[AI开发]基于DeepStream的视频结构化解决方案

视频结构化的定义

利用深度学习技术实时分析视频中有价值的内容，并输出结构化数据。相比数据库中每条结构化数据记录，视频、图片、音频等属于非结构化数据，计算机程序不能直接识别非结构化数据，因此需要先将这些数据转换成有结构格式，用于后续计算机程序分析。视频结构化最常见的流程为：目标检测、目标分类（属性识别）、目标跟踪、目标行为分析。最后的目标行为分析严格来讲不属于视频结构化的范畴，可以算作前面每个环节结果的应用。由于现实生产过程中，一个完整的应用系统总会存在“目标行为分析”这个过程（否则光得到基础数据不能加以利用），所以本篇文章将其包含进来。

目标检测

对单张图片中感兴趣的目标进行识别、定位，注意两点，一个是检测的对象是静态图片，二是不但需要识别目标的类别，还需要给出目标在原图片中的坐标值，通常以（left, top, width, height）的形式给出。注意目标检测仅仅给出目标大概位置坐标（一个矩形区域），它跟图像分割不同，后者定位更加具体，能够给出图片中单个目标的轮廓边界。

目标分类（属性识别）

通常目标被检测出来之后，会进行二次（多次）推理，识别出目标更加具体的属性，比如小轿车的颜色、车牌子奥迪还是奔驰等等。对于人来讲，可以二次推理出人的性别、年龄、穿着、发型等等外貌属性。这个环节主要对检测出来的目标进行更加具体的属性识别。

目标跟踪

前面两个环节操作的对象是静态单张图片，而视频有时序性，前后两帧中的目标有关联关系。目标跟踪就是为了将视频第N帧中的目标和第N+1帧中的同一目标关联起来，通常做法是给它们赋予同一个ID。经过目标跟踪环节后，理论情况下，一个目标从进入视频检测范围到离开，算法赋予该目标的ID固定不变。但是现实生产过程中，由于各种原因，比如目标被遮挡、目标漏检（第N帧检测到，第N+1帧没检测到）、跟踪算法自身准确性等等原因，系统并不能锁定视频中同一个目标的ID。目标ID不能锁定，会造成目标行为分析不准的问题，后面会提到。

目标行为分析

视频中目标被跟踪到，赋予唯一ID之后，我们可以记录目标在视频检测范内的运动轨迹（二维坐标点集合），通过分析目标轨迹点数据，我们可以做很多应用。比如目标是否跨域指定区域、目标运动方向、目标运动速度、目标是否逗留（逗留时长）、目标是否密集等等。该应用多存在于安防、交通视频分析领域。

目标检测算法

常见基于深度学习神经网络的目标检测算法有3种，SSD、YOLO以及Faster-RCNN，具体请搜索网络，介绍文章非常多了。三者各有优劣，遵循一个原则：速度快的准确性不好，很多目标检测不准，很多小目标检测不到、容易漏检等；准确性好的速度不快，可能达不到实时检测的要求，或者需要更高的硬件条件。鱼和熊掌不可兼得，牺牲速度可以换来准确性。这三种常见目标检测算法，综合性比较好的是YOLO（现在已经是YOLO V3版本），准确性、小目标检测、检测速度上都可以接受。SSD速度快，我在RTX 2080 的GPU上，能够检测32路1080P高清实时流，但是YOLO V3勉强可以跑到16路。Faster-RCNN准确性更好，但是速度太慢，如果你有很好的GPU硬件支持，或者单台服务器要求检测视频路数比较少，可以采用Faster-RCNN。下图第一张是SSD算法效果，第二张是YOLO V3的算法效果，两者模型都是采用同样的数据集训练而成，可以很明显看到，后者比前者效果好很多（忽略图中速度值）。

需要注意的是，不管是何种算法，它们的检测效果受数据集质量影响非常大，数据集数量不够、标注质量不高，都会严重影响最终检测结果。做深度学习应用型系统，数据集的重要性非常明显。

视频结构化处理流程框架

前面说到过，视频结构化包含多个环节，各个环节相连而成，形成一个Pipeline的结构。在实际生产过程中，我们还需要有视频流接入的环节，它负责接收视频流数据，由于网络接收到的视频数据是编码过后的格式，我们还需要解码的环节，将原始视频数据解码成一张张RGB格式的图片（这之前可能还需要颜色空间转换，将YUV格式转换成RGB），之后将单帧图片送给推理模型进行推理，返回推理结果。

很明显，视频结构化是一个数据流式的处理过程，如果对GStreamer框架比较熟悉的人可能或想到，GStreamer非常适合做这件事情。这里是GStreamer的官网：https://gstreamer.freedesktop.org/，跟FFmpeg类似，它主要用于音视频多媒体程序开发，但是两个侧重点不同，GStreamer中将多媒体处理流程中的每个环节都封装成单个的插件，每个插件负责不同的任务，比如有接收视频流的、有负责编解码的、有颜色空间转换的等等，这些常用插件都已经有现成非常成熟的，不需要自己开发。插件和插件之间通过某个协议进行连接，最终形成一个完整的Pipeline。目前来看，使用FFmpeg的人明显多余GStreamer。在我们这个应用场景中，GStreamer非常适合我们，Nvidia官方推出的智能视频分析SDK DeepStream也是基于GStreamer开发而成，Nvidia为我们准备好了现成的插件，有负责推理的，有负责目标跟踪的，还有负责图片叠加和显示的。我们在使用DeepStream的同时，也可以使用GStreamer中已有的其他插件，他们可以无缝集成，非常方便。

这里必须要提一下，GStreamer是C语言开发的，而我们知道C语言并非面向对象，如果要用到面向对象的特性必须采取其他措施，GStreamer就是使用了GObject那一套东西，GObject又是什么呢？它是一套在C中使用面向对象编程的规范。如果已经非常熟悉主流面向对象语言的人，再去接收GObject这种编程风格，会要疯掉，反人类（我这样觉得）。下图是采用DeepStream SDK开发视频结构化的Pipeline，简单示意，并非真实生产中的结构：

使用DeepStream 做视频结构化应用的好处

如果你用的推理硬件是Nvidia出的，比如Tesla系列显卡、Geforce系列显卡等等，那么使用DeepStream SDK的好处有：

（1）内置推理加速插件nvinfer，注意普通深度学习模型（caffe、tensorflow等）在没有经过tensorRT加速之前，速度是上不来的。而DeepStream内置的nvinfer推理插件不断支持各种目标检测算法（SSD、YOLO、Faster-RCNN）以及各种深度学习框架模型（自由切换），内部还自带tensorRT INT8/FP16加速功能，不需要你做额外操作；

（2）内置目标跟踪插件nvtracker，目前DeepStream 3.0提供两种跟踪算法，一种基于IOU的，这种算法简单，但是快；另外一种KLT算法，准确但是相对来讲慢一些，而且由于这个算法是跑在CPU上，基于KLT的跟踪算法对CPU占用相对大一些；

（3）内置其他比较有用的插件，比如用于视频叠加（目标方框叠加到视频中）的nvosd、硬件加速解码插件nvdec_h264，专门采用GPU加速的解码插件，还有其他颜色转换的插件。

（4）提供跟视频处理有关的各种元数据类型以及API，方便你扩展自己的元数据类型，元数据在GStreamer中是一个很重要的概念。

使用DeepStream SDK的前提是要先掌握GStreamer的基本用法，否则就是抓瞎，前者其实就是后者的一堆插件集合，方便供你构建视频推理Pipeline。当然，你还需要一些CUDA编程的基础知识。

下面提供一个基于YOLO V3 16路1080P高清视频实时目标检测、跟踪、叠加、目标行为判断、结构化数据上报 应用系统截图（截取其中4路图像），由于某些原因，不再做过多的技术细节介绍了。