计算机视觉可以学习美式手语，进而帮助听力障碍群体吗？

前言

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。

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。

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：

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。

在验证集上成功创建具备标签和预测置信度的新边界框。

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。

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

执行其他一些测试，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

儿童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

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。

责任编辑：lq