YOLO 모델을 이용한 객체 추적과 다중 객체 검출, 객체 검출과 객체 추적의 차이점 이해하기

현대의 컴퓨터 비전 분야에서, 객체 검출(Object Detection)과 객체 추적(Object Tracking)은 필수적인 기술입니다. 이 두 기술은 여러 산업과 응용 프로그램에서 활발하게 사용되고 있으며, 특히 자율주행차와 감시 시스템 등에서 중요합니다. 본 강좌에서는 YOLO(You Only Look Once) 모델을 기반으로 객체 검출과 객체 추적의 개념을 살펴보겠습니다.

1. YOLO 모델 소개

YOLO는 객체 검출을 위한 딥러닝 기반 모델로, 2015년 Joseph Redmon에 의해 처음 소개되었습니다. YOLO의 가장 큰 특징은 이미지를 한 번만 보고 객체를 검출하는 방식입니다. 이는 기존의 방법에 비해 훨씬 빠른 속도로 객체를 검출할 수 있게 해줍니다.

1.1 YOLO의 작동 방식

YOLO는 입력 이미지를 SxS 그리드로 나누고, 각 그리드에 대해 바운딩 박스와 클래스 확률을 예측합니다. 각 그리드는 특정 객체가 존재할 확률이 0.5 이상일 때만 그 객체를 검출할 수 있습니다. 이러한 접근 방식은 속도와 성능을 동시에 고려한 디자인이었습니다.

2. 객체 검출(Object Detection)과 객체 추적(Object Tracking)

객체 검출과 객체 추적은 비슷해 보이지만, 개념적으로 큰 차이가 있습니다. 객체 검출은 주어진 이미지 내에서 객체를 식별하여 바운딩 박스를 그리는 작업을 의미합니다. 반면 객체 추적은 영상 속에서 시간에 따라 움직이는 객체를 지속적으로 식별하고 추적하는 과정입니다.

2.1 객체 검출의 예

객체 검출의 주요 과정은 이미지를 입력으로 받아 객체의 종류와 위치를 바운딩 박스로 반환하는 것입니다. 이 과정에서 YOLO 모델이 매우 유용하게 활용됩니다.

2.2 객체 추적의 예

객체 추적은 여러 프레임에 걸쳐 동일한 객체가 지속적으로 존재하는지를 검사하는 것을 포함합니다. 즉, 특정 객체가 한 위치에서 다른 위치로 이동하는 동안 그 객체를 식별하여 추적해야 합니다.

3. YOLO를 이용한 객체 검출과 다중 객체 검출

YOLO를 사용하여 객체 검출과 다중 객체 검출을 수행하는 방법을 살펴보겠습니다. 다음 파이썬 코드 예제에서는 OpenCV와 YOLOv3 모델을 이용하여 객체를 검출하는 방법을 설명합니다.


import cv2
import numpy as np

# YOLO 모델 로드
def load_yolo():
    net = cv2.dnn.readNet("yolov3.weights", "yolov3.cfg")
    layer_names = net.getLayerNames()
    output_layers = [layer_names[i[0] - 1] for i in net.getUnconnectedOutLayers()]
    return net, output_layers

# 객체 검출 함수
def detect_objects(img, net, output_layers):
    height, width = img.shape[:2]
    blob = cv2.dnn.blobFromImage(img, 0.00392, (416, 416), (0, 0, 0), True, crop=False)
    net.setInput(blob)
    outs = net.forward(output_layers)
    
    class_ids = []
    confidences = []
    boxes = []

    for out in outs:
        for detection in out:
            scores = detection[5:]
            class_id = np.argmax(scores)
            confidence = scores[class_id]
            if confidence > 0.5:  # 신뢰도 0.5 이상
                center_x = int(detection[0] * width)
                center_y = int(detection[1] * height)
                w = int(detection[2] * width)
                h = int(detection[3] * height)

                # 바운딩 박스 좌표
                x = int(center_x - w / 2)
                y = int(center_y - h / 2)

                boxes.append([x, y, w, h])
                confidences.append(float(confidence))
                class_ids.append(class_id)

    indices = cv2.dnn.NMSBoxes(boxes, confidences, 0.5, 0.4)
    for i in indices:
        box = boxes[i]
        x, y, w, h = box
        label = str(classes[class_ids[i]])
        confidence = confidences[i]
        color = [int(c) for c in np.random.randint(0, 255, size=3)]
        cv2.rectangle(img, (x, y), (x + w, y + h), color, 2)
        cv2.putText(img, label + " " + str(round(confidence, 2)), (x, y + 30), cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, color, 3)

# 클래스 로드
def load_classes():
    with open("coco.names", "r") as f:
        return [line.strip() for line in f.readlines()]

# 메인 함수
if __name__ == "__main__":
    net, output_layers = load_yolo()
    classes = load_classes()
    img = cv2.imread("image.jpg")  # 이미지 경로
    detect_objects(img, net, output_layers)
    cv2.imshow("Image", img)
    cv2.waitKey(0)
    cv2.destroyAllWindows()

4. YOLO를 이용한 객체 추적

객체 검출 후, 객체 추적을 진행하기 위해 여러 가지 방법이 있지만, 대표적으로 SORT(Simple Online and Realtime Tracking) 알고리즘과 Kalman 필터를 활용한 방법이 있습니다. 다음은 YOLO와 SORT를 결합하여 객체 추적을 수행하는 예제 코드입니다.


from sort import Sort

# 객체 추적 초기화
tracker = Sort()

cap = cv2.VideoCapture("video.mp4")  # 비디오 경로
while cap.isOpened():
    ret, frame = cap.read()
    if not ret:
        break
    
    detections = detect_objects(frame, net, output_layers)
    detections = np.array(detections).reshape(-1, 5)  # [x, y, w, h, confidence]
    
    # SORT를 통해 객체 추적
    trackers = tracker.update(detections)
    
    # 추적 결과 시각화
    for d in trackers:
        x1, y1, x2, y2, obj_id = d
        cv2.rectangle(frame, (int(x1), int(y1)), (int(x2), int(y2)), (255, 0, 0), 2)
        cv2.putText(frame, f'ID: {int(obj_id)}', (int(x1), int(y1)-10), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.5, (255, 0, 0), 2)

    cv2.imshow("Tracking", frame)
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break

cap.release()
cv2.destroyAllWindows()

5. 객체 검출과 객체 추적의 차이점

객체 검출은 개별 프레임에서 객체의 위치와 클래스를 식별하는 반면, 객체 추적은 연속된 프레임에서 특정 객체를 추적하며 그 위치를 업데이트하는 것입니다. 즉, 객체 검출은 정적인 작업이고, 객체 추적은 동적인 작업이라고 할 수 있습니다.

객체 검출을 통해 바운딩 박스를 얻은 후, 객체 추적을 통해 그 바운딩 박스들이 어떻게 움직이는지를 지속적으로 알아내는 것이 이 두 개념의 기본적인 차별점입니다.

5.1 성능 비교

YOLO는 매우 빠르고 효율적인 객체 검출 방법으로 널리 사용됩니다. 그러나, 객체 추적의 경우, 마지막으로 검출된 위치를 기반으로 다음 위치를 예측하기 때문에, 검출된 객체가 프레임 내에서 사라지거나 겹치는 경우 정확성이 낮아질 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 Kalman 필터와 같은 예측 알고리즘이 사용됩니다.

5.2 실제 적용 사례

YOLO 모델은 다음과 같은 다양한 분야에서 사용될 수 있습니다:

자율주행차: 도로 위의 다양한 객체를 실시간으로 감지하고 추적하여 안전한 주행을 도와줍니다.
감시 시스템: CCTV 영상에서 사람이나 차량을 감지하고 이동 경로를 추적할 수 있습니다.
스포츠 분석: 경기 중 선수들의 위치와 움직임을 추적하여 전략 분석에 활용됩니다.

결론

이번 강좌에서는 YOLO 모델을 통해 객체 검출과 객체 추적의 개념 및 이들의 차이점에 대해 알아보았습니다. YOLO는 뛰어난 성능과 속도로 객체를 검출하는 데 최적화되어 있으며, 다양한 응용 프로그램에서 유용하게 사용될 수 있습니다. 객체 추적 알고리즘과 결합하여 더 광범위한 활용이 가능하다는 점도 강조할 수 있습니다.

이제 여러분은 YOLO 모델을 이용한 객체 검출과 추적이 어떻게 이루어지는지에 대한 기본적인 이해를 가지게 되었을 것입니다. 코드를 활용하여 실제 프로젝트에 적용해보고, 더 나아가 자신의 아이디어로 발전시켜 보세요!