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| 本文作者： 楊鯉萍 | 2019-08-22 10:02 |
雷鋒網(wǎng) AI 開(kāi)發(fā)者按：就在不久前，Google 人工智能實(shí)驗(yàn)室宣布，他們?cè)凇笇?shí)時(shí)手部跟蹤」方面取得了新的進(jìn)展，并將這項(xiàng)新技術(shù)運(yùn)用在了 MediaPipe 中，這也是 AI 計(jì)算機(jī)視覺(jué)任務(wù)的一大突破。這一技術(shù)不光可以在手機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)捕捉性能，甚至可以同時(shí)對(duì)多個(gè)手的動(dòng)作進(jìn)行跟蹤。目前，Google 已經(jīng)將該項(xiàng)目開(kāi)源，并且發(fā)布了相關(guān)博客介紹了這項(xiàng)技術(shù)，雷鋒網(wǎng) AI 開(kāi)發(fā)者將其內(nèi)容整理編譯如下。
能夠?qū)κ值男螤詈瓦\(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行感知是改善用戶(hù)在不同的技術(shù)領(lǐng)域和平臺(tái)上的體驗(yàn)的一個(gè)重要組成部分。例如，它可以實(shí)現(xiàn)手語(yǔ)理解和手勢(shì)控制，還可以使數(shù)字內(nèi)容和信息疊加在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR，https://ai.googleblog.com/search/label/Augmented%20Reality ）的物理世界之上。雖然對(duì)我們來(lái)說(shuō)這個(gè)能力是天生的，但強(qiáng)大的實(shí)時(shí)手部感知是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的計(jì)算機(jī)視覺(jué)任務(wù)，因?yàn)槭滞鶗?huì)自我遮蓋或相互遮擋（例如手指/手掌之間的遮蔽或者握手），而且手部之間也缺乏高對(duì)比度。
我們現(xiàn)在發(fā)布了一種新的手部感知方法，并且在 6 月的 CVPR 2019 大會(huì)上，我們已經(jīng)對(duì)該方法開(kāi)放了預(yù)覽。在這個(gè)方法展示過(guò)程中，我們通過(guò) MediaPipe——一個(gè)開(kāi)放源碼的跨平臺(tái)框架，來(lái)構(gòu)建了處理視頻和音頻等類(lèi)型的不同模式感知數(shù)據(jù)的框架。
該方法通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)（ML）從單個(gè)幀中推斷出一只手的 21 個(gè) 3D 關(guān)鍵點(diǎn)，從而提供了高保真的手部和手指跟蹤。目前最先進(jìn)的方法主要依靠強(qiáng)大的桌面環(huán)境進(jìn)行推理，而我們的方法可以在手機(jī)端實(shí)現(xiàn)這個(gè)實(shí)時(shí)性能，甚至還可以擴(kuò)展到對(duì)多個(gè)手的同步跟蹤。
我們希望通過(guò)提供該手部感知功能給廣泛的研究和開(kāi)發(fā)社區(qū)，能夠有利于大家創(chuàng)造出更多全新的用例，同時(shí)激勵(lì)更多新應(yīng)用程序和新研究途徑的出現(xiàn)。
圖 1 通過(guò) MediaPipe 在手機(jī)上進(jìn)行實(shí)時(shí) 3D 手部感知。我們的解決方案是使用機(jī)器學(xué)習(xí)從一個(gè)視頻幀計(jì)算手的 21 個(gè)三維關(guān)鍵點(diǎn)。圖中深度通過(guò)顏色灰色程度表示。
我們的手部跟蹤解決方案使用了一個(gè)機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)，該架構(gòu)由幾個(gè)模型共同組成：
掌上檢測(cè)器模型（稱(chēng)為 BlazePalm）。它對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行操作，并返回一個(gè)定向的手部邊界框；
手部標(biāo)志模型。它在掌上探測(cè)器定義的裁剪圖像區(qū)域上操作，并返回高保真的 3D 手部關(guān)鍵點(diǎn)；
手勢(shì)識(shí)別器，它將先前計(jì)算的關(guān)鍵點(diǎn)配置分類(lèi)為一組離散的手勢(shì)。
這種架構(gòu)類(lèi)似于我們最近發(fā)布的 face mesh ML 模型（https://sites.google.com/view/perception-cv4arvr/facemesh），這個(gè)模型也被其他人用于的姿態(tài)估計(jì)中。將精確裁剪的手掌圖像提供到手部標(biāo)志模型中，可以大大減少更多數(shù)據(jù)（例如旋轉(zhuǎn)、平移和縮放）的需求，從而使網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)⑵浯蟛糠中阅苡糜趨f(xié)調(diào)預(yù)測(cè)精度。
圖 2 手部感知模型整體架構(gòu)
為了檢測(cè)手的初始位置，我們使用了一個(gè)名為 BlazePalm 的單鏡頭檢測(cè)器模型（https://arxiv.org/abs/1512.02325）。該模型可用于移動(dòng)實(shí)時(shí)檢測(cè)，其方式類(lèi)似于 BlazeFace（https://arxiv.org/abs/1907.05047），這個(gè)模型也可以在 MediaPipe 中使用。
手部檢測(cè)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的任務(wù)：我們的模型必須要適應(yīng)不同的手部尺寸，因此它具有相對(duì)于圖像幀更大的范圍 (~20x)，并且它能夠檢測(cè)被遮擋以及自遮擋的手部狀態(tài)。
人臉通常具有很高的對(duì)比度，例如在眼睛和嘴部區(qū)域都有明顯的區(qū)別。但由于手部缺乏這樣的特征，因此我們很難僅從其視覺(jué)特征中可靠地檢測(cè)到這些特征。不過(guò)通過(guò)提供額外的信息，如手臂、身體或人的特征，倒是有助于精確的手定位。因此，我們的解決方案使用了不同的策略來(lái)解決上述挑戰(zhàn)。
首先，我們訓(xùn)練了一個(gè)手掌檢測(cè)器來(lái)代替手部探測(cè)器，因?yàn)橥茰y(cè)例如手掌和拳頭這樣剛性物體的邊界框比檢測(cè)手指的關(guān)節(jié)要簡(jiǎn)單得多。此外，由于手掌是較小的物體，我們采用了非最大抑制算法（https://www.coursera.org/lecture/convolutional-neural-networks/non-max-suppression-dvrjH ），該算法可以在即使雙手自遮擋的情況（如握手）下，也能夠達(dá)到很好的工作效果。
同時(shí)，手掌還可以使用方形邊界框（在 ML 術(shù)語(yǔ)中的錨）來(lái)模擬，忽略其他高寬比，從而將錨的數(shù)量減少 3-5 倍。其次，我們將適用于更大場(chǎng)景上下文感知中的編碼器—解碼器特征提取器用于手部感知這樣的小對(duì)象中（類(lèi)似于 RetinaNet 辦法，https://arxiv.org/abs/1612.03144）。最后，我們將訓(xùn)練期間的焦損降至最低，從而支持由于高度變化而產(chǎn)生的大量錨點(diǎn)。
利用上述技術(shù)，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)手掌的平均檢測(cè)精度為 95.7%；而使用常規(guī)的交叉熵?fù)p失并且在沒(méi)有解碼器的情況下，檢測(cè)精度基準(zhǔn)僅為 86.22%。
在對(duì)整個(gè)圖像進(jìn)行手掌檢測(cè)后，我們隨后的手部標(biāo)志模型通過(guò)回歸對(duì)檢測(cè)到的手部區(qū)域內(nèi)的 21 個(gè) 3D 手關(guān)節(jié)坐標(biāo)進(jìn)行精確的關(guān)鍵點(diǎn)定位，即直接對(duì)坐標(biāo)進(jìn)行預(yù)測(cè)。該模型將學(xué)習(xí)一致的內(nèi)部手勢(shì)表示，甚至對(duì)部分可見(jiàn)的手和自遮擋都表現(xiàn)出了魯棒性。
為了獲得實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，我們手工標(biāo)注了 30K 張具有 21 個(gè) 3D 坐標(biāo)的真實(shí)手勢(shì)圖像，如下圖所示（如果存在對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)，則從圖像深度圖中獲取 Z 值)。為了更好地覆蓋可能的手勢(shì)，并提供對(duì)手勢(shì)的幾何形狀的附加監(jiān)督，我們還在不同的背景上渲染了一個(gè)高質(zhì)量的合成手部模型，并將其映射到相應(yīng)的三維坐標(biāo)中。
圖 3 第一行圖片為對(duì)齊的手部通過(guò)實(shí)時(shí)標(biāo)注傳遞到跟蹤網(wǎng)絡(luò)；第二行圖片為使用實(shí)時(shí)標(biāo)注渲染合成手部圖像。
然而，單純的合成數(shù)據(jù)很難推廣到更廣泛的領(lǐng)域。為了克服這個(gè)問(wèn)題，我們使用了一個(gè)混合訓(xùn)練模式，下面的圖顯示了一個(gè)高級(jí)模型訓(xùn)練圖。
圖 4 手部跟蹤網(wǎng)絡(luò)的混合訓(xùn)練模式。裁剪的真實(shí)照片和渲染的合成圖像用作輸入，以預(yù)測(cè) 21 個(gè) 3D 關(guān)鍵點(diǎn)。
下圖展示了根據(jù)訓(xùn)練數(shù)據(jù)的性質(zhì)總結(jié)了回歸的準(zhǔn)確性。使用合成數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)都可以顯著提高模型的性能。
圖 5 使用合成數(shù)據(jù)和真實(shí)數(shù)據(jù)對(duì)模型性能的影響結(jié)果
在預(yù)測(cè)的手部骨架之上，我們應(yīng)用一種簡(jiǎn)單的算法來(lái)推導(dǎo)手勢(shì)。首先，每個(gè)手指的狀態(tài)，例如彎曲或豎直，是由關(guān)節(jié)的累積角度決定的。于是，我們將一組手指狀態(tài)映射到一組預(yù)定義的手勢(shì)上。這種簡(jiǎn)單但有效的技術(shù)可以使我們?cè)诒ＷC檢測(cè)質(zhì)量的情況下來(lái)估計(jì)基本的靜態(tài)手勢(shì)。現(xiàn)有的架構(gòu)支持多種文化的手勢(shì)計(jì)數(shù)，如美國(guó)、歐洲和中國(guó)，以及各種手勢(shì)標(biāo)志，包括「拇指向上」、緊握拳頭、「OK」、「搖滾」和「蜘蛛俠」。
圖 6 不同手勢(shì)識(shí)別結(jié)果
通過(guò)使用 MediaPipe，我們可以將該感知架構(gòu)建模稱(chēng)模塊化組件的有向圖（https://en.wikipedia.org/wiki/Directed_graph），稱(chēng)為 Calculators（計(jì)算器）。Mediapipe 附帶了一組可擴(kuò)展的計(jì)算器，可用于解決各種設(shè)備和平臺(tái)的模型推理、媒體處理算法以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換等任務(wù)。而像裁剪、渲染和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算這樣的單個(gè)計(jì)算器，可以獨(dú)立在 GPU 上執(zhí)行。例如，我們?cè)诖蠖鄶?shù)現(xiàn)代手機(jī)上采用 TFLite GPU 推理。
我們用于手部跟蹤的 MediaPipe 架構(gòu)圖如下所示。該圖由兩個(gè)子圖組成——一個(gè)用于手檢測(cè)，另一個(gè)用于手部關(guān)鍵點(diǎn)（即標(biāo)志性）計(jì)算。MediaPipe 提供的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)化是只在必要時(shí)運(yùn)行掌上檢測(cè)器（因此該檢測(cè)器的運(yùn)行頻率很低），從而節(jié)省了大量的計(jì)算時(shí)間。
我們通過(guò)從當(dāng)前幀中計(jì)算所得的手部關(guān)鍵點(diǎn)來(lái)推斷后續(xù)視頻幀中的手部位置實(shí)現(xiàn)手部跟蹤，從而無(wú)需在每個(gè)幀上運(yùn)行掌上檢測(cè)器。為了獲得魯棒性，手部跟蹤器模型輸出一個(gè)額外的標(biāo)量，以獲取一只手在輸入裁剪中存在并合理對(duì)齊的置信度。只有當(dāng)置信度低于一定的閾值時(shí)，才能將手部檢測(cè)模型重新應(yīng)用到整個(gè)幀中。
圖 7 手部標(biāo)志模型的輸出（REJECT_HAND_FLAG）控制何時(shí)觸發(fā)手部檢測(cè)模型。這種行為是通過(guò) MediaPipe 強(qiáng)大的同步構(gòu)建塊實(shí)現(xiàn)的，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器學(xué)習(xí)架構(gòu)的高性能和最佳吞吐量。
該高效的機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案可以實(shí)時(shí)運(yùn)行，并且跨越各種不同的平臺(tái)和形式因素。它所包含的復(fù)雜性要比上面的簡(jiǎn)化描述要復(fù)雜得多。為此，我們將在 MediaPipe 框架中開(kāi)源上述手部跟蹤與手勢(shì)識(shí)別方法，并附帶相關(guān)的端到端使用場(chǎng)景和源代碼（https://github.com/google/mediapipe/blob/master/mediapipe/docs/hand_tracking_mobile_gpu.md），這為研究人員和開(kāi)發(fā)人員提供了一個(gè)完整的堆棧，基于我們的模型可以對(duì)新思想進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和原型設(shè)計(jì)。
我們計(jì)劃通過(guò)更強(qiáng)大和穩(wěn)定的跟蹤來(lái)擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)，擴(kuò)大我們能夠可靠檢測(cè)的手勢(shì)數(shù)量，并支持動(dòng)態(tài)手勢(shì)的及時(shí)展開(kāi)。我們相信，發(fā)布這項(xiàng)技術(shù)可以激發(fā)廣大研究和開(kāi)發(fā)人員的新創(chuàng)意和應(yīng)用。我們很期待看到你的創(chuàng)新！
*MediaPipe
MediaPipe 是一個(gè)跨平臺(tái)框架，用于構(gòu)建應(yīng)用于機(jī)器學(xué)習(xí)流程中的多模態(tài)（例如，視頻，音頻，任何時(shí)間序列數(shù)據(jù)）框架。通過(guò)使用 MediaPipe，我們可以將感知流程構(gòu)建為模塊化組件的圖形，包括：推理模型（例如，TensorFlow，TFLite）和媒體處理功能。
MediaPipe 開(kāi)源地址：https://github.com/google/mediapipe/
原文鏈接：
https://ai.googleblog.com/2019/08/on-device-real-time-hand-tracking-with.html
手勢(shì)識(shí)別開(kāi)源地址：
https://github.com/google/mediapipe/blob/master/mediapipe/docs/hand_tracking_mobile_gpu.md
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