TensorFlow+OpenCV实现睡意检测系统

导读

本文主要介绍如何使用 Python、OpenCV、TensorFlow和Keras实现一个睡意检测系统。（公众号：OpenCV与AI深度学习）

背景介绍

    如今，司机的嗜睡是造成交通事故的主要原因之一。长时间开车的司机在方向盘后打瞌睡是很常见的但却非常危险。在本文中，我们将构建一个睡意检测系统，该系统会在驾驶员睡着后立即发出警报。​

    睡意是通过使用基于视觉的技术来识别的，例如眼睛检测、打哈欠和点头。当谈到打哈欠和点头时，有些人可以不打哈欠和点头就睡觉。

    另一种方法是使用生理传感器，如生物传感器。这里的缺点是司机可能会犹豫穿它们，或者他可能会忘记穿它们。与其他技术相比，通过眼睛检测来检测睡意是最好的。

    让我们开始吧。

系统要求​

• Python
• OpenCV：OpenCV 是用于图像处理和执行许多计算机视觉任务的出色工具。它是一个开源库，可用于执行面部检测、对象跟踪等任务以及更多任务。
• TensorFlow：Tensorflow 是一个免费的开源库，由 Google Brain 团队开发，用于机器学习和人工智能。Tensorflow 特别关注深度神经网络的训练和推理。
• Keras：Keras 是一个开源软件库，它为人工神经网络提供Python 接口。Keras 更加用户友好，因为它是一个内置的 Python 库。

迁移学习

    在这个项目中，我们将使用迁移学习来构建模型。迁移学习是一种机器学习方法，我们将预训练模型用于具有相关问题陈述的新模型。

    例如，用于识别汽车的模型可用于识别卡车。

    这里主要关注在解决一个问题时获得的知识，它适用于不同但相关的问题。

实现方法

    该项目的方法是使用网络摄像头捕获第一个视频，并使用 Harcascade 算法从视频中检测第一张脸，然后检测眼睛。然后我们使用我们的深度学习模型，该模型是使用迁移学习构建的，以了解眼睛的状态。如果它是睁着的眼睛，它会说激活，如果它是闭着的眼睛，它会检查几秒钟，然后它会说司机昏昏欲睡，并会发出警报。

    我们将使用 Python、OpenCV、TensorFlow 和 Keras 来构建一个系统，该系统可以检测驾驶员的闭眼情况，并在他们在驾驶时睡着时提醒他们。如果驾驶员的眼睛是闭着的，这个系统会立即通知驾驶员。我们现在要使用的 OpenCV 将通过附加的网络摄像头监控和收集驾驶员的图像，并将它们输入深度学习模型，然后模型会将驾驶员的眼睛分类为“睁眼”或“闭眼”。

数据集

    对于这个项目，我们将使用 MRL Eye 数据集。MRL Eye 数据集是一个包含人眼图像的大规模数据集。使用此链接下载数据集。http://mrl.cs.vsb.cz/eyedataset

    该数据集包含 37 个不同人的 84898 个眼睛图像，其中 33 个是男性，4 个是女性。它包含所有类型的图像，例如打开、关闭、戴眼镜、不戴眼镜以及不同照明条件下的图像。

下载后将所有图像分成闭合和睁开的眼睛进入两个单独的文件夹。

详细步骤

    首先导入所需的库：

import tensorflow as tf
import cv2
import os
import matplotlib.pyplot as plt
import numpy as np

    读取数据集中的所有图像：

Datadirectory = "mrlEyeDataset2/"
Classes = ["Closed_Eyes", "Open_Eyes"]
for category in Classes:
    path = os.path.join(Datadirectory, category)
    for img in os.listdir(path):
        img_array = cv2.imread(os.path.join(path,img), cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
        backtorgb = cv2.cvtColor(img_array, cv2.COLOR_GRAY2RGB)
        plt.imshow(img_array, cmap="gray")
        plt.show()
        break
    break

    调整图像大小，将所有图像的大小调整为 224 x 224，以便更好地提取特征。

img_size = 224
new_array = cv2.resize(backtorgb, (img_size, img_size))
plt.imshow(new_array, cmap="gray")
plt.show()

    创建训练数据：

training_Data = []
def create_training_Data():
   for category in Classes:
       path = os.path.join(Datadirectory, category)
       class_num = Classes.index(category) # 0 1,
       for img in os.listdir(path):
           try:
               img_array = cv2.imread(os.path.join(path, img), cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
               backtorgb = cv2.cvtColor(img_array,cv2.COLOR_GRAY2RGB)
               new_array = cv2.resize(backtorgb, (img_size, img_size))
               training_Data.append([new_array,class_num])
           except Exception as e:
               pass
create_training_Data()

    随机选取数据以避免过拟合：

import random
random.shuffle(training_Data)

    创建数组来存储特征和标签：

X = [] 
y = [] 
for features,label in training_Data: 
  X.append(features) 
  y.append(label) 
X = np.array(X).reshape(-1, img_size, img_size, 3)

    导入构建模型所需的库。导入模型并更改最后一个全连接（fc）层并构建新模型。然后使用二元交叉熵损失函数和adam优化器编译模型，然后将模型训练5个epoch，然后保存模型，这样就不需要一次又一次地训练。

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers

model = tf.keras.applications.mobilenet.MobileNet()
base_input = model.layers[0].input ##input
base_output = model.layers[-4].output
Flat_layers = layers.Flatten()(base_output)
final_output = layers.Dense(1)(Flat_layers)
final_output = layers.Activation('sigmoid')(final_output)
new_model = keras.Model(inputs = base_input, outputs = final_output)
new_model.compile(loss="binary_crossentropy", optimizer= "adam", metrics=["accuracy"])
new_model.fit(X,Y, epochs = 5, validation_split = 0.2) ##training
new_model.save('my_model.h5')

img_array = cv2.imread('mrlEyeDataset/Closed_Eyes/s0001_00080_0_0_0_0_0_01.png', cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
backtorgb = cv2.cvtColor(img_array, cv2.COLOR_GRAY2RGB)
new_array = cv2.resize(backtorgb, (img_size, img_size))
X_input = np.array(new_array).reshape(1, img_size, img_size, 3)
X_input = X_input/255.0 #normalizing data
prediction = new_model.predict(X_input)

    检测和警报

    现在让我们看看检测和警报的实现。这里我们将定时器设置为 2 秒和 5 帧/秒。如果眼睛连续闭上 2 秒，这意味着如果模型连续捕捉到 10 个闭眼帧，它将通过发出警报声来提醒驾驶员。

import winsound
frequency = 2500  # Set frequency to 2500
duration = 1500  # Set duration to 1500 ms == 1.5 sec
import numpy as np
import cv2
path = "haarcascade_frontalface_default.xml"
faceCascade = cv2.CascadeClassifier(cv2.data.haarcascades + "haarcascade_frontalface_default.xml")
cap = cv2.VideoCapture(1)
#check if webcam is opened correctly
if not cap.isOpened():
    cap = cv2.VideoCapture(0)
cap.set(cv2.CAP_PROP_FPS, 5)
counter = 0
while True:
    ret,frame = cap.read()
    eye_cascade = cv2.CascadeClassifier(cv2.data.haarcascades + 'haarcascade_eye.xml')
    gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    eyes = eye_cascade.detectMultiScale(gray, 1.1, 4)
    for x,y,w,h in eyes:
        roi_gray = gray[y:y+h, x:x+w]
        roi_color = frame[y:y+h, x:x+w]
        cv2.rectangle(frame, (x,y), (x+w,y+h), (0, 255, 0), 2)
        eyess = eye_cascade.detectMultiScale(roi_gray)
        if len(eyess) == 0:
            print("Eyes are not detected")
        else:
            for (ex, ey, ew, eh) in eyess:
                eyes_roi = roi_color[ey: ey+eh, ex: ex+ew]
    gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    if(faceCascade.empty()==False):
        print("detected")
    faces = faceCascade.detectMultiScale(gray, 1.1, 4)
    # Draw a rectangle around eyes
    for (x,y,w,h) in faces:
        cv2.rectangle(frame, (x, y), (x+w, y+h), (0, 255, 0), 2)
    font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
    final_image = cv2.resize(eyes_roi, (224,224))
    final_image = np.expand_dims(final_image, axis=0)
    final_image = final_image/255.0
    Predictions = new_model.predict(final_image)
    if (Predictions>=0.3):
        status = "Open Eyes"
        cv2.putText(frame,
                status,
                (150,150),
                font, 3,
                (0, 255, 0),
                2,
                cv2.LINE_4)
        x1,y1,w1,h1 = 0,0,175,75
        cv2.rectangle(frame, (x1, y1), (x1 + w1, y1 + h1), (0,0,0), -1)
        #Add text
        cv2.putText(frame, 'Active', (x1 + int(w1/10),y1 + int(h1/2)), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0,255,0), 2)
    elif Predictions<0.3:
        counter = counter + 1
        status = "Closed Eyes"
        cv2.putText(frame,
                status,
                (150,150),
                font, 3,
                (0, 0, 255),
                2,
                cv2.LINE_4)
        x1,y1,w1,h1 = 0,0,175,75
        cv2.rectangle(frame, (x1,y1), (x1 + w1, y1 + h1), (0,0,255), 2)
        if counter > 10:
            x1,y1,w1,h1 = 0,0,175,75
            #Draw black background rectangle
            cv2.rectangle(frame, (x1, y1), (x1 + w1, y1 + h1), (0,0,0), -1)
            #Add text
            cv2.putText(frame, "Sleep Alert !!!", (x1 + int(w1/10), y1 + int(h1/2)), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0,0,255), 2)
            winsound.Beep(frequency, duration)
            counter = 0
    cv2.imshow("Drowsiness Detection", frame)
    if cv2.waitKey(2) & 0xFF == ord('q'):
        break
cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

总结

    当您运行代码时，它将打开网络摄像头并捕获视频并根据您的眼睑闭合提供输出。这种瞌睡检测系统对驾驶员有很大帮助，并防止了许多因瞌睡而引起的交通事故。到目前为止，我们已经看到：

    –> 如何使用迁移学习？

    –> 如何建立模型，训练模型？

    –> 如何根据我们的问题陈述更改图层？

    –> 最终实现嗜睡检测系统。

希望你们发现它有用。

参考链接：

​​https://www.analyticsvidhya.com/blog/2022/05/drowsiness-detection-system/​​

—THE END—

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