基于樹莓派的口罩佩戴狀態(tài)檢測(cè)模型部署研究

黃鏡塵 李光 李敏

摘要：本文針對(duì)口罩佩戴狀態(tài)檢測(cè)模型部署進(jìn)行研究，利用ARMv8架構(gòu)樹莓派平臺(tái)，基于Debian-Pi-Aarch64操作系統(tǒng)，結(jié)合Paddle-Lite框架，實(shí)現(xiàn)口罩佩戴情況的實(shí)時(shí)檢測(cè)，可以正確識(shí)別出圖片中口罩佩戴情況，并且能夠通過CSI攝像頭視頻采樣進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，具有較快的識(shí)別速度，對(duì)于人臉的成功辨認(rèn)能力也得到了很好的優(yōu)化，可以提高在辨認(rèn)視頻中的移動(dòng)面部的識(shí)別成功率，為我國(guó)疫情防控的有序進(jìn)行提供重要手段。

關(guān)鍵詞：樹莓派;目標(biāo)識(shí)別;口罩佩戴識(shí)別

目前新冠肺炎疫情在我國(guó)的局勢(shì)已經(jīng)逐漸趨向于穩(wěn)定[1]，不過從國(guó)際層面上講，依舊處于一個(gè)嚴(yán)峻的情況，即使各國(guó)疫苗初步研制成功并且全球人民都在逐步接種疫苗，但是面對(duì)著各種病毒的變株我們必須還是需要保持很高的警惕性。佩戴口罩早已經(jīng)成為我們生活中的一部分，這一行為可以有效阻止病毒通過我們的呼吸進(jìn)入體內(nèi)，佩戴口罩在其他層面也具有重要意義，可以防止我們個(gè)人的唾液傳播到空氣中去。佩戴口罩可以有效保護(hù)我們自身安全和身體健康。如果說正確的佩戴口罩是疫情防控的重要手段之一，那么口罩佩戴狀態(tài)的檢測(cè)就是人們正確行使這一手段的重要保證，此項(xiàng)技術(shù)如果可以成功應(yīng)用在人流量較高的一些公眾場(chǎng)合可以有效的節(jié)約人力物力，也可以使社會(huì)和諧與穩(wěn)定得到很好的保障。

Paddle-lite[是從Paddle Mobile的版本中升級(jí)得到，不僅是支持手機(jī)端還包括了其他眾多硬件平臺(tái)的多樣化情況的高效預(yù)測(cè)框架。Lite在與PaddlePaddle繼續(xù)這對(duì)接的同時(shí)，也可以使用其他的框架訓(xùn)練產(chǎn)生的模型。

1.口罩模型 Pyramid box

Pyramid box可以獲取不同層級(jí)的結(jié)構(gòu)圖以及anchor，是從VGG16的骨架和anchor的設(shè)計(jì)中擴(kuò)展得到的，在VGG16的骨架代碼中增加一個(gè)底層級(jí)的特征金字塔層，而且為了獲得最后的結(jié)果，每一個(gè)金字塔檢測(cè)層的分支網(wǎng)絡(luò)是使用上下文敏感結(jié)構(gòu)來擔(dān)任的。這種架構(gòu)的關(guān)鍵就是可以為每個(gè)層級(jí)的人臉生成anchor。主要網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)流程如下圖1所示：

該算法主干網(wǎng)絡(luò)層中的基本卷積層和額外卷積層是同S3FD相同的[2]，只不過為了其深度增加了許多的卷積層，并且anchors是不需要任何行動(dòng)就可以自動(dòng)生成的，不存在其他的額外的標(biāo)簽，這一點(diǎn)可以很好的節(jié)省了時(shí)間成本，并且在運(yùn)行程序的時(shí)候也不用進(jìn)行十分復(fù)雜的計(jì)算就可以很輕松的得到我們需要的結(jié)果。

2.系統(tǒng)更新及準(zhǔn)備工作

（1）替換鏡像源與pip源

由于在國(guó)內(nèi)是沒有辦法成功進(jìn)入樹莓派進(jìn)行系統(tǒng)更新，因此需要替換為我們國(guó)內(nèi)的鏡像站，其中我們可以替換的鏡像源就有很多選擇了，這里我們需要使用樹莓派的nano命令進(jìn)行文件的編輯，使用該命令編輯資源列表文件，在其中將不需要的代碼進(jìn)行注釋，然后添加我們所需的鏡像源。在更換pip源的時(shí)候需要先創(chuàng)建pip目錄，然后查看此目錄的列表，編輯其中的pip.conf，給其編輯需要寫入的文件。

（2）運(yùn)行環(huán)境

為了保證程序可以正常運(yùn)行我們還需要下載以下工具：gcc g++ Make wget unzip libopencv-dev pkg-config和CMake。

gcc以及g++為GNU的C和C++的編譯器，在實(shí)行編譯的工作過程中，首先需要進(jìn)行預(yù)處理生成文件名為.i的文件;將該文件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為匯編語言，并生成文件名為.s的文件;將轉(zhuǎn)換好的匯編語言進(jìn)行下一步轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢杂蓹C(jī)器是別的目標(biāo)代碼并生成文件名為.o的文件;最后與代碼進(jìn)行連接，生成可以被執(zhí)行的程序。至此編譯工作全部完成。

Make在這里的含義為GNU Make，Make的作用其實(shí)就是通過編寫的make文件對(duì)整個(gè)工作的編譯和連接進(jìn)行描述，這樣做的好處在于面對(duì)一些過程比較復(fù)雜的工程作業(yè)只需要通過一個(gè)命令就可以完成。

wget是一個(gè)下載工具的文件，十分穩(wěn)定并且也具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，現(xiàn)在支持?jǐn)帱c(diǎn)下載，也支持多種下載方式下載文件，支持使用代理的服務(wù)器，在用戶設(shè)置方面也十分簡(jiǎn)便。

3.程序結(jié)果與分析

使用攝像頭進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)一共進(jìn)行了五種不同情況的檢測(cè)，以驗(yàn)證該系統(tǒng)的性能以及應(yīng)用條件，從識(shí)別結(jié)果得知，總體檢測(cè)結(jié)果的準(zhǔn)確率較高，當(dāng)檢測(cè)目標(biāo)的面部為正常尺寸且識(shí)別對(duì)象較少的情況下，課題研究結(jié)果令人較滿意，但是當(dāng)沒有佩戴口罩的目標(biāo)在進(jìn)行佩戴口罩的過程中會(huì)出現(xiàn)顯示異常的情況，顯示框中佩戴口罩與未佩戴口罩會(huì)交替出現(xiàn)，在待檢測(cè)人臉數(shù)量較多時(shí)偶爾會(huì)出現(xiàn)部分目標(biāo)無法識(shí)別的情況，不過在面對(duì)檢測(cè)尺寸較小的人臉時(shí)具有不錯(cuò)的識(shí)別情況。就流暢度而言，在沒有檢測(cè)人臉的時(shí)候幀率比較流暢，當(dāng)檢測(cè)目標(biāo)出現(xiàn)的時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)降幀的現(xiàn)象，當(dāng)檢測(cè)目標(biāo)過多的情況下幀率會(huì)維持在一個(gè)較低的水平，即使相較于其他的方案講流暢性有所優(yōu)勢(shì)，不過在平時(shí)使用的過程當(dāng)中還是會(huì)感覺到不適應(yīng)，很難達(dá)到一個(gè)流暢水平。而且在使用CSI攝像頭拍攝的時(shí)候有時(shí)會(huì)出現(xiàn)顯示界面的閃退，初步判斷是由于攝像頭的連接出現(xiàn)問題導(dǎo)致拍攝工作出現(xiàn)異常。

4.結(jié)語

本項(xiàng)目是在樹莓派平臺(tái)上面實(shí)現(xiàn)對(duì)口罩模型的識(shí)別與檢測(cè)，硬件選擇方面的必須品為樹莓派4B與SD存儲(chǔ)卡，由于需要進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻的顯示，將USB攝像頭，IP攝像頭和CSI攝像頭綜合考量過后選擇了CSI攝像頭進(jìn)行視頻的拍攝工作，并且根據(jù)本項(xiàng)目需要進(jìn)行一些代碼的操作以及編譯工作選擇鼠標(biāo)，鍵盤，顯示器來進(jìn)行顯示以及操作工作，考慮到樹莓派的CPU需要長(zhǎng)時(shí)間進(jìn)行檢測(cè)工作，為了保證CPU處在一個(gè)安全的溫度區(qū)間需要在樹莓派上面安裝散熱風(fēng)扇。

軟件環(huán)境首先需要進(jìn)行的是樹莓派操作系統(tǒng)的燒錄工作，面對(duì)本項(xiàng)目的一些特性選擇了更加與之匹配的Debian-Pi-Aarch64系統(tǒng)，在燒錄過程中主要需要注意SD卡的格式化操作，需要使用格式換軟件進(jìn)行格式化的操作，接下來就是環(huán)境的配置工作，在保證網(wǎng)絡(luò)環(huán)境良好的前提下，系統(tǒng)的更新工作可以順利進(jìn)行。

參考文獻(xiàn)：

[1] 賈艷，王超，朱士俊，尹金淑，張國(guó)平，田向陽，盧祖洵.新冠肺炎疫情防控知識(shí)、技能和心理狀況

[2] Shifeng Zhang， Xiangyu Zhu， Zhen Lei， Hailin Shi， Xiaobo Wang， Stan Z. Li.S3FD： Single Shot Scale-invariant Face Detector[J].ICCV2017. Italy.2017

作者簡(jiǎn)介：黃鏡塵1999.07，山東交通學(xué)院本科學(xué)生，指導(dǎo)老師：李光、李敏