基于YOLOv5的吸烟检测系统设计与实现

一、项目背景

吸烟检测作为保障公共健康和环境安全的重要任务之一，一直备受关注。传统的吸烟检测方法往往依赖人工判断，存在准确性低和实时性差的问题。为了解决这些问题，本项目基于深度学习技术进行了吸烟检测系统的设计与实现，选择了PyTorch作为主要的深度学习框架，并结合了目标检测领域的主流算法YOLOv5来完成吸烟目标的自动识别和定位。通过深入的模型研究和技术实现，我们能够在图像中准确地检测吸烟行为，实现对吸烟活动的实时监测。

二、实现思路

2.1 算法原理

YOLO(You Only Look Once) 是REDMON等提出的目标检测算法，作为单阶段(one-stage)的代表算法，目前 YOLO已经更新到了YOLOv5。相比于Two stage目标检测算法，YOLO是直接从网络中提取特征，并预测物体的类别和具体位置，一步到位。

此后，REDMON在此基础上提出了YOLO9000等检测算法，使系统的检测性能得到进一步提升。在YOLOv3的基础上继续改进升级，并最终得到 YOLOv4。YOLOv4网络结构主要由CSPDarknet53特征提取网、SPP(空间金字塔池化)模块、PANet特征融合模块、Yolo Head分类器组成。
YOLOv5算法使用CSPDarknet(跨阶段局部网络)作为特征提取网络,从输入图像中提取目标信息。如今，YOLOv5无论是在准确率还是速度上，都已经达到较好的效果。所以，本项目采用YOLOv5训练模型，结合YOLOv5算法构建火灾检测系统。

yolov5s的网络结构，它是yolov5系列中深度最小、特征图宽度最小的网络。后面的m、l、x都是在此基础上不断加深、加宽的。网络主要分为输入端、Backbone、Neck、Prediction四个部分。它和yolov3主要不同的地方：

• 输入端：Mosaic数据增强、自适应锚框计算、自适应图片缩放
• Backbone：Focus结构、CSP结构
• Neck：FPN+PAN结构
• Prediction：GIOU_Loss
  YOLOv5 模型在输入端(Input)增加了 Mosaic 数据增强、自适应锚框计算、自适应图片缩放等数据预处理技巧来增强数据，防止过拟合；在特征提取网络部分(Backbone)引入了Focus 模块、跨阶段局部融合网络(CrossStage Partial Network, CSPNet)等方法，在减少了计算量的同时可以保证准确率，使特征能够更好的向后传递。下图为cspnet 结构图：
  
  CSPNet主要目的就是缓解以前需要大量推理计算的问题，它有以下优点：
• 增强了CNN的学习能力，能够在轻量化的同时保持准确性。
• 降低计算瓶颈。
• 降低内存成本。
  CSPNet通过将梯度的变化从头到尾地集成到特征图中，在减少了计算量的同时可以保证准确率。

2.2 系统设计流程图

三、系统设计与实现

3.1 系统设计

系统设计主要使用PyQt5进行前端UI界面的搭建，同时使用PyTorch框架进行YOLOv5算法的训练以及部署。
具体设计采用基于YOLOv5的算法进行火灾检测，并结合PyQt5进行UI界面的制作。系统通过摄像头实时采集森林图像，利用训练好的YOLOv5模型对图像进行火灾检测。检测到火灾后，系统将及时发出警报，并在UI界面上显示火灾发生的位置和相关信息。为了确保系统的稳定性和实时性，我采用了高性能的服务器和存储设备，并优化了模型的检测精度和性能。UI界面设计考虑了用户的易用性和交互体验，采用直观的布局和功能设置，使用户能够通过简单的操作完成火灾监测任务。未来，我将继续改进和优化系统，提高火灾检测的准确性和效率，并探索更多的应用场景和功能扩展。

3.2 数据集获取

数据集是在网上进行的获取，总共随机选出训练集 783张,测试集共200张。

四、系统测试

UI界面：

单张图片预测结果：

视频流监测效果：

总结

待优化的部分:

• 准确性: 吸烟行为的多样性可能导致模型在某些情况下出现误检或漏检。例如，某些吸烟姿势、部分遮挡或特定的光线条件可能使模型难以准确识别。
• 实时性能: 尽管YOLOv5在速度上有所优化，但在某些硬件上或在高分辨率视频流中，实时检测仍可能面临挑战。 环境适应性:
• 不同的背景、场景或文化背景中的吸烟行为可能有所不同，这要求模型具有很强的泛化能力。 小样本问题:
• 如果训练数据不足，模型可能难以学习到所有与吸烟相关的特征，从而影响其性能。

未来工作:

• 数据增强: 通过收集更多的吸烟图像或使用数据增强技术来增加训练样本的多样性，从而提高模型的泛化能力。
• 模型融合与集成: 探索与其他目标检测或图像分类模型的融合策略，以提高检测的准确性。
• 轻量级模型优化: 针对移动或嵌入式设备，可以研究如何进一步优化模型大小和计算复杂性，以实现更快的检测速度。
• 多模态检测: 考虑结合音频、视频或其他传感器数据来增强吸烟检测的准确性。例如，吸烟时产生的特定声音或气味可能与视觉信息相结合，为检测提供额外的线索。
• 更换模型：目前YOLO系列已经更新到YOLOv8阶段，可以使用最新的YOLOv8进行训练，性能会比v5要好很多，本文只是进行一个小实验，所以还是使用的v5。

本文回顾：