OpenVINO? 頭部姿態(tài)評估網(wǎng)絡應用演示

姿態(tài)評估技術與框架

姿態(tài)評估(Pose estimation)是計算機視覺的研究熱點之一，姿態(tài)評估的算法應用主要可以分為兩部完成，第一步是對象檢測，對象區(qū)域的定位與查找，截取圖像ROI，第二步是根據(jù)對象檢測定位截取ROI區(qū)域作為輸入，完成姿態(tài)評估與預測。當前主要用于姿態(tài)評估的深度學習網(wǎng)絡框架有以下幾種：

OpenPose框架：

是一個開源的姿態(tài)評估算法框架，支持多任姿態(tài)評估，可以實現(xiàn)實時的人體對象檢測、身體、頭部、手部姿態(tài)評估與人臉關機點檢測，支持2D與3D，簡易的C++接口調(diào)用與自定義訓練。

DeepCut框架：

跟OpenPose類似的姿態(tài)評估框，支持多人檢測與姿態(tài)評估，特別是在圖像與視頻中運動場景下，包括足球與籃球運動場景。

其它的類似框架還包括有AlphaPose、DeepPose、PoseNet等。姿態(tài)評估算法主要應用場景在移動機器人、虛擬現(xiàn)實、人體跌倒檢測、危險動作識別、機器人動作訓練、活體驗證等。

OpenVINO™ 2021.02版本中涉及到姿態(tài)評估方面的支持主要有下列幾個預訓練模型：

表-1

從human-pose-estimation-0002到human-pose-estimation-0004輸入圖像的分辨率增大，計算復雜度增加，檢測精度提升。從human-pose-estimation-0001到human-pose-estimation-0004都支持多人的姿態(tài)評估。OpenVINO™ 通過上述五個模型實現(xiàn)基本的人體姿態(tài)評估需求。這里我們以頭部姿態(tài)評估為例來完成姿態(tài)評估模型的OpenVINO™ 部署與代碼演示。

頭部姿態(tài)評估模型

OpenVINO™ 支持的頭部姿態(tài)評估模型head-pose-estimation-adas-0001的輸入與輸出格式分別如下：

輸入格式為NxCxHxW=1x3x60x60，期望的彩色圖像通道順序BGR、大小為60x60

輸出層名稱與格式如下：

name: "angle_y_fc", shape: [1, 1] - Estimated

name: "angle_p_fc", shape: [1, 1] - Estimated pitch

name: "angle_r_fc", shape: [1, 1] - Estimated roll

在三個維度方向?qū)崿F(xiàn)頭部動作識別，它們分別是：

pitch是俯仰角，是“點頭“

yaw是偏航角，是‘搖頭’

roll是旋轉(zhuǎn)角，是“翻滾

它們的角度范圍分別為：YAW [-90,90], PITCH [-70,70], ROLL [-70,70]

這三個專業(yè)詞匯其實是來自無人機與航空領域，計算機視覺科學家一大愛好就是搞新詞，就把它們借用到頭部姿態(tài)評估中，它們的意思圖示如下：

圖-1（來自網(wǎng)絡）

對應到頭部姿態(tài)評估中：

圖-2 (來自網(wǎng)絡)

該網(wǎng)絡模型的格式通過Netron查看之后你會發(fā)現(xiàn)就是一些簡單的Conv-ReLU-BN的疊加，最后是一個多任務的分支輸出，模型結(jié)構(gòu)跟2017年一篇論文里面的模型有點相似，我大膽猜測一波，OpenVINO™ 頭部姿態(tài)模型的開發(fā)者肯定是了解過此篇論文的，論文地址如下：

https://arxiv.org/pdf/1710.00925.pdf

論文中給出的模型結(jié)構(gòu)如下：

圖-3 (來自論文Fine-Grained Head Pose Estimation Without Keypoints)

可以看到它的backbone部分是ResNet50，在OpenVINO™ 中考慮到圖像的輸入分辨率與速度需求ResNet50的backbone被替換為一些簡單的Conv-ReLU-BN疊加。圖示如下：

圖-4

代碼實現(xiàn)

首先需要完成人臉檢測，然后把對人臉部分ROI區(qū)域適當?shù)南蛏显黾哟笮≈笸瓿山貓D，重新resize之后再作為輸入頭部姿態(tài)評估模型推理，得到三個角度，根據(jù)角度數(shù)值的范圍獲得最終的頭部姿態(tài)評估結(jié)果。代碼實現(xiàn)部分的人臉檢測作為上一篇的對象檢測部分關聯(lián)知識，這里就不再展開詳細說明。主要說明如何通過人臉檢測結(jié)果截取ROI區(qū)域，調(diào)用頭部姿態(tài)評估模型實現(xiàn)姿態(tài)評估、預測解析與結(jié)果顯示，所以頭部姿態(tài)評估的代碼部分可以分為以下幾步，它們分別是：

第一步：加載頭部姿態(tài)識別模型與設置輸入輸出格式

// load emotion model

InferenceEngine::CNNNetworkhead_pose_net = ie.ReadNetwork(head_model_xml, head_model_bin);

InferenceEngine::InputsDataMaphead_pose_inputs = head_pose_net.getInputsInfo();

InferenceEngine::OutputsDataMaphead_pose_outputs = head_pose_net.getOutputsInfo();

std::string hp_input_name = "";

for (auto item :head_pose_inputs) {

       hp_input_name = item.first;

       auto input_data = item.second;

       input_data->setPrecision(Precision::U8);

       input_data->setLayout(Layout::NCHW);

}

for (auto item :head_pose_outputs) {

       auto output_data = item.second;

       output_data->setPrecision(Precision::FP32);

}

第二步：獲取可執(zhí)行網(wǎng)絡與推理請求

auto executable_hp_network = ie.LoadNetwork(head_pose_net, "CPU");

auto hp_request = executable_hp_network.CreateInferRequest();

第三步：截取輸入、推理與解析輸出

// check out of boundary

if (box.x< 0) {

       box.x = 0;

}

if (box.y< 0) {

       box.y = 0;

}

if ((box.width + box.x) >= curr_frame.cols) {

       box.width = curr_frame.cols - box.x;

}

if ((box.height+ box.y) >= curr_frame.rows) {

       box.height = curr_frame.rows - box.y;

}

fetch_head_pose(curr_frame, hp_request, box, hp_input_name);

其中fetch_head_pose函數(shù)方法的代碼實現(xiàn)如下：

void fetch_head_pose(cv::Mat &image, InferenceEngine::InferRequest&request, cv::Rect&face_roi,

       std::string &e_input) {

       cv::Mat faceROI = image(face_roi);

       auto blob = request.GetBlob(e_input);

       matU8ToBlob(faceROI, blob);

       request.Infer();

       // output prase

       auto output1 = request.GetBlob("angle_y_fc");

       auto output2 = request.GetBlob("angle_p_fc");

       auto output3 = request.GetBlob("angle_r_fc");

       const float* y_pred = static_cast::value_type*>(output1->buffer());

       const float* p_pred = static_cast::value_type*>(output2->buffer());

       const float* r_pred = static_cast::value_type*>(output3->buffer());

       std::string head_pose = "";

       if (p_pred[0] > 20 || p_pred[0] < -20) {

              head_pose += "pitch, ";

       }

       if (r_pred[0] > 20 || r_pred[0] < -20) {

              head_pose += "roll, ";

       }

       if (y_pred[0] > 20 || y_pred[0] < -20) {

              head_pose += "yaw, ";

       }

       putText(image, head_pose, face_roi.tl(), cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1.0, Scalar(255, 0, 255), 2, 8);

}

最終程序運行結(jié)果如下：

圖-5