是否有一種模型能在特定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)識(shí)別視頻中的某個(gè)人物呢？

編者按：本文作者Pulkit Sharma分享了一篇有趣的項(xiàng)目，以《貓和老鼠》為例，計(jì)算任意視頻中湯姆貓和杰瑞鼠的出鏡時(shí)長(zhǎng)。這一模型也可以用于其他電影，輕松統(tǒng)計(jì)各演員的上鏡時(shí)間。

簡(jiǎn)介

當(dāng)我開始接觸深度學(xué)習(xí)時(shí)，學(xué)到的第一件事就是圖像分類。這個(gè)話題非常有趣，包括我在內(nèi)的很多人都沉浸在它的魅力之中。但是在我處理圖像分類時(shí)總會(huì)思考，如果我能將學(xué)到的東西遷移到視頻上就好了。

是否有一種模型能在特定時(shí)間內(nèi)自動(dòng)識(shí)別視頻中的某個(gè)人物呢？結(jié)果證明的確可以做到，下面就將我的方法分享給你們！

影視明星的出鏡時(shí)間是非常重要的，直接影響他們的片酬。舉個(gè)例子，在《蜘蛛俠：英雄歸來》中，小羅伯特唐尼僅僅出鏡15分鐘就有高達(dá)1000萬美元的片酬。

如果我能計(jì)算任意影片中所有演員的出鏡時(shí)間，那就太棒了！在這篇文章中，我將幫你理解如何在視頻數(shù)據(jù)中使用深度學(xué)習(xí)。我們就用《貓和老鼠》作為例子，計(jì)算任意視頻中，湯姆和杰瑞的出現(xiàn)時(shí)間。

注：本文需要讀者有一定的深度學(xué)習(xí)圖像分類的先驗(yàn)知識(shí)。如果沒有的話，我推薦你閱讀這篇文章（https://www.analyticsvidhya.com/blog/2016/10/tutorial-optimizing-neural-networks-using-keras-with-image-recognition-case-study/），了解有關(guān)深度學(xué)習(xí)和圖像分類的基本概念。

目錄

讀取視頻并提取幀

如何用Python處理視頻文件

計(jì)算出鏡時(shí)間——一種簡(jiǎn)單的解決方案

我的收獲

讀取視頻并提取幀

如上面的動(dòng)圖所示，，每一頁紙上都有不同的畫面，隨著我們翻動(dòng)書頁，可以看到一只跳舞的鯊魚，而且翻動(dòng)的速度越快，效果越好。這也可以看作一種視頻，換句話說，這種視覺效果是不同圖像以特定順序排列在一起產(chǎn)生的。

同樣的，視頻也是由一系列圖片組成的，這些圖片稱為“幀”，可以通過組合得到原始視頻。所以與視頻數(shù)據(jù)有關(guān)的問題和圖像分類或者目標(biāo)檢測(cè)問題并沒有什么不同。只是從視頻中提取幀需要多一個(gè)步驟。

我們這次的目的試計(jì)算湯姆和杰瑞在視頻中各自的出鏡時(shí)間，首先讓我們確定一下文中要做的步驟：

導(dǎo)入并讀取視頻，從中提取幀，將它們保存為圖片

標(biāo)記一些圖片用于模型的訓(xùn)練（這一步我已經(jīng)做好了）

在訓(xùn)練數(shù)據(jù)上搭建自己的模型

對(duì)剩余圖片進(jìn)行預(yù)測(cè)

計(jì)算湯姆和杰瑞各自的出鏡時(shí)間

跟著以下步驟學(xué)習(xí)，將會(huì)幫助你解決很多深度學(xué)習(xí)相關(guān)的問題。

如何用Python處理視頻文件

首先要下載所有必需的庫：

NumPy

Pandas

Matplotlib

Keras

Skimage

OpenCV

第一步：讀取視頻并從中提取幀，將其保存為圖像

現(xiàn)在我們要下載視頻，并將它轉(zhuǎn)換成幀的形式。首先我們可以用VideoCapture( )函數(shù)從給定目錄中提取視頻，然后從視頻中提取幀，用imwrite( )函數(shù)將它們保存為圖像。

視頻下載地址：drive.google.com/file/d/1_DcwBhYo15j7AU-v2gN61qGGd1ZablGK/view

這個(gè)過程完成后，屏幕上會(huì)出現(xiàn)“Done!”的字樣。下面我們?cè)囍鴮?duì)圖像（幀）進(jìn)行可視化，首先用matplotlib中的imread( )函數(shù)讀取圖像，然后用imshow( )函數(shù)顯示圖像。

這就是視頻中的第一幀。我們從每秒中提取一幀，由于視頻時(shí)長(zhǎng)為4:58（共298秒），我們現(xiàn)在一共有298張照片。

我們的任務(wù)時(shí)確定哪張照片上有湯姆，哪張有杰瑞。如果我們提取出的圖像能和常見的ImageNet數(shù)據(jù)集中的圖片有很大的相似性，那么這個(gè)問題就能輕而易舉地解決了。但是這樣的樂趣在哪里？

我們的是動(dòng)畫片，所以要讓任何預(yù)訓(xùn)練模型在給定的視頻中定位湯姆和杰瑞還是有難度的。

第二步：標(biāo)記圖片訓(xùn)練模型

要實(shí)現(xiàn)標(biāo)記圖片，一種可能的方案是手動(dòng)貼標(biāo)簽。一旦模型學(xué)會(huì)了特定模式，我們就能用它在之前沒見過的圖像上作出預(yù)測(cè)。

要記住的一點(diǎn)是，有些幀里可能沒有湯姆和杰瑞的鏡頭，所以我們要將其看成是多種類的分類問題：

0：沒有湯姆和杰瑞的鏡頭

1：杰瑞

2：湯姆

我已經(jīng)給所有圖片打上了標(biāo)簽，所以直接在mapping.csv文件中下載即可。

映射文件包含兩部分：

image_ID：包含每張照片的名稱

Class.Image_ID：含有每張圖對(duì)應(yīng)的種類

下一步是讀取圖片信息，即他們的Image_ID部分：

現(xiàn)在我們就有了圖片，記住，我們要用兩部分訓(xùn)練模型：

訓(xùn)練圖片

對(duì)應(yīng)的種類

由于這里有三種不同情況，我們將用keras.utils中的to_cateforical( )函數(shù)對(duì)他們進(jìn)行獨(dú)熱編碼。

圖片再輸入到VGG16訓(xùn)練前，尺寸需變?yōu)?24×224×3，所以我們的圖片在輸入前要重設(shè)尺寸。我們要用到skimage.transform中的resize( )函數(shù)。

尺寸調(diào)整好后，我們還要對(duì)每個(gè)模型的需求進(jìn)行預(yù)處理，否則模型就不會(huì)表現(xiàn)得很好。利用keras.applications.vgg16中的preprocess_input( )函數(shù)來完成這一步驟。

我們還需要一個(gè)驗(yàn)證集來檢查模型在陌生圖片上的性能，這里就需要用到sklearn.modelselection模塊中的traintest_split( )函數(shù)來隨機(jī)將圖片分成訓(xùn)練集和驗(yàn)證集。

第三步：搭建模型

下一步就是搭建自己的模型。我們會(huì)用VGG16預(yù)訓(xùn)練模型來完成這一任務(wù)。首先導(dǎo)入所需的庫：

下載VGG16與訓(xùn)練模型，并將其保存為base_model：

用該模型對(duì)X_train和X_valid進(jìn)行預(yù)測(cè)，得到特征，再用特征重新訓(xùn)練模型。

Xtrain和Xvalid的尺寸分別為（208，7，7，512）和（90，7，7，512）。為了輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，我們必須把它重新修改成1—D尺寸。

現(xiàn)在對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理，去中心化，讓模型收斂得更快。

最后，我們將搭建自己的模型，這一步可以分為三小步：

搭建模型

編譯模型

訓(xùn)練模型

用summary( )函數(shù)檢查模型的匯總信息：

模型中有一隱藏層，有1024個(gè)神經(jīng)元，輸出層有3個(gè)神經(jīng)元（因?yàn)槲覀冇?種不同的預(yù)測(cè)情況）?，F(xiàn)在我們開始編譯模型。

最后一步，我們要訓(xùn)練模型，并且用驗(yàn)證集檢測(cè)它在陌生圖像上的表現(xiàn)：

可以看到在驗(yàn)證集上的表現(xiàn)很不錯(cuò)，精確度達(dá)到85%。這就是我們?nèi)绾卧谝曨l數(shù)據(jù)上訓(xùn)練模型，再對(duì)每一幀作出預(yù)測(cè)的步驟。

下面，我將計(jì)算湯姆和杰瑞在新視頻中的出鏡時(shí)間。

計(jì)算出鏡時(shí)間——一種簡(jiǎn)單的解決方案

首先下載我們要用到的視頻。一旦完成，可以從中提取幀：

從新視頻中提取幀之后，我們就要下載test.csv文件，它包含每個(gè)提取出的幀的名字：

接著，我們將導(dǎo)入用于測(cè)試的圖片，然后針對(duì)之前提到的預(yù)訓(xùn)練模型重新修改尺寸：

接著，我們還要對(duì)這些圖片進(jìn)行調(diào)整，就像之前處理訓(xùn)練圖片那樣：

由于我們之前訓(xùn)練了模型，就可以用它做出預(yù)測(cè)了。

第四步：對(duì)剩余圖像進(jìn)行預(yù)測(cè)

第五步：計(jì)算湯姆和杰瑞的出鏡時(shí)間

剛剛我們規(guī)定了1代表杰瑞，2代表湯姆，這樣就可以用上述的預(yù)測(cè)來計(jì)算兩個(gè)角色的出鏡時(shí)長(zhǎng)了：

結(jié)果如上。

我的收獲

為了完成這一項(xiàng)目，我遇到了很多問題。下面是我遇到的一些挑戰(zhàn)及做出的應(yīng)對(duì)對(duì)策。

首先，我嘗試在沒有刪除最頂層的情況下使用預(yù)訓(xùn)練模型，結(jié)果并不理想。原因可能是由于我們的模型之前沒有在動(dòng)畫片上接受訓(xùn)練。為了解決這個(gè)問題，我重新用圖片訓(xùn)練模型，結(jié)果好了很多。

但是盡管用帶有標(biāo)記的圖片訓(xùn)練，精確度仍然不理想。模型在訓(xùn)練圖像上表現(xiàn)得并不好。所以，我試著增加圖層數(shù)量。這種做法結(jié)果不錯(cuò)，但訓(xùn)練和驗(yàn)證精度之間并不對(duì)應(yīng)。模型出現(xiàn)了過度擬合，它在陌生數(shù)據(jù)上表現(xiàn)得也不好。所以我在密集層之后增加了Dropout層，這樣就解決了。

我注意到，湯姆的出鏡時(shí)間更長(zhǎng)，所以模型得出的很多結(jié)論都是湯姆。為了讓模型平衡預(yù)測(cè)，我用了sklearn.utils.classweight模塊中的computeclass_weight( )函數(shù)。它在數(shù)值計(jì)數(shù)較低的類別中分配了更高的權(quán)重，在較高的數(shù)值計(jì)數(shù)中分配較低權(quán)重。

另外，我還用Model Checkpoint保存了最佳模型。

最終，我們?cè)隍?yàn)證數(shù)據(jù)上達(dá)到了88%左右的結(jié)果，在測(cè)試數(shù)據(jù)上達(dá)到了64%的精確度結(jié)果。