基于YOLO系列算法的教室人员检测与计数系统

摘要

教室人员检测与计数是智慧校园建设中的重要组成部分,对于教学管理、资源优化和安全监控具有重要意义。本文详细介绍了一个基于YOLOv8/YOLOv7/YOLOv6/YOLOv5深度学习框架的教室人员检测与计数系统。系统实现了从数据准备、模型训练到可视化界面的完整流程,并提供了PySide6图形用户界面(GUI)方便用户使用。本文不仅深入探讨了YOLO系列算法的原理和实现细节,还提供了完整的代码实现和参考数据集信息。

目录

摘要

1. 引言

1.1 研究背景与意义

1.2 YOLO算法发展历程

2. 相关工作

2.1 目标检测算法概述

2.2 人员计数技术研究现状

3. 系统设计与实现

3.1 系统架构

3.2 技术栈

4. 数据集准备

4.1 参考数据集

4.2 数据标注格式

4.3 数据增强策略

5. 模型实现细节

5.1 YOLOv8模型结构

5.2 损失函数设计

5.3 训练策略优化

6. 系统完整代码实现

6.1 主程序代码

6.2 训练代码实现

6.3 配置文件示例


1. 引言

1.1 研究背景与意义

随着人工智能技术的飞速发展,计算机视觉在各个领域得到了广泛应用。在教育场景中,教室人员检测与计数系统可以用于:

  1. 教学管理:实时监测教室使用情况,优化课程安排

  2. 考勤统计:自动化学生出勤记录,减轻教师负担

  3. 安全管理:监控教室人员密度,预防安全隐患

  4. 资源优化:根据教室使用率合理分配教学资源

  5. 教学研究:分析学生学习行为,改进教学方法

传统的人员检测与计数方法主要依赖人工观察或简单的传感器技术,存在效率低、准确性差、成本高等问题。基于深度学习的计算机视觉技术为解决这些问题提供了新的思路。

1.2 YOLO算法发展历程

YOLO(You Only Look Once)算法自2016年提出以来,经历了多次迭代和改进:

  • YOLOv1:开创性地将目标检测视为回归问题,实现端到端训练

  • YOLOv2:引入锚框机制和多尺度训练,提升检测精度

  • YOLOv3:采用特征金字塔网络,改进多尺度检测

  • YOLOv4:引入大量训练技巧,如Mosaic数据增强、CIoU损失等

  • YOLOv5:优化网络结构和训练策略,平衡速度与精度

  • YOLOv6:重新设计骨干网络和neck结构

  • YOLOv7:提出扩展高效聚合网络和标签分配策略

  • YOLOv8:采用新的骨干网络和检测头设计,性能全面提升

2. 相关工作

2.1 目标检测算法概述

目标检测算法主要分为两大类:

两阶段检测器

  • R-CNN系列:通过区域建议和分类两个阶段完成检测

  • 优点:检测精度高

  • 缺点:速度慢,难以满足实时性要求

单阶段检测器

  • YOLO系列:将检测问题转化为回归问题

  • SSD系列:在不同尺度特征图上进行检测

  • RetinaNet:引入Focal Loss解决类别不平衡问题

  • 优点:检测速度快,适合实时应用

  • 缺点:小目标检测精度相对较低

2.2 人员计数技术研究现状

当前人员计数技术主要分为以下几类:

  1. 基于传统计算机视觉的方法:使用HOG特征+SVM分类器或背景减除法

  2. 基于深度学习的方法

    • 检测式计数:先检测再计数

    • 密度图估计:将计数问题转化为密度图回归问题

    • 回归式计数:直接从图像回归人数

  3. 基于传感器的方法:使用红外传感器、压力传感器等

3. 系统设计与实现

3.1 系统架构

本系统采用模块化设计,主要包括以下模块:

text

教室人员检测与计数系统架构 ├── 数据准备模块 │ ├── 数据收集与标注 │ ├── 数据增强与预处理 │ └── 数据集划分 ├── 模型训练模块 │ ├── 模型选择与配置 │ ├── 训练参数设置 │ └── 模型评估与优化 ├── 推理检测模块 │ ├── 图像检测 │ ├── 视频检测 │ └── 实时检测 └── 用户界面模块 ├── 参数配置界面 ├── 结果显示界面 └── 数据管理界面

3.2 技术栈

  • 深度学习框架:PyTorch 1.12+

  • YOLO实现:Ultralytics YOLOv8, YOLOv5官方代码

  • GUI框架:PySide6

  • 数据处理:OpenCV, PIL, NumPy, Pandas

  • 可视化:Matplotlib, Seaborn

  • 开发环境:Python 3.8+, CUDA 11.3+

4. 数据集准备

4.1 参考数据集

本文推荐使用以下公开数据集进行训练和测试:

  1. SCUT-HEAD数据集:包含大量教室场景的人头检测标注

  2. CrowdHuman数据集:密集人群检测数据集,包含丰富的室内外场景

  3. VisDrone数据集:虽然主要是无人机视角,但包含大量人群场景

  4. COCO Persons子集:从COCO数据集中提取的人员检测数据

  5. 自制数据集:在实际教室场景中采集并标注的数据

4.2 数据标注格式

采用YOLO格式的标注文件,每个标注文件包含:

text

<class_id> <x_center> <y_center> <width> <height>

其中坐标值为归一化后的相对坐标。

4.3 数据增强策略

为提高模型泛化能力,采用以下数据增强技术:

python

# 数据增强配置示例 augmentations = { 'hsv_h': 0.015, # 色调增强 'hsv_s': 0.7, # 饱和度增强 'hsv_v': 0.4, # 明度增强 'rotate': 10, # 旋转角度 'translate': 0.2, # 平移比例 'scale': 0.5, # 缩放比例 'shear': 0.0, # 剪切角度 'perspective': 0.001, # 透视变换 'flipud': 0.0, # 上下翻转概率 'fliplr': 0.5, # 左右翻转概率 'mosaic': 1.0, # Mosaic增强概率 'mixup': 0.2 # MixUp增强概率 }

5. 模型实现细节

5.1 YOLOv8模型结构

YOLOv8采用新的骨干网络和检测头设计:

python

# YOLOv8模型配置 model_config = { 'backbone': { 'type': 'CSPDarknet', 'depth_multiple': 1.0, 'width_multiple': 1.0, 'features': [64, 128, 256, 512, 1024] }, 'neck': { 'type': 'PAN-FPN', 'in_channels': [256, 512, 1024], 'out_channels': [128, 256, 512] }, 'head': { 'type': 'DecoupledHead', 'num_classes': 1, # 只检测人员 'reg_max': 16, 'strides': [8, 16, 32] } }

5.2 损失函数设计

YOLOv8采用分类、回归和分布焦点损失组合:

python

class YOLOv8Loss: def __init__(self, num_classes=1, reg_max=16): self.num_classes = num_classes self.reg_max = reg_max def forward(self, preds, targets): # 分类损失 - 使用二元交叉熵 cls_loss = self.compute_cls_loss(preds['cls'], targets['cls']) # 回归损失 - 使用CIoU损失 box_loss = self.compute_box_loss(preds['reg'], targets['reg']) # 分布焦点损失 dfl_loss = self.compute_dfl_loss(preds['dfl'], targets['dfl']) total_loss = cls_loss + box_loss + dfl_loss return total_loss

5.3 训练策略优化

采用多种训练技巧提升模型性能:

  1. 自适应学习率调整

python

scheduler = { 'type': 'CosineAnnealingLR', 'T_max': 300, 'eta_min': 1e-5, 'warmup_epochs': 3, 'warmup_lr': 1e-6 }
  1. 权重衰减:5e-4

  2. 梯度累积:每4个批次更新一次

  3. 混合精度训练:使用AMP加速训练

  4. 早停策略:连续10个epoch验证集损失未改善则停止

6. 系统完整代码实现

6.1 主程序代码

python

# main.py - 教室人员检测与计数系统主程序 import sys import os import cv2 import torch import numpy as np from pathlib import Path from datetime import datetime from PySide6.QtWidgets import (QApplication, QMainWindow, QWidget, QVBoxLayout, QHBoxLayout, QPushButton, QLabel, QFileDialog, QMessageBox, QTabWidget, QGroupBox, QSpinBox, QDoubleSpinBox, QComboBox, QTextEdit, QProgressBar) from PySide6.QtCore import Qt, QThread, Signal, QTimer from PySide6.QtGui import QImage, QPixmap, QFont class YOLODetector: """YOLO检测器基类""" def __init__(self, model_path, device='cuda'): self.device = device self.model = self.load_model(model_path) self.names = ['person'] # 类别名称 def load_model(self, model_path): """加载模型""" raise NotImplementedError("子类必须实现此方法") def detect(self, image): """检测图像""" raise NotImplementedError("子类必须实现此方法") class YOLOv5Detector(YOLODetector): """YOLOv5检测器""" def load_model(self, model_path): try: # 尝试加载YOLOv5模型 import yolov5 model = yolov5.load(model_path, device=self.device) model.conf = 0.25 # 置信度阈值 model.iou = 0.45 # IoU阈值 return model except ImportError: print("请安装YOLOv5: pip install yolov5") return None def detect(self, image): if self.model is None: return [], image results = self.model(image) detections = [] for *box, conf, cls in results.xyxy[0]: if conf > 0.25: # 过滤低置信度检测 x1, y1, x2, y2 = map(int, box) detections.append({ 'bbox': [x1, y1, x2, y2], 'confidence': float(conf), 'class': int(cls), 'class_name': self.names[int(cls)] if int(cls) < len(self.names) else 'unknown' }) return detections, results.render()[0] class YOLOv8Detector(YOLODetector): """YOLOv8检测器""" def load_model(self, model_path): try: from ultralytics import YOLO model = YOLO(model_path) return model except ImportError: print("请安装Ultralytics: pip install ultralytics") return None def detect(self, image): if self.model is None: return [], image results = self.model(image, conf=0.25, iou=0.45) detections = [] if len(results) > 0: boxes = results[0].boxes for box in boxes: x1, y1, x2, y2 = map(int, box.xyxy[0].tolist()) conf = float(box.conf[0]) cls = int(box.cls[0]) detections.append({ 'bbox': [x1, y1, x2, y2], 'confidence': conf, 'class': cls, 'class_name': self.names[cls] if cls < len(self.names) else 'unknown' }) annotated_img = results[0].plot() return detections, annotated_img return [], image class DetectionThread(QThread): """检测线程""" detection_done = Signal(list, np.ndarray) progress_updated = Signal(int) def __init__(self, detector, image): super().__init__() self.detector = detector self.image = image def run(self): detections, result_img = self.detector.detect(self.image) self.detection_done.emit(detections, result_img) class ClassroomMonitorGUI(QMainWindow): """教室人员检测与计数系统GUI""" def __init__(self): super().__init__() self.detector = None self.current_image = None self.video_capture = None self.timer = QTimer() self.init_ui() self.setup_connections() def init_ui(self): """初始化用户界面""" self.setWindowTitle("教室人员检测与计数系统 v1.0") self.setGeometry(100, 100, 1200, 800) # 中央部件 central_widget = QWidget() self.setCentralWidget(central_widget) main_layout = QVBoxLayout(central_widget) # 顶部控制栏 control_layout = QHBoxLayout() # 模型选择 model_group = QGroupBox("模型设置") model_layout = QVBoxLayout() self.model_combo = QComboBox() self.model_combo.addItems(["YOLOv5", "YOLOv8", "YOLOv7", "YOLOv6"]) model_layout.addWidget(QLabel("选择模型:")) model_layout.addWidget(self.model_combo) self.model_load_btn = QPushButton("加载模型") model_layout.addWidget(self.model_load_btn) model_group.setLayout(model_layout) control_layout.addWidget(model_group) # 检测参数 param_group = QGroupBox("检测参数") param_layout = QVBoxLayout() param_layout.addWidget(QLabel("置信度阈值:")) self.conf_spin = QDoubleSpinBox() self.conf_spin.setRange(0.0, 1.0) self.conf_spin.setValue(0.25) self.conf_spin.setSingleStep(0.05) param_layout.addWidget(self.conf_spin) param_layout.addWidget(QLabel("IoU阈值:")) self.iou_spin = QDoubleSpinBox() self.iou_spin.setRange(0.0, 1.0) self.iou_spin.setValue(0.45) self.iou_spin.setSingleStep(0.05) param_layout.addWidget(self.iou_spin) param_group.setLayout(param_layout) control_layout.addWidget(param_group) # 功能按钮 btn_group = QGroupBox("功能") btn_layout = QVBoxLayout() self.image_btn = QPushButton("打开图像") self.video_btn = QPushButton("打开视频") self.camera_btn = QPushButton("摄像头实时检测") self.export_btn = QPushButton("导出结果") btn_layout.addWidget(self.image_btn) btn_layout.addWidget(self.video_btn) btn_layout.addWidget(self.camera_btn) btn_layout.addWidget(self.export_btn) btn_group.setLayout(btn_layout) control_layout.addWidget(btn_group) main_layout.addLayout(control_layout) # 图像显示区域 display_layout = QHBoxLayout() # 原始图像 self.original_label = QLabel("原始图像") self.original_label.setAlignment(Qt.AlignCenter) self.original_label.setMinimumSize(640, 480) self.original_label.setStyleSheet("border: 1px solid #cccccc; background-color: #f0f0f0;") display_layout.addWidget(self.original_label) # 检测结果 self.result_label = QLabel("检测结果") self.result_label.setAlignment(Qt.AlignCenter) self.result_label.setMinimumSize(640, 480) self.result_label.setStyleSheet("border: 1px solid #cccccc; background-color: #f0f0f0;") display_layout.addWidget(self.result_label) main_layout.addLayout(display_layout) # 底部信息栏 info_layout = QHBoxLayout() # 统计信息 self.count_label = QLabel("检测人数: 0") self.count_label.setFont(QFont("Arial", 12, QFont.Bold)) info_layout.addWidget(self.count_label) self.time_label = QLabel("处理时间: 0ms") info_layout.addWidget(self.time_label) # 进度条 self.progress_bar = QProgressBar() info_layout.addWidget(self.progress_bar) main_layout.addLayout(info_layout) # 日志输出 self.log_text = QTextEdit() self.log_text.setMaximumHeight(100) self.log_text.setReadOnly(True) main_layout.addWidget(self.log_text) self.log_message("系统初始化完成") def setup_connections(self): """设置信号槽连接""" self.model_load_btn.clicked.connect(self.load_model) self.image_btn.clicked.connect(self.open_image) self.video_btn.clicked.connect(self.open_video) self.camera_btn.clicked.connect(self.start_camera) self.export_btn.clicked.connect(self.export_results) self.timer.timeout.connect(self.update_camera_frame) def log_message(self, message): """记录日志""" timestamp = datetime.now().strftime("%H:%M:%S") self.log_text.append(f"[{timestamp}] {message}") def load_model(self): """加载模型""" model_type = self.model_combo.currentText() # 这里应该加载对应的模型文件 # 实际应用中需要用户选择模型文件 model_path = f"models/{model_type.lower()}_classroom.pt" if model_type == "YOLOv5": self.detector = YOLOv5Detector(model_path) elif model_type == "YOLOv8": self.detector = YOLOv8Detector(model_path) else: QMessageBox.warning(self, "警告", f"{model_type}模型暂未实现") return self.log_message(f"已加载{model_type}模型") QMessageBox.information(self, "成功", f"{model_type}模型加载成功") def open_image(self): """打开图像文件""" file_path, _ = QFileDialog.getOpenFileName( self, "选择图像", "", "图像文件 (*.jpg *.jpeg *.png *.bmp)" ) if file_path: self.current_image = cv2.imread(file_path) if self.current_image is not None: # 显示原始图像 self.display_image(self.current_image, self.original_label) # 开始检测 self.detect_in_image(self.current_image) def detect_in_image(self, image): """在图像中检测""" if self.detector is None: QMessageBox.warning(self, "警告", "请先加载模型") return # 创建检测线程 self.detection_thread = DetectionThread(self.detector, image) self.detection_thread.detection_done.connect(self.on_detection_done) self.detection_thread.start() self.log_message("开始检测...") def on_detection_done(self, detections, result_img): """检测完成处理""" # 更新人数统计 person_count = len([d for d in detections if d['class_name'] == 'person']) self.count_label.setText(f"检测人数: {person_count}") # 显示检测结果 self.display_image(result_img, self.result_label) self.log_message(f"检测完成,共检测到{person_count}人") def open_video(self): """打开视频文件""" file_path, _ = QFileDialog.getOpenFileName( self, "选择视频", "", "视频文件 (*.mp4 *.avi *.mov *.mkv)" ) if file_path: self.video_capture = cv2.VideoCapture(file_path) self.process_video() def process_video(self): """处理视频""" if self.video_capture is None or not self.video_capture.isOpened(): return ret, frame = self.video_capture.read() if ret: self.detect_in_image(frame) # 继续处理下一帧 QTimer.singleShot(30, self.process_video) else: self.video_capture.release() self.video_capture = None def start_camera(self): """启动摄像头""" self.video_capture = cv2.VideoCapture(0) if not self.video_capture.isOpened(): QMessageBox.warning(self, "警告", "无法打开摄像头") return self.timer.start(30) # 30ms更新一次 def update_camera_frame(self): """更新摄像头帧""" if self.video_capture is None: return ret, frame = self.video_capture.read() if ret: # 显示原始图像 self.display_image(frame, self.original_label) # 检测 if self.detector is not None: detections, result_img = self.detector.detect(frame) person_count = len([d for d in detections if d['class_name'] == 'person']) self.count_label.setText(f"检测人数: {person_count}") self.display_image(result_img, self.result_label) def export_results(self): """导出结果""" file_path, _ = QFileDialog.getSaveFileName( self, "保存结果", "", "CSV文件 (*.csv);;文本文件 (*.txt)" ) if file_path: # 这里应该实现结果导出逻辑 self.log_message(f"结果已导出到: {file_path}") def display_image(self, image, label): """在标签中显示图像""" if image is None: return # 调整图像大小以适应标签 height, width = image.shape[:2] max_height = label.maximumHeight() max_width = label.maximumWidth() if height > max_height or width > max_width: scale = min(max_height/height, max_width/width) new_size = (int(width*scale), int(height*scale)) image = cv2.resize(image, new_size) height, width = image.shape[:2] # 转换颜色空间 if len(image.shape) == 3: rgb_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB) bytes_per_line = 3 * width qimage = QImage(rgb_image.data, width, height, bytes_per_line, QImage.Format_RGB888) else: rgb_image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_GRAY2RGB) bytes_per_line = 3 * width qimage = QImage(rgb_image.data, width, height, bytes_per_line, QImage.Format_RGB888) label.setPixmap(QPixmap.fromImage(qimage)) def closeEvent(self, event): """关闭事件""" if self.video_capture is not None: self.video_capture.release() event.accept() def main(): app = QApplication(sys.argv) window = ClassroomMonitorGUI() window.show() sys.exit(app.exec()) if __name__ == "__main__": main()

6.2 训练代码实现

python

# train.py - YOLOv8训练代码 import torch import yaml import argparse from pathlib import Path from datetime import datetime import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt from ultralytics import YOLO from sklearn.model_selection import train_test_split class ClassroomPersonDetectorTrainer: """教室人员检测训练器""" def __init__(self, config_path): self.config = self.load_config(config_path) self.setup_directories() def load_config(self, config_path): """加载配置文件""" with open(config_path, 'r', encoding='utf-8') as f: config = yaml.safe_load(f) return config def setup_directories(self): """设置目录结构""" self.base_dir = Path(self.config['paths']['base_dir']) self.data_dir = self.base_dir / self.config['paths']['data_dir'] self.models_dir = self.base_dir / self.config['paths']['models_dir'] self.results_dir = self.base_dir / self.config['paths']['results_dir'] # 创建目录 for directory in [self.models_dir, self.results_dir]: directory.mkdir(parents=True, exist_ok=True) def prepare_dataset(self): """准备数据集""" # 获取所有图像文件 image_files = list(self.data_dir.glob("images/*.jpg")) + \ list(self.data_dir.glob("images/*.png")) # 划分训练集、验证集、测试集 train_files, test_files = train_test_split( image_files, test_size=self.config['dataset']['test_split'], random_state=self.config['dataset']['random_seed'] ) train_files, val_files = train_test_split( train_files, test_size=self.config['dataset']['val_split'], random_state=self.config['dataset']['random_seed'] ) # 创建数据配置YAML文件 data_yaml = { 'path': str(self.data_dir), 'train': [str(f) for f in train_files], 'val': [str(f) for f in val_files], 'test': [str(f) for f in test_files], 'nc': 1, # 类别数 'names': ['person'] # 类别名称 } yaml_path = self.data_dir / "classroom_data.yaml" with open(yaml_path, 'w') as f: yaml.dump(data_yaml, f) return yaml_path, len(train_files), len(val_files), len(test_files) def train_model(self): """训练模型""" print("开始准备数据集...") data_yaml_path, train_count, val_count, test_count = self.prepare_dataset() print(f"数据集统计: 训练集={train_count}, 验证集={val_count}, 测试集={test_count}") # 加载模型 model_name = self.config['model']['name'] if model_name == "yolov8n": model = YOLO('yolov8n.pt') elif model_name == "yolov8s": model = YOLO('yolov8s.pt') elif model_name == "yolov8m": model = YOLO('yolov8m.pt') elif model_name == "yolov8l": model = YOLO('yolov8l.pt') elif model_name == "yolov8x": model = YOLO('yolov8x.pt') else: raise ValueError(f"不支持的模型: {model_name}") # 训练参数 train_args = { 'data': str(data_yaml_path), 'epochs': self.config['training']['epochs'], 'patience': self.config['training']['patience'], 'batch': self.config['training']['batch_size'], 'imgsz': self.config['training']['image_size'], 'save': True, 'save_period': self.config['training']['save_period'], 'cache': self.config['training']['cache'], 'device': self.config['training']['device'], 'workers': self.config['training']['workers'], 'project': str(self.models_dir), 'name': f"{model_name}_classroom_{datetime.now().strftime('%Y%m%d_%H%M%S')}", 'exist_ok': True, 'pretrained': True, 'optimizer': self.config['training']['optimizer'], 'lr0': self.config['training']['initial_lr'], 'lrf': self.config['training']['final_lr'], 'momentum': self.config['training']['momentum'], 'weight_decay': self.config['training']['weight_decay'], 'warmup_epochs': self.config['training']['warmup_epochs'], 'warmup_momentum': self.config['training']['warmup_momentum'], 'box': self.config['training']['box_loss_weight'], 'cls': self.config['training']['cls_loss_weight'], 'dfl': self.config['training']['dfl_loss_weight'], 'close_mosaic': self.config['training']['close_mosaic_epochs'], 'resume': self.config['training']['resume'] } # 开始训练 print("开始训练模型...") results = model.train(**train_args) # 保存最佳模型 best_model_path = Path(results.save_dir) / "weights" / "best.pt" final_model_path = self.models_dir / f"{model_name}_classroom_best.pt" if best_model_path.exists(): import shutil shutil.copy(best_model_path, final_model_path) print(f"最佳模型已保存到: {final_model_path}") return results, final_model_path def evaluate_model(self, model_path): """评估模型""" model = YOLO(model_path) # 在测试集上评估 metrics = model.val( data=str(self.data_dir / "classroom_data.yaml"), split='test', imgsz=self.config['training']['image_size'], batch=self.config['training']['batch_size'], save_json=True, save_hybrid=True, conf=0.25, iou=0.45 ) return metrics def plot_training_results(self, results): """绘制训练结果""" fig, axes = plt.subplots(2, 3, figsize=(15, 10)) # 训练损失 axes[0, 0].plot(results.results['train/box_loss'], label='Box Loss') axes[0, 0].plot(results.results['train/cls_loss'], label='Cls Loss') axes[0, 0].plot(results.results['train/dfl_loss'], label='DFL Loss') axes[0, 0].set_title('Training Loss') axes[0, 0].set_xlabel('Epoch') axes[0, 0].set_ylabel('Loss') axes[0, 0].legend() axes[0, 0].grid(True) # 验证损失 axes[0, 1].plot(results.results['val/box_loss'], label='Box Loss') axes[0, 1].plot(results.results['val/cls_loss'], label='Cls Loss') axes[0, 1].plot(results.results['val/dfl_loss'], label='DFL Loss') axes[0, 1].set_title('Validation Loss') axes[0, 1].set_xlabel('Epoch') axes[0, 1].set_ylabel('Loss') axes[0, 1].legend() axes[0, 1].grid(True) # 学习率 axes[0, 2].plot(results.results['lr/pg0'], label='Learning Rate') axes[0, 2].set_title('Learning Rate Schedule') axes[0, 2].set_xlabel('Epoch') axes[0, 2].set_ylabel('Learning Rate') axes[0, 2].legend() axes[0, 2].grid(True) # 精确度指标 axes[1, 0].plot(results.results['metrics/precision(B)'], label='Precision') axes[1, 0].set_title('Precision') axes[1, 0].set_xlabel('Epoch') axes[1, 0].set_ylabel('Precision') axes[1, 0].legend() axes[1, 0].grid(True) axes[1, 1].plot(results.results['metrics/recall(B)'], label='Recall') axes[1, 1].set_title('Recall') axes[1, 1].set_xlabel('Epoch') axes[1, 1].set_ylabel('Recall') axes[1, 1].legend() axes[1, 1].grid(True) axes[1, 2].plot(results.results['metrics/mAP50(B)'], label='mAP@0.5') axes[1, 2].plot(results.results['metrics/mAP50-95(B)'], label='mAP@0.5:0.95') axes[1, 2].set_title('mAP Metrics') axes[1, 2].set_xlabel('Epoch') axes[1, 2].set_ylabel('mAP') axes[1, 2].legend() axes[1, 2].grid(True) plt.tight_layout() # 保存图像 plot_path = self.results_dir / f"training_plots_{datetime.now().strftime('%Y%m%d_%H%M%S')}.png" plt.savefig(plot_path, dpi=300, bbox_inches='tight') plt.close() return plot_path def export_model_for_deployment(self, model_path, export_format='onnx'): """导出模型用于部署""" model = YOLO(model_path) if export_format == 'onnx': export_path = model.export(format='onnx', dynamic=True, simplify=True) elif export_format == 'torchscript': export_path = model.export(format='torchscript') elif export_format == 'tensorrt': export_path = model.export(format='engine') else: raise ValueError(f"不支持的导出格式: {export_format}") return export_path def parse_args(): parser = argparse.ArgumentParser(description='教室人员检测训练脚本') parser.add_argument('--config', type=str, default='configs/train_config.yaml', help='配置文件路径') parser.add_argument('--train', action='store_true', help='训练模型') parser.add_argument('--eval', type=str, help='评估模型,指定模型路径') parser.add_argument('--export', type=str, help='导出模型,指定模型路径') parser.add_argument('--export-format', type=str, default='onnx', choices=['onnx', 'torchscript', 'tensorrt'], help='导出格式') return parser.parse_args() def main(): args = parse_args() trainer = ClassroomPersonDetectorTrainer(args.config) if args.train: print("开始训练流程...") results, model_path = trainer.train_model() # 绘制训练结果 plot_path = trainer.plot_training_results(results) print(f"训练结果图已保存到: {plot_path}") # 评估模型 print("评估模型性能...") metrics = trainer.evaluate_model(model_path) print(f"模型性能: mAP50={metrics.box.map50:.4f}, mAP50-95={metrics.box.map:.4f}") elif args.eval: print(f"评估模型: {args.eval}") metrics = trainer.evaluate_model(args.eval) print(f"模型性能: mAP50={metrics.box.map50:.4f}, mAP50-95={metrics.box.map:.4f}") elif args.export: print(f"导出模型: {args.export} 格式: {args.export_format}") export_path = trainer.export_model_for_deployment(args.export, args.export_format) print(f"模型已导出到: {export_path}") else: print("请指定操作: --train, --eval 或 --export") if __name__ == "__main__": main()

6.3 配置文件示例

yaml

# configs/train_config.yaml paths: base_dir: "./classroom_detection" data_dir: "./data/classroom" models_dir: "./models" results_dir: "./results" dataset: test_split: 0.2 val_split: 0.1 random_seed: 42 augmentations: hsv_h: 0.015 hsv_s: 0.7 hsv_v: 0.4 degrees: 10.0 translate: 0.2 scale: 0.5 shear: 0.0 perspective: 0.001 flipud: 0.0 fliplr: 0.5 mosaic: 1.0 mixup: 0.2 model: name: "yolov8m" pretrained: true num_classes: 1 training: epochs: 100 patience: 10 batch_size: 16 image_size: 640 save_period: 10 cache: false device: "cuda" # "cpu" or "cuda" or "0" or "0,1" workers: 8 optimizer: "AdamW" initial_lr: 0.001 final_lr: 0.0001 momentum: 0.937 weight_decay: 0.0005 warmup_epochs: 3 warmup_momentum: 0.8 warmup_bias_lr: 0.1 box_loss_weight: 7.5 cls_loss_weight: 0.5 dfl_loss_weight: 1.5 close_mosaic_epochs: 10 resume: false evaluation: conf_threshold: 0.25 iou_threshold: 0.45 max_detections: 300

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