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YOLOv5的妙用:学习手语,帮助听力障碍群体

计算机视觉可以学习美式手语,进而帮助听力障碍群体吗?数据科学家 David Lee 用一个项目给出了答案。

如果听不到了,你会怎么办?如果只能用手语交流呢?

当对方无法理解你时,即使像订餐、讨论财务事项,甚至和朋友家人对话这样简单的事情也可能令你气馁。

对普通人而言轻轻松松的事情对于听障群体可能是很困难的,他们甚至还会因此遭到歧视。在很多场景下,他们无法获取合格的翻译服务,从而导致失业、社会隔绝和公共卫生问题。

为了让更多人听到听障群体的声音,数据科学家 David Lee 尝试利用数据科学项目来解决这一问题:

计算机视觉可以学习美式手语,进而帮助听力障碍群体吗?

如果通过机器学习应用可以精确地翻译美式手语,即使从最基础的字母表开始,我们也能向着为听力障碍群体提供更多的便利和教育资源前进一步。

数据和项目介绍

出于多种原因,David Lee 决定创建一个原始图像数据集。首先,基于移动设备或摄像头设置想要的环境,需要的分辨率一般是 720p 或 1080p。现有的几个数据集分辨率较低,而且很多不包括字母「J」和「Z」,因为这两个字母需要一些动作才能完成。

YOLOv5的妙用:学习手语,帮助听力障碍群体

为此,David Lee 在社交平台上发送了手语图像数据收集请求,介绍了这个项目和如何提交手语图像的说明,希望借此提高大家的认识并收集数据。

项目地址:https://github.com/insigh1/GA_Data_Science_Capstone

数据变形和过采样

David Lee 为该项目收集了 720 张图片,其中还有几张是他自己的手部图像。由于这个数据集规模较小,于是 David 使用 labelImg 软件手动进行边界框标记,设置变换函数的概率以基于同一张图像创建多个实例,每个实例上的边界框有所不同。

下图展示了数据增强示例:

YOLOv5的妙用:学习手语,帮助听力障碍群体

经过数据增强后,该数据集的规模从 720 张图像扩展到 18,000 张图像。

建模

David 选择使用 YOLOv5 进行建模。将数据集中 90% 的图像用作训练数据,10% 的图像用作验证集。使用迁移学习和 YOLOv5m 预训练权重训练 300 个 epoch。

YOLOv5的妙用:学习手语,帮助听力障碍群体

在验证集上成功创建具备标签和预测置信度的新边界框。

YOLOv5的妙用:学习手语,帮助听力障碍群体

由于损失值并未出现增长,表明模型未过拟合,因此该模型或许可以训练更多轮次。

模型最终获得了 85.27% 的 mAP@.5:.95 分数。

图像推断测试

David 额外收集了他儿子的手部图像数据作为测试集。事实上,还没有儿童手部图像用于训练该模型。理想情况下,再多几张图像有助于展示模型的性能,但这只是个开始。

YOLOv5的妙用:学习手语,帮助听力障碍群体

26 个字母中,有 4 个没有预测结果(分别是 G、H、J 和 Z)。

四个没有得到准确预测:

D 被预测为 F;

E 被预测为 T;

P 被预测为 Q;

R 被预测为 U。

视频推断测试

‍即使只有几个手部图像用于训练,模型仍能在如此小的数据集上展现不错的性能,而且还能以一定的速度提供优秀的预测结果,这一结果表现出了很大的潜力。

更多数据有助于创建可在多种新环境中使用的模型。

如以上视频所示,即使字母有一部分出框了,模型仍能给出不错的预测结果。最令人惊讶的是,字母 J 和 Z 也得到了准确识别。

‍其他测试

David 还执行了其他一些测试,例如:

左手手语测试

几乎所有原始图像都显示的是右手,但 David 惊喜地发现数据增强在这里起到了作用,因为有 50% 的可能性是针对左手用户进行水平翻转。

‍儿童手语测试

‍David 儿子的手语数据未被用于训练集,但模型对此仍有不错的预测。

‍多实例

‍尽管手语的使用和视频中有所不同,但这个示例表明当多个人出现在屏幕上时,模型可以分辨出不止一个手语实例。

模型局限性

David 发现,该模型还有一些地方有待改进。

距离

‍许多原始图像是用手机拍摄的,手到摄像头的距离比较近,这对远距离推断有一定负面影响。

新环境‍

‍这支视频来自于志愿者,未用于模型训练。尽管模型看到过很多字母,但对此的预测置信度较低,还有一些错误分类。

‍背景推断

该测试旨在验证不同的背景会影响模型的性能。

结论

这个项目表明:计算机视觉可用于帮助听力障碍群体获取更多便利和教育资源!

该模型在仅使用小型数据集的情况下仍能取得不错的性能。即使对于不同环境中的不同手部,模型也能实现良好的检测结果。而且一些局限性是可以通过更多训练数据得到解决的。经过调整和数据集的扩大,该模型或许可以扩展到美式手语字母表以外的场景。

资源‍

Yolov5 GitHub 项目:https://github.com/ultralytics/yolov5

 

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