基于YOLOv8/YOLOv7/YOLOv6/YOLOv5的智能监考系统(Python+PySide6界面+训练代码)

摘要:本文介绍了一种基于深度学习的智能监考系统系统的代码,采用最先进的YOLOv8算法并对比YOLOv7、YOLOv6、YOLOv5等算法的结果·,能够准确检测图像、视频、实时视频流以及批量文件中的目标。文章详细解释了YOLOv8算法的原理,并提供了相应的Python实现代码、训练数据集,以及基于PySide6的用户界面(UI)。该系统实现了对图像中目标的准确检测和分类,并包含了基于SQLite的登录注册管理、一键更换YOLOv5/v6/v7/v8模型以及界面自定义修改等功能。本文旨在为相关领域的研究人员和新入门的朋友提供一个参考,完整代码资源文件以及数据集可以在文末的下载链接中获取。本文结构如下:

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演示与介绍视频:https://www.bilibili.com/video/BV1Ay421z76j/
YOLOv8/v7/v6/v5项目合集:https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZZuXmZpt
YOLOv8/v5项目完整资源:https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZZuXmJpu
YOLOv7项目完整资源:https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZZuXmJ9u
YOLOv6项目完整资源:https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZZuXlptr


前言

        在数字化教育的浪潮下,远程教育和在线考试已成为全球教育体系的重要组成部分。然而,随之而来的挑战是如何确保考试的公平性和有效性,特别是在抑制和防止作弊行为方面。这一挑战催生了智能监考系统的发展,旨在利用先进的信息技术手段,实现对考试过程的智能监控,以保障考试的公正性和有效性。智能监考系统的开发不仅响应了教育现代化的需求,更是对传统监考方式的重要补充和完善。

        随着人工智能和机器视觉技术的飞速发展,尤其是YOLO[1](You Only Look Once)算法的不断迭代和优化,智能监考系统的研究与应用已经取得了显著进展。YOLO算法以其高效的实时处理能力和准确的目标检测性能,成为智能监考系统中不可或缺的技术之一。从YOLOv5[2]到YOLOv8[3],每个版本的更新都带来了算法性能的显著提升,包括检测速度的加快、准确度的提高以及对小物体检测能力的增强。此外,智能监考系统还涉及到其他最新类型的算法改进、相关技术的进展、数据集的更新等方面,这些都为系统的性能提升和应用拓展提供了强有力的支持。

        除了YOLO系列,其他算法如SSD(Single Shot MultiBox Detector)和Faster R-CNN也在智能监考系统中找到了应用。这些算法各有优势,例如Faster R-CNN以其高精度识别能力著称,而SSD则在速度和效率方面表现出色。研究者通过对这些算法的改进和优化,不断提高智能监考系统的性能。

        ViT和注意力机制的引入,代表了一种从传统卷积神经网络(CNN)向Transformer模型转变的趋势。ViT通过利用自注意力机制处理图像的序列表示,展现了在处理复杂图像任务时的巨大潜力。注意力机制能够使模型聚焦于图像中的关键信息,这对于智能监考系统中识别考生的微小动作或潜在的作弊行为尤为重要。

        然而,智能监考系统的研究与应用仍面临着一系列技术挑战,包括算法的实时性与准确性平衡、复杂考试环境下的适应性问题、数据隐私与安全保护等。国内外许多研究者在探索解决这些问题的过程中,也在不断提出新的研究成果和技术方案。

        随着人工智能技术的不断进步和新算法的开发,智能监考系统有望实现更高的自动化和智能化水平。研究者正致力于开发更加先进的算法,以及探索使用云计算和边缘计算技术来提高系统的可扩展性和效率。

        本文的主要贡献体现在以下几个方面,旨在推动智能监考领域的技术进步和应用发展:

  1. 采用最先进的YOLOv8算法进行智能监考:本文不仅介绍了如何运用当前最先进的YOLOv8算法进行智能监考任务,还对比了该算法与YOLOv7[4]、YOLOv6[5]、YOLOv5等早期版本在智能监考应用中的效能差异。这一点对于理解各版本YOLO算法在处理实时视频监控任务时的性能提升具有重要意义。通过详细讲解YOLOv8算法的原理和应用,本文为相关领域的研究者和从业者提供了一条全新的研究和实践路径。
  2. 利用PySide6实现智能监考系统:通过采用Python的PySide6库,本文展示了如何开发一个用户友好的智能监考系统界面。这一系统不仅提高了用户交互的便捷性和直观性,还促进了YOLOv8算法在智能监考领域的应用。通过这种方式,本文推动了智能监考技术的实际部署和应用。
  3. 包含登录管理功能:本文设计的智能监考系统包括一个登录管理功能,增强了系统的安全性并为将来引入更多个性化功能奠定了基础。这一设计不仅体现了对用户体验的深入考虑,也为智能监考系统的标准化和专业化提供了范例。
  4. 对YOLOv8模型的深入研究:在应用YOLOv8算法进行智能监考的同时,本文还对该算法的性能进行了深入研究,包括精确度、召回率等关键性能指标的评估,以及在不同条件下的表现分析。这一研究不仅加深了对YOLOv8算法性能的理解,也为该算法的进一步优化和改进提供了实证基础。
  5. 提供完整的数据集和代码资源包:为了帮助读者更好地理解和实践YOLOv8及其前版本在智能监考中的应用,本文提供了一套完整的数据集和代码资源包。这些资源允许读者直接复现实验结果,并在此基础上进行进一步的研究和开发,从而促进了知识的共享和技术的传播。

1.数据集介绍

        在智能监考系统的研究与开发中,一个细致构建和精心注释的数据集对于训练高效准确的目标检测模型至关重要。本文中所介绍的数据集专为监考场景下的行为识别和分析设计,通过对图像进行多维度的标注,旨在训练出能够精确识别不规范行为的智能监控系统。数据集共包含2754张图像,这些图像被划分为2083张训练图像、457张验证图像以及214张测试图像,以确保模型在各个阶段都有足够的数据进行学习和评估。

        在数据预处理阶段,我们采取了一系列标准化措施来提高模型训练的效率和效果。所有图像都经过了自动方向校正,并剥离了EXIF方向信息,以保证模型训练的一致性和准确性。图像尺寸统一调整到416x416像素,不仅使得网络输入尺寸一致,而且对于加速模型的训练和推理过程至关重要。为了增强模型对于图像局部变化的鲁棒性,我们还对图像进行了0到20%的随机裁剪。这些预处理步骤确保了模型能够在后续的训练过程中更好地学习到从多样化角度和尺寸捕捉到的关键特征。

        类别分布上的分析显示,数据集中“cheating”类别的实例数最多,这反映了在智能监考系统中对作弊行为检测的重视。通过重点标注作弊行为,数据集为训练出能够敏锐识别此类行为的模型打下了基础。然而,“good”和“normal”类别的实例数相对较少,未来可能需要进一步增加这些类别的样本以实现更均衡的数据分布,从而提高系统对各种情况的适应性和准确性。

        进一步分析数据集的边界框分布,我们发现大多数边界框集中在图像中心区域,这可能与监控摄像头的布局有关。这一特点指导我们在设计监考系统时,需考虑到摄像头的放置位置和角度,以最大程度地捕捉到考试过程中的关键信息。边界框尺寸分布表明,尽管有一定集中趋势,但在垂直方向上的变化较大,这暗示了监考系统需要能够适应不同体态和姿势的考生。同时,边界框的重叠现象指出了在紧密排列的监考环境中,如何精确分辨和标注每一个独立实体的挑战。

        在图像标注方面,我们深知准确的标签对于训练有效的机器学习模型的重要性。我们的数据集包含多个类别的标签,标签及其对应的中文名称如下所示:

Chinese_name = {"cheating": "疑似作弊", "good": "良好", "normal": "正常"}

        通过细致的数据集介绍,本文展示了如何为智能监考系统构建一个强大的数据基础。从预处理到注释,每一步都为训练出一个鲁棒、准确的目标检测模型奠定了基石。随着技术的发展,未来的工作将不断优化数据集,以提供更丰富的样本和更平衡的类别分布,进一步提升智能监考系统的性能。


2. 系统界面效果

        系统以PySide6作为GUI库,提供了一套直观且友好的用户界面。下面,我将详细介绍各个主要界面的功能和设计。

(1)系统提供了基于SQLite的注册登录管理功能。用户在首次使用时需要通过注册界面进行注册,输入用户名和密码后,系统会将这些信息存储在SQLite数据库中。注册成功后,用户可以通过登录界面输入用户名和密码进行登录。这个设计可以确保系统的安全性,也为后续添加更多个性化功能提供了可能性。

(2)在主界面上,系统提供了支持图片、视频、实时摄像头和批量文件输入的功能。用户可以通过点击相应的按钮,选择要检测的图片或视频,或者启动摄像头进行实时检测。在设计智能监考系统时,系统会实时显示检测结果,并将检测记录存储在数据库中。

(3)此外,系统还提供了一键更换YOLOv8/v5模型的功能。用户可以通过点击界面上的"更换模型"按钮,选择不同的YOLOv8模型进行检测。与此同时,系统附带的数据集也可以用于重新训练模型,以满足用户在不同场景下的检测需求。

(4)为了提供更个性化的使用体验,这里系统支持界面修改,用户可以自定义图标、文字等界面元素。例如,用户可以根据自己的喜好,选择不同风格的图标,也可以修改界面的文字描述。


3. YOLOv8算法原理

        YOLOv8算法作为目标检测领域的一次重大进展,其设计理念和结构细节都是为了提高检测速度和精度。本节将深入介绍YOLOv8的原理和核心组件,揭示其在智能监考系统中的应用价值。

        首先,YOLOv8在其卷积层中引入了CSP(Cross Stage Partial)结构,特别是C2f块(CSP bottleneck with 2 convolutions fast),这是一个改良的残差块设计,用于改善梯度流并减少计算量。CSP结构通过部分连接不同阶段的特征图,既保留了足够的特征信息,又避免了重复的特征计算,从而在加速模型的同时减少了参数量。

        其次,YOLOv8中的卷积层后通常会跟随一个批量归一化层(Batch Normalization, BN),以稳定学习过程并加速收敛。BN通过规范化层输出,减少了内部协变量偏移,这意味着网络可以使用更高的学习率,而不会那么容易出现过拟合问题。

        激活函数的选择也是YOLOv8优化性能的关键之一。YOLOv8采用了SiLU(Sigmoid Linear Unit)激活函数,这是一种非线性激活函数,它结合了Sigmoid函数的平滑性和线性单元的高效性,有助于模型学习复杂的特征表示。

        YOLOv8在其检测头(Head)的设计上,它摒弃了传统的基于锚点(Anchor-Based)的方法,转而采用了无锚点(Anchor-Free)的方法。这种方法不再依赖预设的锚点框,而是直接预测目标的中心点和边界框的尺寸,这样的设计减少了模型对锚点先验的依赖,提高了模型对各种尺寸和比例目标的适应性。此外,YOLOv8的检测头还针对不同尺寸的目标进行了优化,它可以同时处理多种尺寸的目标,这一点对于智能监考系统至关重要,因为系统需要同时识别考生的微小动作和各种大小的考试用品。

        最后,为了增强模型对不同尺度物体的检测能力,YOLOv8采用了SPPF(Spatial Pyramid Pooling Fast)模块。SPPF是一种多尺度特征融合策略,它可以在不同的空间分辨率上汇集特征,保证了模型对小目标的敏感性同时也增强了对大目标的识别能力。这对于智能监考系统尤为重要,因为它需要准确地检测到各种大小的监考对象,如远处的小字条或近处的大幅笔记。

        总而言之,YOLOv8通过这些创新的设计,不仅在速度上满足了实时监控的需求,而且在精度上也能够满足智能监考对于精确识别的高标准。这些技术的结合,使得YOLOv8成为一个强大的候选者,用于在各种监考场景中快速和准确地识别潜在的作弊行为。


4. 代码简介

        在本节中,我们将详细介绍如何使用YOLOv8进行智能监考的代码实现。代码主要分为两部分:模型预测和模型训练。

4.1 模型预测

        在模型预测部分,首先导入了OpenCV库和YOLO模型。OpenCV库是一个开源的计算机视觉和机器学习软件库,包含了众多的视觉处理函数,使用它来读取和处理图像。YOLO模型则是要用到的目标检测模型。

import cv2  
from ultralytics import YOLO  

        接着,加载自行训练好的YOLO模型。这个模型是在大量的图像上预训练得到的,可以直接用于目标检测任务。

model.load_model(abs_path("weights/best-yolov8n.pt", path_type="current")) 

        然后,使用OpenCV读取了一个图像文件,这个图像文件作为要进行目标检测的图像输入。

img_path = abs_path("test_media/test.png")
image = cv_imread(img_path) 

        在读取了图像文件之后,就可以使用加载的模型对图像进行预测了。下图为预测结果。

pred, superimposed_img = model.predict(pre_img)

4.2 模型训练

        这里我们开始训练和测试自己的数据集,在cmd终端或pycharm中运行run_train_model.py进行训练,以下是训练过程中的结果截图。YOLOv8的损失函数是其性能的关键部分,它指导模型学习如何准确地检测和分类对象。

        以下表格详细介绍了YOLOv8模型训练中使用的一些重要超参数及其设置:

超参数 设置 说明
学习率(lr0 0.01 决定了模型权重调整的步长大小,在训练初期有助于快速收敛。
学习率衰减(lrf 0.01 控制训练过程中学习率的降低速度,有助于模型在训练后期细致调整。
动量(momentum 0.937 加速模型在正确方向上的学习,并减少震荡,加快收敛速度。
权重衰减(weight_decay 0.0005 防止过拟合,通过在损失函数中添加正则项减少模型复杂度。
热身训练周期(warmup_epochs 3.0 初始几个周期内以较低的学习率开始训练,逐渐增加到预定学习率。
批量大小(batch 16 每次迭代训练中输入模型的样本数,影响GPU内存使用和模型性能。
输入图像大小(imgsz 640 模型接受的输入图像的尺寸,影响模型的识别能力和计算负担。

        在模型训练部分,首先导入YOLO模型,并加载了预训练的YOLOv8模型。

from ultralytics import YOLO  
model = YOLO('./weights/yolov8s.pt', task='detect')  

        接着开始训练模型。其中指定了训练数据的配置文件路径,使用GPU进行训练,使用2个工作进程加载数据,输入图像的大小为640x640,训练100个epoch,每个批次的大小为8。

results2 = model.train(  
        data=data_path,
        device='0', 
        workers=workers, 
        imgsz=640,  
        epochs=120,  
        batch=batch,  
        name='train_v8_' + data_name  
    )

        从训练和验证的损失图中可以看出,模型在训练过程中表现出了良好的收敛性。具体来看,框损失(box_loss)反映了边界框预测的准确性,随着训练的进行,训练集和验证集上的框损失都持续下降,显示出模型在定位目标上的性能随着训练逐渐提高。类别损失(cls_loss)和目标损失(obj_loss)分别表示分类和目标置信度预测的准确性,这两个指标的持续下降同样表明了模型在识别不同类别的目标以及在确定目标存在方面的性能提升。

        具体的数值结果显示,在大约100个训练周期后,训练集上的框损失已从接近1.4降到了约0.8,类别损失和目标损失也显示出了类似的下降趋势。这种下降趋势在验证集上也有所体现,尽管验证集的损失在初始几个周期内波动较大,但随后也呈现出了明显的下降趋势,这表明模型具有较好的泛化能力,并且过拟合的风险较低。

        在评价指标图中,我们看到随着训练的进行,精确度(precision)和召回率(recall)逐渐提升。精确度的提升表明模型越来越少地产生错误的正类预测,而召回率的提升则表明模型越来越能够检测到更多的正类样本。这两个指标在训练过程中的提高,直接影响了模型的mAP(mean Average Precision)值。mAP是一个综合指标,评估模型在所有类别上的整体表现。mAP的提升表明模型整体的检测性能正在提高。特别是在较严格的mAP50-95(即平均精度在IoU从0.5到0.95的阈值下的平均值)评价标准下,模型性能的提升尤为显著,这表明模型在不同程度的重叠阈值下都能够保持较高的检测精度。

        总体而言,通过对损失函数和性能指标的分析,我们可以得出结论,YOLOv8模型在智能监考系统中的训练过程是成功的。模型在多个关键性能指标上都表现出了稳定的提升,这预示着模型具有很好的实际应用潜力,能够准确地检测和分类监考场景中的目标。这些训练过程中的指标不仅展示了模型当前的性能,也为我们未来对模型的改进提供了依据。

        在评估模型性能时,F1分数是衡量精确度和召回率平衡的关键指标。F1分数的曲线图提供了一个在不同置信度阈值下模型性能的直观展示。通过分析上图中的F1-置信度曲线,我们可以深入理解模型在监考任务中的表现。

         从曲线图中,我们可以观察到两个主要的类别:“cheating”和“good”,它们的F1分数随着置信度阈值的变化而变化。整体来看,“cheating”类别的F1分数在大部分置信度区间内高于“good”类别,这可能表明模型在识别作弊行为上比识别正常行为更为精确和可靠。这对于智能监考系统来说是一个积极的信号,因为在实际应用中,准确识别出作弊行为比简单地确认正常状态更为重要。

         具体地,图中显示所有类别的最高F1分数是0.73,在置信度阈值大约为0.438时达到。这意味着在该阈值下,模型达到了精确度和召回率之间的最佳平衡。对于智能监考系统而言,选择适当的置信度阈值至关重要,因为它直接影响到系统判定行为是否异常的灵敏度。一个过高的置信度阈值可能会导致许多真实的作弊案例被忽略(低召回率),而一个过低的阈值则可能导致过多的正常行为被错误地标记为作弊(低精确度)。

        同时,我们注意到随着置信度阈值的提高,两类的F1分数均呈现下降趋势,直到接近1时急剧下降。这是因为当置信度阈值增加时,模型将更少的预测标记为正类,这虽然可能提高精确度,但同时会显著降低召回率。在阈值接近1时,模型几乎不再将任何预测标记为正类,从而导致F1分数的急剧下降。

        通过综合考量F1分数和置信度阈值的关系,我们可以为智能监考系统设定最佳的操作点。在实际应用中,我们可能会选择略低于0.438的置信度阈值,以确保系统能够更全面地捕获潜在的作弊行为,同时仍然保持合理的误报率。在继续优化模型时,我们会寻求提高整体的F1分数,同时尝试通过不同的技术手段平衡精确度和召回率,如调整损失函数权重或采用数据增强等策略。

4.3 YOLOv5、YOLOv6、YOLOv7和YOLOv8对比

(1)实验设计

        本实验旨在评估和比较YOLOv5、YOLOv6、YOLOv7和YOLOv8几种模型在智能监考系统的性能。为了实现这一目标,博主分别使用使用相同的数据集训练和测试了这四个模型,从而可以进行直接的性能比较。该数据集包含智能监考的图像。本文将比较分析四种模型,旨在揭示每种模型的优缺点,探讨它们在工业环境中实际应用的场景选择。

模型 图像大小 (像素) mAPval 50-95 CPU ONNX 速度 (毫秒) A100 TensorRT 速度 (毫秒) 参数数量 (百万) FLOPs (十亿)
YOLOv5nu 640 34.3 73.6 1.06 2.6 7.7
YOLOv8n 640 37.3 80.4 0.99 3.2 8.7
YOLOv6N 640 37.5 - - 4.7 11.4
YOLOv7-tiny 640 37.4 - - 6.01 13.1

(2)度量指标

  • F1-Score:F1-Score是精确率(Precision)和召回率(Recall)的调和平均值。精确率是指模型正确识别的正例与所有识别为正例的案例之比,而召回率是指模型正确识别的正例与所有实际正例之比。F1-Score对于不平衡的数据集或者需要同时考虑精确率和召回率的任务特别重要。
  • mAP(Mean Average Precision):mAP是衡量模型在多个类别上平均检测准确度的指标。它计算了模型在所有类别上的平均精度,是目标检测领域中常用的性能度量。
名称 YOLOv5nu YOLOv6n YOLOv7-tiny YOLOv8n
mAP 0.757 0.747 0.682 0.765
F1-Score 0.73 0.73 0.72 0.75

(3)实验结果分析

        在本实验中,我们选用了mAP(mean Average Precision)和F1-Score两个广泛认可的度量指标,以在相同的数据集上评估YOLOv5nu、YOLOv6n、YOLOv7-tiny以及YOLOv8n这几种算法的性能。下面是基于实验结果的详细分析。

        首先,我们观察到YOLOv8n在mAP上表现最佳,达到了0.765,紧随其后的是YOLOv5nu,mAP为0.757。YOLOv6n的mAP稍低,为0.747,而YOLOv7-tiny的表现则相对较差,mAP为0.682。mAP是衡量检测精度的重要指标,它考虑了模型在不同置信阈值下的表现,并计算了所有类别的平均精度。YOLOv8n的领先表明它在检测任务上具有更好的整体精度,尤其是在处理此数据集上的多类别目标检测时。

        在F1-Score方面,我们发现YOLOv8n同样领先,得分为0.75。这表明YOLOv8n在精确度和召回率的平衡上做得最好。与此相比,YOLOv5nu和YOLOv6n的F1-Score相同,都是0.73,而YOLOv7-tiny稍低,为0.72。F1-Score是精确度和召回率的调和平均,对于监考系统来说,这个指标尤其重要,因为它同时考虑了避免漏检(高召回率)和减少误检(高精确度)的能力。

       YOLOv8n在这些指标上的优势可能归因于其更先进的架构和优化的网络细节,这可能提供了更准确的检测和更好的类别识别尽管YOLOv5nu的性能与YOLOv6n相当,但较新的YOLOv8n提供了显著的性能提升。此外,虽然YOLOv7-tiny在这一对比中表现最差,但它可能因其较小的模型尺寸而具有在资源受限的环境中部署的潜在优势。

       最后,选择哪一个版本的YOLO算法不仅仅取决于mAP和F1-Score这样的性能指标,还应该考虑实际应用中的需求,如运算资源的限制、实时性的要求以及模型部署的便利性。YOLOv8n在性能上的领先显示了其作为当前前沿目标检测算法的潜力,尤其是在需要高精度和高效率的智能监考系统中。然而,对于有资源限制或需要更快速度的场景,YOLOv7-tiny可能是一个更合适的选择。总之,这些实验数据为我们提供了在选择适合的目标检测算法时的宝贵参考。

4.4 代码实现

        在智能监控系统的构建中,整合高效的图像处理技术与用户交互界面至关重要。我们的目标是开发一个能够实时分析考试行为,准确识别潜在作弊行为的系统。在这个过程中,Python的强大功能和YOLOv8的高效检测能力发挥了核心作用。下面,我们将一步步解析构建智能监考系统的关键代码片段。

(1)导入必要的模块和配置
        首先,我们需要导入一些基础模块来支撑整个应用。sys模块让我们能够与Python解释器交互,处理相关的系统参数。time模块用于记录预测所需的时间,帮助我们监控算法的性能。cv2即OpenCV库,是处理视频流的核心。QtWidgets和QtCore来自PySide6库,它们为我们的图形用户界面提供了必要的组件和事件处理机制。

import sys  # 导入sys模块,用于访问与Python解释器相关的变量和函数
import time  # 导入time模块,用于获取当前时间

import cv2  # 导入OpenCV库,用于图像处理
from QtFusion.widgets import QMainWindow  # 从QtFusion库导入FBaseWindow类,用于创建主窗口
from QtFusion.handlers import MediaHandler  # 从QtFusion库导入MediaHandler类,用于处理媒体流
from QtFusion.utils import drawRectBox, get_cls_color  # 从QtFusion库导入drawRectBox函数,用于在图像上绘制矩形框
from PySide6 import QtWidgets, QtCore  # 导入PySide6库的QtWidgets和QtCore模块,用于创建GUI
from QtFusion.path import abs_path
from QtFusion.config import QF_Config
from YOLOv8Model import YOLOv8Detector  # 从YOLOv8Model模块导入YOLOv8Detector类,用于物体检测

QF_Config.set_verbose(False)

        在代码中,我们使用QtFusion库,这是一个封装了Qt功能的库,它提供了创建现代化窗口和控件的方法。
(2)定义类别和模型
        接下来,代码初始化了一个YOLOv8检测器,并加载了训练好的权重文件。这一步是实现智能监考系统的关键,因为它装载了我们模型的智能核心。

cls_name = ["疑似作弊", "良好", "正常"]   # 定义类名列表

model = YOLOv8Detector()  # 创建YOLOv8Detector对象
model.load_model(abs_path("weights/exam-yolov8n.pt", path_type="current"))  # 加载预训练的YOLOv8模型
colors = get_cls_color(model.names)  # 获取类别颜色

(3)创建主窗口
        MainWindow类负责创建主窗口,为用户显示实时监控的视频流,并响应用户的操作,如通过按键退出程序。这个类是用户交互设计的基础,它通过QLabel显示来自摄像头的图像,并在用户按下Q键时关闭应用。

class MainWindow(QMainWindow):  # 定义MainWindow类,继承自FBaseWindow类
    def __init__(self):  # 定义构造函数
        super().__init__()  # 调用父类的构造函数
        self.resize(850, 500)  # 设置窗口的大小
        self.label = QtWidgets.QLabel(self)  # 创建一个QLabel对象,用于显示图像
        self.label.setGeometry(0, 0, 850, 500)  # 设置QLabel对象的几何形状

    def keyPressEvent(self, event):  # 定义keyPressEvent函数,用于处理键盘事件
        if event.key() == QtCore.Qt.Key.Key_Q:  # 如果按下的键是Q键
            self.close()  # 关闭窗口

(4)主程序流程

        接下来,frame_process函数实现了对每一帧视频流的处理。它首先调整图像大小,以符合模型的输入要求。然后,利用YOLOv8Detector进行物体检测,并计算处理每帧所需的时间。这个过程的关键在于模型的predict方法,它生成了检测结果,随后通过drawRectBox函数在图像上绘制识别出的目标和对应的信息。

def frame_process(image):  # 定义frame_process函数,用于处理每一帧图像
    image = cv2.resize(image, (850, 500))  # 调整图像的大小
    pre_img = model.preprocess(image)  # 对图像进行预处理

    t1 = time.time()  # 获取当前时间
    pred = model.predict(pre_img)  # 使用模型进行预测
    t2 = time.time()  # 获取当前时间
    use_time = t2 - t1  # 计算预测所用的时间

    print("推理时间: %.2f" % use_time)  # 打印预测所用的时间
    det = pred[0]  # 获取预测结果
    # 如果有检测信息则进入
    if det is not None and len(det):
        det_info = model.postprocess(pred)  # 对预测结果进行后处理
        for info in det_info:  # 遍历检测信息
            name, bbox, conf, cls_id = info['class_name'], info['bbox'], info['score'], info[
                'class_id']  # 获取类名、边界框、置信度和类别ID
            label = '%s %.0f%%' % (name, conf * 100)  # 创建标签,包含类名和置信度
            # 画出检测到的目标物
            image = drawRectBox(image, bbox, alpha=0.2, addText=label, color=colors[cls_id])  # 在图像上绘制矩形框,并添加标签和颜色

    window.dispImage(window.label, image)  # 在窗口的label控件上显示图像

        MediaHandler类负责捕获视频流,并在每帧准备好时调用frame_process函数。我们的MainWindow实例负责显示视频流和检测结果,为用户提供直观的视觉反馈。

app = QtWidgets.QApplication(sys.argv)  # 创建QApplication对象
window = MainWindow()  # 创建MainWindow对象

videoHandler = MediaHandler(fps=30)  # 创建MediaHandler对象,设置帧率为30
videoHandler.frameReady.connect(frame_process)  # 当有新的帧准备好时,调用frame_process函数
videoHandler.setDevice(device=0)  # 设置设备为0,即默认的摄像头
videoHandler.startMedia()  # 开始处理媒体流

# 显示窗口
window.show()
# 进入 Qt 应用程序的主循环
sys.exit(app.exec())

        通过这些精心设计的代码,我们的智能监考系统不仅能实时分析考场内的行为,还可以提供一个友好的用户界面。这种系统的实现展示了现代计算机视觉和用户界面设计技术的结合,是智能监控领域中技术与应用相结合的典范。


5. 智能监考系统实现

        在构建智能监考系统时,我们的设计思路围绕着创建一个高效、直观且用户友好的环境。我们的系统不仅要能够实时监控考试过程,还要能够与用户交互,提供清晰的反馈和控制。为了达成这一目标,我们采用了一个综合性的设计方法,将用户界面、媒体处理以及模型预测紧密结合在一起。

5.1 系统设计思路

        我们首先定义了MainWindow类作为系统的核心,该类的设计符合MVC(Model-View-Controller)设计模式,将用户界面、数据处理和业务逻辑清晰地分离。这不仅有助于代码的维护和更新,还使得未来的功能扩展和迭代变得更加容易。

(1)架构设计
        在系统的架构设计上,我们遵循了分层的方法,确保了各个组件的清晰划分和高内聚性,同时也易于维护和扩展。具体来说,我们的架构分为三个主要层次:

  • 处理层(Processing Layer):在处理层(Processing Layer),我们集成了YOLOv8Detector类,这是一个强大的物体检测模型,能够准确地识别和分类图像中的不同对象。这一层的设计关键在于能够实时处理视频流,并提供精确的检测结果。该模型的预训练权重被加载并用于在每一帧视频中进行预测,以监测潜在的作弊行为。
  • 界面层(UI Layer):对于界面层(UI Layer),我们利用了PySide6库来构建一个直观且互动性强的用户界面。该界面包括视频显示窗口、状态指示器和控制按钮,使用户能够轻松地启动监控、查看实时分析结果和调整设置。界面的设计不仅仅是为了美观,更重要的是为了用户体验,确保用户可以无障碍地操作系统。
  • 控制层(Control Layer):控制层作为系统的指挥中心,协调界面层和处理层的互动,承担着协调用户界面和后端处理模块之间交互的任务。通过定义槽函数,它响应用户操作,如启动和停止视频流,或者是响应其他GUI事件。这种设计允许用户通过直观的界面与系统进行互动,无需直接处理复杂的后端逻辑。

        我们的系统设计还特别强调模块间的通信,使用了Qt的信号和槽机制来实现。这使得系统的不同部分——从图像捕获到处理,再到结果展示——可以无缝协作,同时保持代码的清晰和可维护性。例如,当MediaHandler捕获到新的视频帧时,它会发出信号,随后frame_process槽函数就会被调用来处理该帧,并更新界面上的显示。

        综上所述,我们的智能监考系统在设计上追求的是功能性与用户体验的平衡。通过精心设计的架构,每个组件都能有效地发挥其作用,从而实现一个既高效又易于使用的智能监控解决方案。随着技术的发展,我们的系统将持续优化,以适应教育领域不断变化的需求。

(2)系统流程

        在本博客中,我们将深入探讨构建一个智能监考系统的流程设计,该系统通过集成高级的计算机视觉技术,实现实时的考试监控和作弊行为检测。此系统基于YOLOv8模型,结合PySide6创建了一个人性化的交互界面,为用户提供了操作的便利性和直观性。

  1. 当用户启动应用程序时,MainWindow类的实例会被创建。这个实例的主要职责是设置应用的初始状态,包括初始化用户界面和配置必要的参数。它作为用户与系统交互的入口点,为后续操作铺垫了基础。界面的设计简洁明了,旨在让用户即使在没有深入技术背景的情况下也能轻松地进行操作。

  2. 用户通过明了的界面选择输入源,这可以是实时的摄像头捕获,也可以是预先录制的视频文件或者是静态的图像文件。该选择的多样性提供了广泛的应用场景,满足不同用户的需求。一旦输入源被确定,系统会调用媒体处理器开始处理流数据,这可能涉及到视频的解码或图像的加载。

  3. 在媒体输入源就绪后,系统将进入一个连续的帧处理循环。在预处理阶段,系统对每帧图像进行标准化处理,包括调整尺寸和色彩空间转换,以适配YOLOv8模型的输入格式。这一步骤确保了图像数据能够被模型有效分析。

  4. 接下来,在检测与识别阶段,经过预处理的图像被送入YOLOv8模型进行分析。模型利用其深度学习算法识别监考场景中的关键特征,如考生的行为模式,然后输出检测结果。这一环节是智能监考系统的核心,因为它直接关系到系统的准确性和可靠性。

  5. 随着检测结果的生成,界面将即时更新以展示最新信息。检测框和标注将被绘制在图像上,提供直观的视觉反馈。同时,界面还会显示统计数据,如检测到的作弊行为次数,这为用户分析和理解监考情况提供了数据支持。

  6. 此外,系统设计中包含了丰富的交互操作。用户可以通过按钮保存结果、访问帮助信息或通过下拉菜单筛选特定结果,这些功能提升了系统的互动性。媒体控制的实现,让用户可以随时开始或停止视频流的捕获和分析,赋予了用户对监控过程更大的控制权。

        整体而言,我们设计的智能监考系统强调了用户体验与高技术性能的融合。通过简化用户操作流程、实时更新界面反馈,并提供准确的监控结果,该系统不仅提高了考试的监督质量,也为用户提供了高效且易于使用的监控工具。随着未来技术的进步和用户反馈的积累,系统将持续优化,以更好地服务于教育公正性的维护。

5.2 登录与账户管理

        在构建智能监考系统时,账户管理与用户认证是提高系统安全性和提供个性化体验的重要组成部分。本系统通过融合PySide6的强大界面构建能力和SQLite数据库的高效数据管理功能,实现了一个全面的用户登录和账户管理界面。这一界面不仅仅是用户使用监考系统的门户,更是一个可以个性化定制并管理个人偏好设置的工作空间。

        系统的用户账户管理功能包括注册新账户、修改密码、个性化头像设置,以及账户注销和重新登录等。这些功能的设计考虑到了用户的便利性和安全性,确保每位用户都能在一个安全的环境中使用智能监考系统。当新用户首次使用系统时,他们可以轻松完成注册流程,并通过用户友好的界面快速设置个人信息。对于已注册用户,系统提供了密码修改功能,以便用户定期更新安全凭证,增强账户保护。

        此外,账户管理还包括头像设置功能,允许用户上传个人头像,增加了系统的个性化体验。在注销和重新登录功能方面,系统确保用户可以随时安全退出,并在需要时重新访问他们的个人空间。

        这些账户管理功能不仅提高了系统的安全性,也增强了用户对智能监考系统的信任感。用户可以在自己的账户空间内保存个人设置和检测结果,这些信息都被妥善管理和保护。此外,每个用户的检测历史和配置设置都可以根据个人喜好进行调整,这使得智能监考系统不仅在功能上强大,在提供定制化用户体验方面也同样出色。

        通过集成深度学习模型,系统能够实现多物体识别和检测的功能,实时显示包括检测框、类别及置信度在内的信息。系统支持多种输入源,包括图片、视频、实时摄像头和批量文件,满足了各种监考场景的需求。整合了用户登录与账户管理的设计,智能监考系统不仅能够为教育领域提供一种高效的监考工具,同时也为用户带来了一种安全、个性化的使用体验。随着技术的不断发展,我们将继续优化系统的各项功能,以确保它能够适应未来教育环境的发展需求。


下载链接

    若您想获得博文中涉及的实现完整全部资源文件(包括测试图片、视频,py, UI文件,训练数据集、训练代码、界面代码等),这里已打包上传至博主的面包多平台,见可参考博客与视频,已将所有涉及的文件同时打包到里面,点击即可运行,完整文件截图如下:

完整资源中包含数据集及训练代码,环境配置与界面中文字、图片、logo等的修改方法请见视频,项目完整文件下载请见演示与介绍视频的简介处给出:➷➷➷

演示与介绍视频:https://www.bilibili.com/video/BV1Ay421z76j/

YOLOv8/v7/v6/v5项目合集:https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZZuXmZpt
YOLOv8/v5项目完整资源:https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZZuXmJpu
YOLOv7项目完整资源:https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZZuXmJ9u
YOLOv6项目完整资源:https://mbd.pub/o/bread/mbd-ZZuXlptr

    在文件夹下的资源显示如下,下面的链接中也给出了Python的离线依赖包,读者可在正确安装Anaconda和Pycharm软件后,复制离线依赖包至项目目录下进行安装,另外有详细安装教程:(1)Pycharm软件安装教程;(2)Anaconda软件安装教程;(3)Python环境配置教程

离线依赖安装教程:https://www.bilibili.com/video/BV1hv421C7g8/
离线依赖库下载链接:https://pan.baidu.com/s/1y6vqa9CtRmC72SQYPh1ZCg?pwd=33z5 (提取码:33z5)


6. 总结与展望

        在本博客中,我们详细介绍了一个基于YOLOv8模型的智能监考系统,还实验了YOLOv7、YOLOv6、YOLOv5等模型。系统以模块化的方式设计,充分采用了合理的架构设计,带来良好的可维护性和可扩展性。其用户界面友好,能够提供实时的智能监考和识别结果展示,同时支持用户账户管理,以便于保存和管理检测结果和设置。

        该系统支持摄像头、视频、图像和批量文件等多种输入源,能够满足用户在不同场景下的需求。在后面可以添加更多预训练模型,增加检测和识别的种类;优化用户界面,增强个性化设置;并积极聆听用户反馈,以期不断改进系统,以更好地满足用户的需求。


结束语

        由于博主能力有限,博文中提及的方法即使经过试验,也难免会有疏漏之处。希望您能热心指出其中的错误,以便下次修改时能以一个更完美更严谨的样子,呈现在大家面前。同时如果有更好的实现方法也请您不吝赐教。


  1. Fang W, Wang L, Ren P. Tinier-YOLO: A real-time object detection method for constrained environments[J]. IEEE Access, 2019, 8: 1935-1944. ↩︎

  2. Wu W, Liu H, Li L, et al. Application of local fully Convolutional Neural Network combined with YOLO v5 algorithm in small target detection of remote sensing image[J]. PloS one, 2021, 16(10): e0259283. ↩︎

  3. Talaat F M, ZainEldin H. An improved fire detection approach based on YOLO-v8 for smart cities[J]. Neural Computing and Applications, 2023, 35(28): 20939-20954. ↩︎

  4. Wang C Y, Bochkovskiy A, Liao H Y M. YOLOv7: Trainable bag-of-freebies sets new state-of-the-art for real-time object detectors[C]//Proceedings of the IEEE/CVF Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2023: 7464-7475. ↩︎

  5. Li C, Li L, Jiang H, et al. YOLOv6: A single-stage object detection framework for industrial applications[J]. arXiv preprint arXiv:2209.02976, 2022. ↩︎

posted @ 2024-02-23 17:29  思绪无限  阅读(77)  评论(0编辑  收藏  举报