跌倒检测

前言

跌倒检测主要根据人体姿态来判断，可以用于老人、小孩跌倒监护。本节我们来学习一下如何通过CanMV AI视觉框架和MicroPython编程快速实现人体关键点检测。

实验目的

检测摄像头拍摄到的画面中的人体并判断是否跌倒，通过画图提示。

实验讲解

本实验通过CanMV K230 AI视觉框架开发，详细说明参考 AI视觉开发框架 章节内容，这里不再重复。例程用到的模型已经存放在CanMV K230的文件系统，无需额外拷贝。

具体编程思路如下：

参考代码

'''
实验名称：跌倒检测
实验平台：01Studio CanMV K230
教程：wiki.01studio.cc
'''

from libs.PipeLine import PipeLine, ScopedTiming
from libs.AIBase import AIBase
from libs.AI2D import Ai2d
import os
import ujson
from media.media import *
from time import *
import nncase_runtime as nn
import ulab.numpy as np
import time
import utime
import image
import random
import gc
import sys
import aicube

# 自定义跌倒检测类，继承自AIBase基类
class FallDetectionApp(AIBase):
    def __init__(self, kmodel_path, model_input_size, labels, anchors, confidence_threshold=0.2, nms_threshold=0.5, nms_option=False, strides=[8,16,32], rgb888p_size=[224,224], display_size=[1920,1080], debug_mode=0):
        super().__init__(kmodel_path, model_input_size, rgb888p_size, debug_mode)  # 调用基类的构造函数
        self.kmodel_path = kmodel_path                      # 模型文件路径
        self.model_input_size = model_input_size            # 模型输入分辨率
        self.labels = labels                                # 分类标签
        self.anchors = anchors                              # 锚点数据，用于跌倒检测
        self.strides = strides                              # 步长设置
        self.confidence_threshold = confidence_threshold    # 置信度阈值
        self.nms_threshold = nms_threshold                  # NMS（非极大值抑制）阈值
        self.nms_option = nms_option                        # NMS选项
        self.rgb888p_size = [ALIGN_UP(rgb888p_size[0], 16), rgb888p_size[1]]  # sensor给到AI的图像分辨率，并对宽度进行16的对齐
        self.display_size = [ALIGN_UP(display_size[0], 16), display_size[1]]  # 显示分辨率，并对宽度进行16的对齐
        self.debug_mode = debug_mode                                          # 是否开启调试模式
        self.color = [(255,0, 0, 255), (255,0, 255, 0), (255,255,0, 0), (255,255,0, 255)]  # 用于绘制不同类别的颜色
        # Ai2d实例，用于实现模型预处理
        self.ai2d = Ai2d(debug_mode)
        # 设置Ai2d的输入输出格式和类型
        self.ai2d.set_ai2d_dtype(nn.ai2d_format.NCHW_FMT, nn.ai2d_format.NCHW_FMT, np.uint8, np.uint8)

    # 配置预处理操作，这里使用了pad和resize，Ai2d支持crop/shift/pad/resize/affine，具体代码请打开/sdcard/app/libs/AI2D.py查看
    def config_preprocess(self, input_image_size=None):
        with ScopedTiming("set preprocess config", self.debug_mode > 0):                    # 计时器，如果debug_mode大于0则开启
            ai2d_input_size = input_image_size if input_image_size else self.rgb888p_size   # 初始化ai2d预处理配置，默认为sensor给到AI的尺寸，可以通过设置input_image_size自行修改输入尺寸
            top, bottom, left, right = self.get_padding_param()                             # 获取padding参数
            self.ai2d.pad([0, 0, 0, 0, top, bottom, left, right], 0, [0,0,0])               # 填充边缘
            self.ai2d.resize(nn.interp_method.tf_bilinear, nn.interp_mode.half_pixel)       # 缩放图像
            self.ai2d.build([1,3,ai2d_input_size[1],ai2d_input_size[0]],[1,3,self.model_input_size[1],self.model_input_size[0]])  # 构建预处理流程

    # 自定义当前任务的后处理，results是模型输出array的列表，这里使用了aicube库的anchorbasedet_post_process接口
    def postprocess(self, results):
        with ScopedTiming("postprocess", self.debug_mode > 0):
            dets = aicube.anchorbasedet_post_process(results[0], results[1], results[2], self.model_input_size, self.rgb888p_size, self.strides, len(self.labels), self.confidence_threshold, self.nms_threshold, self.anchors, self.nms_option)
            return dets

    # 绘制检测结果到画面上
    def draw_result(self, pl, dets):
        with ScopedTiming("display_draw", self.debug_mode > 0):
            if dets:
                pl.osd_img.clear()  # 清除OSD图像
                for det_box in dets:
                    # 计算显示分辨率下的坐标
                    x1, y1, x2, y2 = det_box[2], det_box[3], det_box[4], det_box[5]
                    w = (x2 - x1) * self.display_size[0] // self.rgb888p_size[0]
                    h = (y2 - y1) * self.display_size[1] // self.rgb888p_size[1]
                    x1 = int(x1 * self.display_size[0] // self.rgb888p_size[0])
                    y1 = int(y1 * self.display_size[1] // self.rgb888p_size[1])
                    x2 = int(x2 * self.display_size[0] // self.rgb888p_size[0])
                    y2 = int(y2 * self.display_size[1] // self.rgb888p_size[1])
                    # 绘制矩形框和类别标签
                    pl.osd_img.draw_rectangle(x1, y1, int(w), int(h), color=self.color[det_box[0]], thickness=2)
                    pl.osd_img.draw_string_advanced(x1, y1-50, 32," " + self.labels[det_box[0]] + " " + str(round(det_box[1],2)), color=self.color[det_box[0]])
            else:
                pl.osd_img.clear()

    # 获取padding参数
    def get_padding_param(self):
        dst_w = self.model_input_size[0]
        dst_h = self.model_input_size[1]
        input_width = self.rgb888p_size[0]
        input_high = self.rgb888p_size[1]
        ratio_w = dst_w / input_width
        ratio_h = dst_h / input_high
        if ratio_w < ratio_h:
            ratio = ratio_w
        else:
            ratio = ratio_h
        new_w = int(ratio * input_width)
        new_h = int(ratio * input_high)
        dw = (dst_w - new_w) / 2
        dh = (dst_h - new_h) / 2
        top = int(round(dh - 0.1))
        bottom = int(round(dh + 0.1))
        left = int(round(dw - 0.1))
        right = int(round(dw - 0.1))
        return top, bottom, left, right

if __name__ == "__main__":
    # 显示模式，默认"hdmi",可以选择"hdmi"和"lcd"
    display_mode="lcd"
    if display_mode=="hdmi":
        display_size=[1920,1080]
    else:
        display_size=[800,480]
    # 设置模型路径和其他参数
    kmodel_path = "/sdcard/app/tests/kmodel/yolov5n-falldown.kmodel"
    confidence_threshold = 0.3
    nms_threshold = 0.45
    rgb888p_size = [1920, 1080]
    labels = ["Fall","NoFall"]  # 模型输出类别名称
    anchors = [10, 13, 16, 30, 33, 23, 30, 61, 62, 45, 59, 119, 116, 90, 156, 198, 373, 326]  # anchor设置

    # 初始化PipeLine，用于图像处理流程
    pl = PipeLine(rgb888p_size=rgb888p_size, display_size=display_size, display_mode=display_mode)
    pl.create()
    # 初始化自定义跌倒检测实例
    fall_det = FallDetectionApp(kmodel_path, model_input_size=[640, 640], labels=labels, anchors=anchors, confidence_threshold=confidence_threshold, nms_threshold=nms_threshold, nms_option=False, strides=[8,16,32], rgb888p_size=rgb888p_size, display_size=display_size, debug_mode=0)
    fall_det.config_preprocess()

    clock = time.clock()

    try:
        while True:
            os.exitpoint()                                  # 检查是否有退出信号
            clock.tick()

            img = pl.get_frame()                        # 获取当前帧数据
            res = fall_det.run(img)                     # 推理当前帧
            fall_det.draw_result(pl, res)               # 绘制结果到PipeLine的osd图像
            print(res)                                  # 打印结果
            pl.show_image()                             # 显示当前的绘制结果
            gc.collect()                                # 垃圾回收

            print(clock.fps()) #打印帧率

    except Exception as e:
        sys.print_exception(e)                              # 打印异常信息
    finally:
        fall_det.deinit()                                   # 反初始化
        pl.destroy()                                        # 销毁PipeLine实例

这里对关键代码进行讲解：

• 设置显示方式： 通过改变display_mode的参数选择 hdmi 或 lcd（3.5寸mipi显示屏）显示图像。

    ...

    # 显示模式，默认"hdmi",可以选择"hdmi"和"lcd"
    display_mode="lcd"
    if display_mode=="hdmi":
        display_size=[1920,1080]
    else:
        display_size=[800,480]

    ...    

• 主函数代码：

可以看到使用默认配置后只使用了4行代码便实现了获取当前帧图像、AI推理、绘制结果、显示结果 的识别流程。

代码中res变量为识别结果，可以通过终端打印或结合其它章节内容实现跟其它MCU串口通讯、网络传输。

        ...
        while True:
            os.exitpoint()                              # 检查是否有退出信号
            clock.tick()

            img = pl.get_frame()                        # 获取当前帧数据
            res = fall_det.run(img)                     # 推理当前帧
            fall_det.draw_result(pl, res)               # 绘制结果到PipeLine的osd图像
            print(res)                                  # 打印结果
            pl.show_image()                             # 显示当前的绘制结果
            gc.collect()                                # 垃圾回收

            print(clock.fps()) #打印帧率
        ...

实验结果

运行代码，将摄像头正对下方人体图进行跌倒检测。

原图1：

识别结果1：

原图2：

识别结果2：