OpenCV DNN C++ 使用 YOLO 模型推理

繁星意未平2023-10-06 4:07

OpenCV DNN C++ 使用 YOLO 模型推理

引言

YOLO（You Only Look Once）是一种流行的目标检测算法，因其速度快和准确度高而被广泛应用。OpenCV 的 DNN（Deep Neural Networks）模块为我们提供了一个简单易用的 API，用于加载和运行预先训练的深度学习模型。本文将详细介绍如何使用 OpenCV 的 DNN 模块来进行 YOLOv5 的目标检测。

准备工作

确保您已经安装了 OpenCV 和 OpenCV 的 DNN 模块。如果您还没有，可以参照 OpenCV 官方文档来进行安装。

核心代码解析

结构体和类定义

cpp 复制代码 
struct DetectResult
{
	int classId;
	float score;
	cv::Rect box;
};

class YOLOv5Detector
{
public:
	void initConfig(std::string onnxpath, int iw, int ih, float threshold);
	void detect(cv::Mat& frame, std::vector<DetectResult>& result);

private:
	int input_w = 640;
	int input_h = 640;
	cv::dnn::Net net;
	int threshold_score = 0.25;
};

我们定义了一个名为 DetectResult 的结构体，用于存储检测结果，其中包括目标的类别 ID、得分和边界框。

YOLOv5Detector 类提供了两个主要的公共方法：

  • initConfig：用于初始化网络模型和一些参数。
  • detect：用于进行目标检测。

初始化配置

cpp 复制代码 
void YOLOv5Detector::initConfig(std::string onnxpath, int iw, int ih, float threshold)
{
    this->input_w = iw;
    this->input_h = ih;
    this->threshold_score = threshold;
    this->net = cv::dnn::readNetFromONNX(onnxpath);
}

在 initConfig 方法中，我们主要进行了以下操作：

  • 设置输入图像的宽度和高度（input_w 和 input_h）。
  • 设置目标检测的置信度阈值（threshold_score）。
  • 通过 cv::dnn::readNetFromONNX 方法加载预训练的 ONNX 模型。

目标检测

cpp 复制代码 
void YOLOv5Detector::detect(cv::Mat& frame, std::vector<DetectResult>& results)
{
	// 图象预处理 - 格式化操作
	int w = frame.cols;
	int h = frame.rows;
	int _max = std::max(h, w);
	cv::Mat image = cv::Mat::zeros(cv::Size(_max, _max), CV_8UC3);
	cv::Rect roi(0, 0, w, h);
	frame.copyTo(image(roi));

	float x_factor = image.cols / 640.0f;
	float y_factor = image.rows / 640.0f;

	cv::Mat blob = cv::dnn::blobFromImage(image, 1 / 255.0, cv::Size(this->input_w, this->input_h), cv::Scalar(0, 0, 0),
	                                      true, false);
	this->net.setInput(blob);
	cv::Mat preds = this->net.forward();

	cv::Mat det_output(preds.size[1], preds.size[2], CV_32F, preds.ptr<float>());
	float confidence_threshold = 0.5;
	std::vector<cv::Rect> boxes;
	std::vector<int> classIds;
	std::vector<float> confidences;
	for (int i = 0; i < det_output.rows; i++)
	{
		float confidence = det_output.at<float>(i, 4);
		if (confidence < 0.45)
		{
			continue;
		}
		cv::Mat classes_scores = det_output.row(i).colRange(5, 8);
		cv::Point classIdPoint;
		double score;
		minMaxLoc(classes_scores, 0, &score, 0, &classIdPoint);

		// 置信度 0～1之间
		if (score > this->threshold_score)
		{
			float cx = det_output.at<float>(i, 0);
			float cy = det_output.at<float>(i, 1);
			float ow = det_output.at<float>(i, 2);
			float oh = det_output.at<float>(i, 3);
			int x = static_cast<int>((cx - 0.5 * ow) * x_factor);
			int y = static_cast<int>((cy - 0.5 * oh) * y_factor);
			int width = static_cast<int>(ow * x_factor);
			int height = static_cast<int>(oh * y_factor);
			cv::Rect box;
			box.x = x;
			box.y = y;
			box.width = width;
			box.height = height;

			boxes.push_back(box);
			classIds.push_back(classIdPoint.x);
			confidences.push_back(score);
		}
	}

	// NMS
	std::vector<int> indexes;
	cv::dnn::NMSBoxes(boxes, confidences, 0.25, 0.45, indexes);
	for (size_t i = 0; i < indexes.size(); i++)
	{
		DetectResult dr;
		int index = indexes[i];
		int idx = classIds[index];
		dr.box = boxes[index];
		dr.classId = idx;
		dr.score = confidences[index];
		cv::rectangle(frame, boxes[index], cv::Scalar(0, 0, 255), 2, 8);
		cv::rectangle(frame, cv::Point(boxes[index].tl().x, boxes[index].tl().y - 20),
		              cv::Point(boxes[index].br().x, boxes[index].tl().y), cv::Scalar(0, 255, 255), -1);
		results.push_back(dr);
	}


	std::ostringstream ss;
	std::vector<double> layersTimings;
	double freq = cv::getTickFrequency() / 1000.0;
	double time = net.getPerfProfile(layersTimings) / freq;
	ss << "FPS: " << 1000 / time << " ; time : " << time << " ms";
	putText(frame, ss.str(), cv::Point(20, 40), cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 2.0, cv::Scalar(255, 0, 0), 2, 8);
}

在 detect 方法中，我们进行了以下几个关键步骤：

  • 对输入图像进行预处理。
  • 使用 cv::dnn::blobFromImage 函数创建一个 4 维 blob。
  • 通过 setInput 和 forward 方法进行前向传播，得到预测结果。

然后，我们对预测结果进行解析，通过非极大值抑制（NMS）得到最终的目标检测结果。

参考资料

完整代码

cpp 复制代码 
#include <fstream>
#include <iostream>
#include <string>
#include <map>
#include <opencv2/opencv.hpp>


struct DetectResult
{
	int classId;
	float score;
	cv::Rect box;
};

class YOLOv5Detector
{
public:
	void initConfig(std::string onnxpath, int iw, int ih, float threshold);
	void detect(cv::Mat& frame, std::vector<DetectResult>& result);

private:
	int input_w = 640;
	int input_h = 640;
	cv::dnn::Net net;
	int threshold_score = 0.25;
};

void YOLOv5Detector::initConfig(std::string onnxpath, int iw, int ih, float threshold)
{
	this->input_w = iw;
	this->input_h = ih;
	this->threshold_score = threshold;
	this->net = cv::dnn::readNetFromONNX(onnxpath);
}

void YOLOv5Detector::detect(cv::Mat& frame, std::vector<DetectResult>& results)
{
	// 图象预处理 - 格式化操作
	int w = frame.cols;
	int h = frame.rows;
	int _max = std::max(h, w);
	cv::Mat image = cv::Mat::zeros(cv::Size(_max, _max), CV_8UC3);
	cv::Rect roi(0, 0, w, h);
	frame.copyTo(image(roi));

	float x_factor = image.cols / 640.0f;
	float y_factor = image.rows / 640.0f;

	cv::Mat blob = cv::dnn::blobFromImage(image, 1 / 255.0, cv::Size(this->input_w, this->input_h), cv::Scalar(0, 0, 0),
	                                      true, false);
	this->net.setInput(blob);
	cv::Mat preds = this->net.forward();

	cv::Mat det_output(preds.size[1], preds.size[2], CV_32F, preds.ptr<float>());
	float confidence_threshold = 0.5;
	std::vector<cv::Rect> boxes;
	std::vector<int> classIds;
	std::vector<float> confidences;
	for (int i = 0; i < det_output.rows; i++)
	{
		float confidence = det_output.at<float>(i, 4);
		if (confidence < 0.45)
		{
			continue;
		}
		cv::Mat classes_scores = det_output.row(i).colRange(5, 8);
		cv::Point classIdPoint;
		double score;
		minMaxLoc(classes_scores, 0, &score, 0, &classIdPoint);

		// 置信度 0～1之间
		if (score > this->threshold_score)
		{
			float cx = det_output.at<float>(i, 0);
			float cy = det_output.at<float>(i, 1);
			float ow = det_output.at<float>(i, 2);
			float oh = det_output.at<float>(i, 3);
			int x = static_cast<int>((cx - 0.5 * ow) * x_factor);
			int y = static_cast<int>((cy - 0.5 * oh) * y_factor);
			int width = static_cast<int>(ow * x_factor);
			int height = static_cast<int>(oh * y_factor);
			cv::Rect box;
			box.x = x;
			box.y = y;
			box.width = width;
			box.height = height;

			boxes.push_back(box);
			classIds.push_back(classIdPoint.x);
			confidences.push_back(score);
		}
	}

	// NMS
	std::vector<int> indexes;
	cv::dnn::NMSBoxes(boxes, confidences, 0.25, 0.45, indexes);
	for (size_t i = 0; i < indexes.size(); i++)
	{
		DetectResult dr;
		int index = indexes[i];
		int idx = classIds[index];
		dr.box = boxes[index];
		dr.classId = idx;
		dr.score = confidences[index];
		cv::rectangle(frame, boxes[index], cv::Scalar(0, 0, 255), 2, 8);
		cv::rectangle(frame, cv::Point(boxes[index].tl().x, boxes[index].tl().y - 20),
		              cv::Point(boxes[index].br().x, boxes[index].tl().y), cv::Scalar(0, 255, 255), -1);
		results.push_back(dr);
	}


	std::ostringstream ss;
	std::vector<double> layersTimings;
	double freq = cv::getTickFrequency() / 1000.0;
	double time = net.getPerfProfile(layersTimings) / freq;
	ss << "FPS: " << 1000 / time << " ; time : " << time << " ms";
	putText(frame, ss.str(), cv::Point(20, 40), cv::FONT_HERSHEY_PLAIN, 2.0, cv::Scalar(255, 0, 0), 2, 8);
}

std::map<int, std::string> classNames = {{0, "-1"}, {1, "0"}, {2, "1"}};

int main(int argc, char* argv[])
{
	std::shared_ptr<YOLOv5Detector> detector = std::make_shared<YOLOv5Detector>();
	detector->initConfig(R"(D:\AllCodeProjects\best.onnx)", 640, 640, 0.25f);

	cv::Mat frame = cv::imread(R"(D:\0002.jpg)");

	std::vector<DetectResult> results;
	detector->detect(frame, results);
	for (DetectResult& dr : results)
	{
		cv::Rect box = dr.box;
		cv::putText(frame, classNames[dr.classId], cv::Point(box.tl().x, box.tl().y - 10), cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX,
		            .5, cv::Scalar(0, 0, 0));
	}
	cv::imshow("OpenCV DNN", frame);
	cv::waitKey();
	results.clear();
}
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