detect_live定义了一些参数，允许用户自定义检测行为：

camera_index: 指定使用的摄像头索引，默认为0表示默认摄像头。
motion_threshold: 设置移动距离阈值，超过该值则认为物体发生了移动。
min_confidence: 最小置信度阈值，低于此值的对象不会被考虑。
debug: 是否开启调试模式，在屏幕上显示额外的信息。
consecutive_motion_frames: 需要连续检测到移动的帧数以确认活体存在。
target_class: 目标类别，比如"person"。

def detect_live(
    camera_index=0,
    motion_threshold=10,  # 移动的阈值
    min_confidence=0.5,  # 最小置信度
    debug=False,  # 是否显示调试窗口
    consecutive_motion_frames=5,  # 连续检测到移动的帧数
    target_class="person"  # 目标类别
):

加载YOLOv3模型

接下来加载YOLOv3模型的相关文件，并准备输出层：

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

    with open("coco.names", "r") as f:
        classes = [line.strip() for line in f.readlines()]

    layer_names = net.getLayerNames()
    try:
        output_layers = [layer_names[i[0] - 1] for i in net.getUnconnectedOutLayers()]
    except IndexError:
        output_layers = [layer_names[i - 1] for i in net.getUnconnectedOutLayers()]

摄像头初始化

打开指定的摄像头并检查是否成功打开：

    cap = cv2.VideoCapture(camera_index)

    if not cap.isOpened():
        print("无法打开摄像头。")
        return

图像处理和目标检测

每帧都经过预处理后送入网络进行预测：

    prev_center = None
    consecutive_motion_count = 0  # 连续检测到移动的帧数计数器
    is_target_detected = False  # 标志变量，用于记录当前帧中是否检测到目标类别

    try:
        while True:
            ret, frame = cap.read()

            if not ret:
                print("无法读取摄像头帧。")
                break

            height, width, _ = frame.shape

            blob = cv2.dnn.blobFromImage(frame, 0.00392, (416, 416), (0, 0, 0), True, crop=False)
            net.setInput(blob)
            outs = net.forward(output_layers)

            class_ids = []
            confidences = []
            boxes = []

            for out in outs:
                for detection in out:
                    scores = detection[5:]
                    class_id = np.argmax(scores)
                    confidence = scores[class_id]
                    if confidence > min_confidence:
                        center_x = int(detection[0] * width)
                        center_y = int(detection[1] * height)
                        w = int(detection[2] * width)
                        h = int(detection[3] * height)
                        x = int(center_x - w / 2)
                        y = int(center_y - h / 2)
                        boxes.append([x, y, w, h])
                        confidences.append(float(confidence))
                        class_ids.append(class_id)
                        if classes[class_id] == target_class:
                            is_target_detected = True  # 检测到目标类别

            indexes = cv2.dnn.NMSBoxes(boxes, confidences, min_confidence, 0.4)

            indexes = np.array(indexes)

            for i in indexes.flatten():
                x, y, w, h = boxes[i]
                label = str(classes[class_ids[i]])
                confidence = confidences[i]

                center = ((x + x + w) // 2, (y + y + h) // 2)

                if prev_center is not None and label == target_class:
                    distance = np.sqrt((center[0] - prev_center[0]) ** 2 + (center[1] - prev_center[1]) ** 2)

                    if distance > motion_threshold:
                        consecutive_motion_count += 1
                    else:
                        consecutive_motion_count = 0

                    if consecutive_motion_count >= consecutive_motion_frames:
                        yield True
                        consecutive_motion_count = 0  # 重置计数器
                else:
                    consecutive_motion_count = 0

                prev_center = center

                if debug:
                    color = (0, 255, 0) if label == target_class else (0, 0, 255)
                    cv2.rectangle(frame, (x, y), (x + w, y + h), color, 2)
                    cv2.putText(frame, f"{label}: {confidence:.2f}", (x, y - 10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, color, 2)
                    if label == target_class:
                        cv2.circle(frame, center, 5, (0, 0, 255), -1)

            if not is_target_detected:
                yield False

            is_target_detected = False

            if debug:
                cv2.imshow('Live Detection', frame)

            if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
                break

    finally:
        cap.release()
        cv2.destroyAllWindows()

主程序入口

最后，我们通过调用detect_live函数来启动检测过程，并根据返回的结果打印出相应的信息：

if __name__ == "__main__":
    for is_live in detect_live(debug=True):
        if is_live:
            print("Is live: True")
        else:
            print("Is live: False")