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文档简介
基于智能摄像头实现ASL功能(自动限速调节)智能汽车传感器应用技术一、课程导入交通标识一般置于道路的上方或两侧,由于驾驶者在驾驶过程中阅读路牌信息需要一心二用,并且由于车速、天气、路况等原因,驾驶者可获取信息的时间较短,在不熟悉道路的情况下往往需要将车辆减速以阅读信息,由此带来安全隐患。因此,基于智能识别的实时交通导航系统是未来导航的发展方向,其核心就是道路交通标志的识别。另一方面,超速是最容易发生的违章,而自动限速识别(ASL)功能则可以避免超速的发生。该系统通过智能摄像头与导航地图识别道路限速标志,即使车辆处于地图信号较弱的隧道中,也可以高效识别车辆行驶路段的限速要求。课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备思考讨论题(2分钟)一、课程导入基于自车检测信息下的速度控制是利用智能驾驶前视摄像头或高精地图发送识别的道路交通标志限速信息结合路况、路径规划(主要指驾驶员设置速度)等信息后调整当前车速,避免或减轻超速导致的巡航安全风险。你知道车辆上摄像头是如何认识交通标识的吗?课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备二、交通标志的识别方法交通标志的识别方法主要有基于颜色信息的交通标志识别、基于形状特征的交通标志识别、基于显著性的交通标志识别以及基于特征提取和机器学习的交通标志识别等。课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备二、交通标志的识别方法颜色分割就是利用交通标志特有的颜色特征,将交通标志与背景分离。颜色特征具有旋转不变性,即颜色信息不会随着图像的旋转、倾斜而发生变化,与几何、纹理等特征相比,基于颜色特征设计的交通标志识别算法对图像旋转、倾斜的情况都有较好的适应性,具有较好的识别效果。2.1基于颜色信息的交通标志识别中国交通标志颜色示例德国交通标志颜色示例课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备二、交通标志的识别方法除颜色特征外,形状特征也是交通标志的显著特征。我国警告标志、指示标志和禁令标志共131种,其中130种都有规则的形状圆形、矩形、正三角形、倒三角形以及正八边形。形状和颜色结合进行检测是交通标志识别中的重要内容,通常都以颜色分割做粗检测,排除大部分的背景干扰,再提取二值图像各连通域的轮廓,进行形状特征的分析,进而确定交通标志候选区域并完成定位。2.2基于形状特征的交通标志识别中国交通标志形状示例德国交通标志形状示例课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备二、交通标志的识别方法2.3基于显著性的交通标志识别显著性作为从人类生物视觉中引入的概念,用来度量场景中具有最显眼的特征、最容易吸引人优先看到的区域。由于交通标志被设计成具有显眼的颜色和特定的形状,是最显著的视觉特征,在一定程度上满足了显著性的要求,因此可以采用相关的显著性模型和显著性算法来检测交通标志。课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备二、交通标志的识别方法2.4基于特征提取和机器学习的交通标志识别无论是基于颜色和形状分析的算法,还是基于显著性的算法,由于其所包含的信息的局限性,在背景复杂或者出现与目标物十分相似的干扰物时,都不能很好地去除干扰。因此,可通过合适的特征描述符更充分地表示交通标志,再通过机器学习方法区分出标志和障碍物。本任务将基于智能摄像头实现自动限速识别(ASL)功能将采用基于特征提取和机器学习实现交通标志(限速标志)的识别功能课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备三、交通标志识别的一般流程利用视觉传感器进行交通标志识别的流程主要是:原始图像采集图像预处理图像分割检测图像特征提取交通标志识别原始图像采集图像预处理图像分割检测图像特征提取交通标志识别课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备三、交通标志识别的一般流程3.1原始图像采集由视觉传感器(摄像头)采集的、未经处理的原始图像。3.2图像预处理在实际的交通场景中,由于自然光、天气条件等各种因素的影响,摄像头采集的图像不可避免的存在一定程度的干扰和噪声,所以需要对图像进行一些预处理,如图像均衡、图像增强和图像去噪等,从而将图像变得清晰、易辨认,为进一步的处理做好数据准备,如下图所示。如果采用机器学习技术,则还需要进行标注工作。原图与预处理后的图课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备三、交通标志识别的一般流程3.3图像分割检测预处理后的图像仍然包含很多信息,交通标志在其中只有很小的一个区域,但是由于交通标志在颜色和形状上都有一定的特殊性,同时为了减小处理的数据量,加快处理速度,图像分割检测一般分两步走,首先通过颜色分割快速检测到交通标志牌,其次通过形状分割最终确定交通标志的区域,如下图所示。通过图像分割检测后得到的交通标志牌区域课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备三、交通标志识别的一般流程3.4图像特征提取和交通标志识别在图像检测完成以后,需要进一步对这些图像特征进行提取和比对,得出具体的交通标识牌含义。通过提取采集到的图像的颜色特征、线条变化特征、矩特征、灰度直方图统计特征等等,与数据库中的数据进行比对,即可判断出该交通标志的实际意义。但是在实际使用场景中,这种方式识别的成功率和准确度并不是特别高,而机器学习技术的应用大大提升了识别的准确度和灵活性,图像识别成功率和准确率显著提高。交通标志识别结果
课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备四、ASL项目的环境配置准备4.1基本配置对于本实训平台,环境已经配置好,但是对于没有本实训平台的读者,需要一些基本设备如比较新的计算机(Win10系统,64位)和配置Ubuntu系统才能够进一步完成接下来的实训。①计算机上(Win10系统)安装VMwareWorkstationPro虚拟机(具体步骤参考相关材料),安装好后如下图所示,单击后进入VM虚拟机界面,单击菜单栏“文件”->“打开”,导入本教材配套提供的Ubuntu镜像(随教材提供,也可自行下载,具体操作查看配套资料)。安装好的VMware虚拟机图标课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备四、ASL项目的环境配置准备4.1基本配置②启动虚拟机,首先安装Anaconda,它是大型的科学计算平台,是Python集成开发环境,包含了大量的科学包,能够方便快捷的对程序包进行管理和部署,后面很多工具软件都可以通过它完成下载安装,一站式完成,比较便捷。在Ubuntu环境下到anaconda的官网下载对应的Linux系统的安装包,完成安装(具体操作查看配套资料)。③将YOLOv5项目(用于交通标志识别,随教材提供)下载到虚拟机“文件”->“Home”目录下,如下图所示的yolov5_project。yolov5_project文件夹课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备四、ASL项目的环境配置准备4.2创建并激活虚拟环境在“Home”目录下空白处右键打开一个终端,通过以下命令创建一个名字为“yolov5”的虚拟环境并激活它,这样后面和YOLOv5有关的操作就在这个虚拟环境下完成。课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备四、ASL项目的环境配置准备4.3安装工具软件在该虚拟环境下下载安装必要的工具软件,包括PyTorch(PyTorch是Facebook于2017年初在机器学习和科学计算工具Torch的基础上,针对Python语言发布的一个全新的机器学习工具包)和TorchVision(独立于pytorch的关于图像操作的一些方便工具库),但是在安装两者之前,需要有CUDA平台(ComputeUnifiedDeviceArchitecture,是显卡厂商NVIDIA推出的运算平台)作为支撑,同时硬件方面需要一个支持CUDA的GPU(如果没有,可以考虑云平台上提供的产品,其中许多云平台都提供预装有PyTorch的、支持GPU的命令交互工具JupyterNotebook,且通常提供一定的免费配额)。课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备四、ASL项目的环境配置准备4.3安装工具软件安装好CUDA后,安装PyThorch和TorchVision,这里使用pip命令完成:
注意:建议先下载相关的安装包到本地再进行安装,防止网速不稳定出现安装错误。
课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备四、ASL项目的环境配置准备4.4安装依赖因为我们建立的环境引用别人的项目,因此在该项目中会包含很多第三方模块的包,这些都必须同时完成安装才能跑该项目,这时候如果一个一个下载安装,则会费时费力,此时可以通过项目提供的requirements.txt一次完成全部第三方模块的包的下载和安装,方便快捷,输入命令:
课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备四、ASL项目的环境配置准备4.5安装pycocotoolspycocotools,即pythonapitoolsofCOCO。COCO是一个大型的图像数据集,用于目标检测、分割、人的关键点检测、素材分割和标题生成。在第(2)步创建的虚拟环境下,输入下面命令进行安装pycocotools:
课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备四、ASL项目的环境配置准备4.5安装pycocotools其中,sudo是linux系统管理指令,是允许系统管理员让普通用户执行一些或者全部的root命令的一个工具;apt-get,是一条linux命令,适用于deb包(deb包是Linux下的安装包)管理式的操作系统(如Linux),主要用于自动从互联网的软件仓库中搜索、安装、升级、卸载软件或操作系统。Cython是让Python脚本支持C语言扩展的编译器,Cython能够将Python+C混合编码的.pyx脚本转换为C代码,主要用于优化Python脚本性能或Python调用C函数库。
课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备五、任务实施准备工作5.1认识精灵标注助手现在人工智能领域需要标注好的数据情况很多,无论是图片,视频还是文本;无论是分类问题还是物体识别问题都需要标注,精灵标注助手是一个比较好用的小工具,精灵标注助手目前支持Windows/Mac/Linux平台(随书配套)。本节任务的训练数据集为限速图片,将用精灵标注助手进行前期的标注工作,下载后放到后续的YOLO项目文件夹中。该工具不仅操作简单上手快,支持除了图片标注外,还支持文本标注,视频标注,还可以保存之前标注的数据集,方便后续对数据集标注内容的修改。课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备5.2认识目标检测算法(YOLO)YOLO是一种目标检测方法,该方法的特点是实现快速检测的同时还达到较高的准确率。相对于其他目标检测与识别方法(比如FastR-CNN)将目标识别任务分类目标区域预测和类别预测等多个流程,YOLO将目标区域预测和目标类别预测整合于单个神经网络模型中,实现在准确率较高的情况下快速目标检测与识别,更加适合现场应用环境。本次实训采用YOLOv5(可以理解为YOLO的第五代,它不是一个单独的模型,而是一个模型家族,包括了YOLOv5s、YOLOv5m、YOLOv5l、YOLOv5x)进行交通标志的检测。YOLO目标检测系统五、任务实施准备工作课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备限速标识图片采集选择标注软件数据标注生成标注信息对应的文件目录数据集生成调节参数限速标志识别准确率验证模型训练将训练好的模型应用于真实路况的交通标志识别五、任务实施准备工作5.3自动限速识别(ASL)开发任务流程课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备首先从github上下载YOLOv5,命名为yolov5,并放在yolo5_project根目录下(可从本书配套资源下载YOLOv5)。其中,images存放的是原始的图片数据集,Annotations存放的是标记后生成的文件(xml格式),labels存放的是保存标记内容的文件(txt),ImageSets存放的是训练数据集和测试数据集的分类情况,如下图所示。data目录下的文件类型六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.1下载并部署YOLO项目课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.2标注前的准备工作准备好需要标注的含有限速标志的原始图片数据集(随书配套提供),放到data/images文件夹中,如下左图所示。找到精灵标记助手,鼠标右键单击运行,如下右图所示。data/images文件夹内的限速图片
运行标注软件课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(1)打开精灵标注助手后,单击“新建”,新建标注项目,如图所示。新建标注项目课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(2)在弹出的新建项目页面左侧选择“机器视觉”->“位置标注”,右侧填入项目名称,图片文件夹的选择通过目录选择按钮,选择第2步骤中准备好的图片所在目录,最后填写分类值用于标注,用pl+数值标识,分别是pl5,pl15,pl20,pl30,pl40,pl50,pl60,pl70,pl80和pl100,共10类。该分类可根据data/images文件夹内的限速标识图片的限速类型填写,如果该文件夹内有限速120(km/h)的,则增加pl120即可,然后单击“创建”按钮,如下图所示。填写分类值课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(3)创建完毕后进入标注页面,在页面底部选择要标注的图片,然后单击页面左侧合适的工具在图片中标注,这里选择“矩形框”,用矩形框标注限速标志(60),单击鼠标左键并拖动框到合适的位置松开鼠标,此时矩形框内的内容即为需要学习的区域,如下图所示。限速标志标注区域课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(4)单击页面右侧自定义输入框,选择标注信息为pl60,如下图所示。选择对应的标注信息课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(5)单击下方打勾按钮,保存标注信息,显示保存成功,同时可以注意到左下侧有一栏信息显示已标注和总的图片数量,如下图所示。保存标注信息课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(6)单击“后一个”,切换到下一张图片,重复第(3)-(5)步,直到所有照片标记完毕,如下图所示,最后单击“导出”。标注下一张图片课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(7)导出格式选择xml格式,如下图所示。选择导出为xml格式课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(7)点击“保存到”路径方框右边的“...”选择导出路径,弹出对话框,如下图所示,选择导出路径为data/Annotations,然后单击“ok”按钮,回到上一界面,单击“确定导出”导出标注文件。导出所有标注完成图片的路径选择课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(7)导出的文件夹data/Annotations下会自动生成一个outputs文件夹,里面是存储标注完成的数据文件,如下图所示。导出后data/Annotations/outputs文件夹下内容课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.3数据标注(7)我们需要将outputs文件夹下的数据剪切到Annotations文件夹的根目录下,才能被读取到,如图2.96所示。至此,数据标注准备工作完成。Outputs内的数据转移到Annotations根目录下课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.4构建数据集在yolov5的根目录下新建一个文件makeTxt.py和文件voc_label.py,本项目已提供好这两个文件,如图所示。文件makeTxt.py和文件voc_label.py课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.4构建数据集makeTxt.py主要是将数据集分类成训练数据集和测试数据集,默认train,val,test按照8:1:1的比例进行随机分类,运行后ImagesSets文件夹中会出现四个文件,主要是生成的训练数据集和测试数据集的图片名称。同时data目录下也会出现这四个文件,内容是训练数据集和测试数据集的图片路径,操作步骤如下。课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.4构建数据集(1)在yolov5文件夹下,空白处右键打开一个终端窗口,如图所示。yolov5文件夹下打开一个终端窗口课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.4构建数据集(2)输入命令sourceactivateyolov5然后回车,进入已经配置好的虚拟环境。进入yolov5虚拟环境课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.4构建数据集(3)输入命令pythonmakeTxt.py,回车,运行makeTxt.py文件,生成标注信息对应的文件目录,trainval.txt,test.txt,train.txt和val.txt四个文件,如图所示。ImageSets文件夹下生成的四个文件课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.4构建数据集(4)输入命令pythonvoc_label.py运行voc_label.py文件。voc_label.py主要是将图片数据集标注后的xml文件中的标注信息读取出来并写入txt文件,运行后在labels文件夹中出现所有图片数据集的标注信息,如图所示。至此,本次训练所需的数据集已经全部准备好了。labels文件夹下生成txt文件课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.5文件修改(1)数据集方面的yaml文件修改(yaml是专门用来写配置文件的语言,是一种通用的数据串行化格式)。首先在data目录下,复制一份coco.yaml文件并将其重命名,例如本镜像包中的命名为sign.yaml,放在data目录下,并对sign.yaml中的参数进行配置。如下图所示,修改train,val,test后面的路径为之前存放的路径,nc为数据集的类别数,修改为10,names为类别名称的集合,和第3步中标注精灵助手标注图片的时候所设置的参数一致。sign.yaml文件修改课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.5文件修改(2)网络参数方面的yaml文件修改。接着在yolov5_project/models目录下的yolov5s.yaml文件进行修改,根据实际标注类别修改,如下图所示,把nc的参数改为10。yolov5s.yaml文件修改课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.5文件修改(3)准备训练脚本文件(train.py,在yolov5项目文件夹下)。在train.py中找到下图的参数配置函数,改为前面修改的yaml文件名称。若运行训练脚本报错,可以尝试修改‘--batch-size’参数的值改小一些,该参数是指单次传递给程序用以训练的参数个数,数值小可以减少内存的使用,对于计算机内存不能满足一次性训练所有数据时,比较有效,有时候甚至需要改成1(特别是对于没有GPU的计算机),如下图所示。参数修改与训练设置课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.6开始模型训练回到yolov5虚拟环境,输入pythontrain.py运行文件,以默认参数进行训练,如图所示。如果只考虑正样本的指标,精确度P(Precision)和召回率R(Recall)是比较常用的指标。运行python
train.py课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通标志识别的一般流程任务实施准备工作ASL项目的环境配置准备六、自动限速识别(ASL)功能的开发实施6.6开始模型训练正样本是指属于某一类别的样本,负样本是指不属于某一类别的样本;例如在做字母A的图像识别,字母A的样本就属于正样本,不是字母A的样本就属于负样本。TP(TruePositive),把正样本判定为正样本;FP(FalseNegative),把正样本判定为负样本;TN(True,Negative),把负样本判定为负样本;FP(FalsePositive)把负样本判定为正样本。正样本的精确度P:表示是判定为正样本的样本中,真正的正样本比率有多少,P=TP/(TP+FP)。召回率R:是指针对所有正样本,有多少正样本被判定正确了,R=TP/(TP+FN)。mAP(meanaverageprecision):是一个平均值,常用作目标检测中的检测精度指标。mAP指标通过对于一个平均目标来检测任务中多个目标所对应不同AP(averageprecision)值进行计算得到。AP衡量的是学出来的模型在一个类别上的好坏,而mAP则衡量学出的模型在所有类别上的好坏。课程导入自动限速识别(ASL)功能的开发实施交通标志的识别方法交通
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