手部关键点检测3：Pytorch实现手部关键点检测(手部姿势估计)含训练代码和数据集

AI吃大瓜2023-10-18 15:16

手部关键点检测3：Pytorch实现手部关键点检测(手部姿势估计)含训练代码和数据集

目录

手部关键点检测3：Pytorch实现手部关键点检测(手部姿势估计)含训练代码和数据集

[1. 前言](#1. 前言)

2.手部关键点检测(手部姿势估计)方法

(1)Top-Down(自上而下)方法

(2)Bottom-Up(自下而上)方法：

3.手部关键点检测数据集

4.手部关键点检测模型训练

（1）项目安装

（2）准备Train和Test数据

（3）配置文件configs

（4）开始训练

（5）Tensorboard可视化训练过程

5.手部关键点检测模型效果

6.手部关键点检测(推理代码)

7.手部关键点检测(训练代码)

8.手部关键点检测C++/Android版本

1. 前言

本篇文章是项目《手部关键点检测(手部姿势估计)》系列文章之《Pytorch实现手部关键点检测(手部姿势估计)》；项目基于Pytorch深度学习框架，实现手部关键点检测(手部姿势估计)模型，其中手部检测采用YOLOv5模型，手部关键点检测是基于开源的HRNet进行改进，构建了整套手部关键点检测的训练和测试流程；为了方便后续模型工程化和Android平台部署，项目支持高精度HRNet检测模型，轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet模型训练和测试，并提供Python/C++/Android多个版本；

轻量化Mobilenet-v2模型在普通Android手机上可以达到实时的检测效果，CPU(4线程)约50ms左右，GPU约30ms左右 ，基本满足业务的性能需求。下表格给出HRNet，以及轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet的计算量和参数量，以及其检测精度

|--------------|----------------|---------------|------------|--------|
| 模型 | input-size | params(M) | GFLOPs | AP |
| HRNet-w32 | 192×192 | 28.48M | 5734.05M | 0.8570 |
| LiteHRNet18 | 192×192 | 1.10M | 182.15M | 0.8023 |
| Mobilenet-v2 | 192×192 | 2.63M | 529.25M | 0.7574 |

先展示一下**手部检测以及手部关键点检测(手部姿势估计)**效果：

Android**手部关键点检测(手部姿势估计)**APP Demo体验：

https://download.csdn.net/download/guyuealian/88418582

【尊重原创，转载请注明出处】https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/133277726

更多项目《手部关键点检测(手部姿势估计)》系列文章请参考：

​

2.手部关键点检测(手部姿势估计)方法

手部关键点检测(手部姿势估计) 的方法，目前主流的方法主要两种：一种是Top-Down （自上而下）方法，另外一种是Bottom-Up（自下而上）方法；

(1)Top-Down( 自上而下****)****方法

将手部检测和手部关键点估计分离，在图像上首先进行手部目标检测，定位手部位置；然后crop每一个手部图像，再估计每个手部的关键点；这类方法往往比较慢，但姿态估计准确度较高。目前主流模型主要有CPN，Hourglass，CPM，Alpha Pose，HRNet等。

(2)Bottom-Up( 自下而上****)****方法：

先估计图像中所有手部的关键点，然后在通过Grouping的方法组合成一个一个手部实例；因此这类方法在测试推断的时候往往更快速，准确度稍低。典型就是COCO2016年人体关键点检测冠军Open Pose。

通常来说，Top-Down具有更高的精度，而Bottom-Up具有更快的速度； 就目前调研而言， Top-Down的方法研究较多，精度也比Bottom-Up（自下而上）方法高。

本项目基于开源的HRNet进行改进，关于HRNet项目请参考GitHub

HRNet: https://github.com/leoxiaobin/deep-high-resolution-net.pytorch

3.手部关键点检测数据集

项目收集了三个手部检测数据集和三个手部关键点数据集：

  • 手部检测数据集 （Hand Detection Dataset）共收集了三个：Hand-voc1，Hand-voc2和Hand-voc3，总共60000+张图片；标注格式统一转换为VOC数据格式，标注名称为hand，可用于深度学习手部目标检测模型算法开发
  • 手部关键点数据集（Hand Keypoints Dataset，Hand Pose Estimation共收集了三个：分别为HandPose-v1,HandPose-v2和HandPose-v3，总共80000+张图片，标注了手部21个关键点，可用于深度学习手部姿态检测模型算法开发。

关于手部关键点检测数据集说明，请参考：手部关键点(手部姿势估计)数据集(含下载链接) https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/133277630​​

4.手部关键点检测模型训练

整套工程项目基本结构如下：

bash 复制代码 
.
├── configs              # 训练配置文件
├── data                 # 一些数据
├── libs                 # 一些工具库
├── pose                 # 姿态估计模型文件
├── work_space           # 训练输出工作目录
├── demo.py              # 模型推理demo文件
├── README.md            # 项目工程说明文档
├── requirements.txt     # 项目相关依赖包
└── train.py             # 训练文件

（1）项目安装

项目依赖python包请参考requirements.txt，使用pip安装即可**，项目代码都在Ubuntu系统和Windows系统验证正常运行，请放心使用；若出现异常，大概率是相关依赖包版本没有完全对应**

bash 复制代码 
numpy==1.16.3
matplotlib==3.1.0
Pillow==6.0.0
easydict==1.9
opencv-contrib-python==4.5.2.52
opencv-python==4.5.1.48
pandas==1.1.5
PyYAML==5.3.1
scikit-image==0.17.2
scikit-learn==0.24.0
scipy==1.5.4
seaborn==0.11.2
tensorboard==2.5.0
tensorboardX==2.1
torch==1.7.1+cu110
torchvision==0.8.2+cu110
tqdm==4.55.1
xmltodict==0.12.0
basetrainer
basetrainer
pybaseutils==0.9.4
pycocotools==2.0.6

项目安装教程请参考（初学者入门，麻烦先看完下面教程，配置好开发环境）：

（2）准备Train和Test数据

下载手部关键点检测数据集：HandPose-v1,HandPose-v2和HandPose-v3，然后解压到本地

（3）配置文件configs

项目支持HRNet以及轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet模型训练，并提供对应的配置文件；你需要修改对应配置文件的数据路径；本篇以训练HRNet-w32为例子，其配置文件在configs/coco/hrnet/w32_adam_hand_192_192.yaml，修改该文件的训练数据集路径TRAIN_FILE（支持多个数据集训练）和测试数据集TEST_FILE的数据路径为你本地数据路径，其他参数保持默认即可，如下所示：

python 复制代码 
WORKERS: 8
PRINT_FREQ: 10
DATASET:
  DATASET: 'custom_coco'
  TRAIN_FILE:
    - 'D:/dataset/HandPose-v1/train/train_anno.json'
    - 'D:/dataset/HandPose-v2/train/train_anno.json'
    - 'D:/dataset/HandPose-v3/train/train_anno.json'
  TEST_FILE: 'D:/dataset/HandPose-v1/test/test_anno.json'
  FLIP: true
  ROT_FACTOR: 45
  SCALE_FACTOR: 0.3
  SCALE_RATE: 1.25
  JOINT_IDS: [ ]
  FLIP_PAIRS: [ ]
  SKELETON: [ [ 0, 1 ], [ 1, 2 ], [ 2, 3 ], [ 3, 4 ], [ 0, 5 ], [ 5, 6 ], [ 6, 7 ], [ 7, 8 ],  [ 5, 9 ], [ 9, 10 ], [ 10, 11 ], [ 11, 12 ], [ 9, 13 ], [ 13, 14 ], [ 14, 15 ], [ 15, 16 ], [ 13, 17 ], [ 17, 18 ], [ 18, 19 ], [ 19, 20 ], [ 0, 17 ] ]

配置文件的一些参数说明，请参考

|------------------|--------|-------------|--------------------------------|
| 参数 | 类型 | 参考值 | 说明 |
| WORKERS | int | 8 | 数据加载处理的进程数 |
| PRINT_FREQ | int | 10 | 打印LOG信息的间隔 |
| DATASET | str | custom_coco | 数据集类型，目前仅支持COCO数据格式 |
| TRAIN_FILE | List | - | 训练数据集文件列表(COCO数据格式)，支持多个数据集 |
| TEST_FILE | string | - | 测试数据集文件(COCO数据格式),仅支持单个数据集 |
| FLIP | bool | True | 是否翻转图片进行测试，可提高测试效果 |
| ROT_FACTOR | float | 45 | 训练数据随机旋转的最大角度，用于数据增强 |
| SCALE_FACTOR | float | 1.25 | 图像缩放比例因子 |
| SCALE_RATE | float | 0.25 | 图像缩放率 |
| JOINT_IDS | list | [ ] | [ ]表示所有关键点，也可以指定需要训练的关键点序号ID |
| FLIP_PAIRS | list | [ ] | 图像翻转时，关键点不受翻转影响的ID号 |
| SKELETON | list | [ ] | 关键点连接线的序列列表，用于可视化效果 |

（4）开始训练

修改好配置文件后，就可以开始准备训练了：

  • 训练高精度模型HRNet-w48或者HRNet-w32
bash 复制代码 
# 高精度模型：HRNet-w48
python train.py  -c "configs/coco/hrnet/w48_adam_hand_192_192.yaml" --workers=8 --batch_size=32 --gpu_id=0 --work_dir="work_space/hand"
# 高精度模型：HRNet-w32
python train.py  -c "configs/coco/hrnet/w32_adam_hand_192_192.yaml" --workers=8 --batch_size=32 --gpu_id=0 --work_dir="work_space/hand"
  • 训练轻量化模型LiteHRNet
bash 复制代码 
# 轻量化模型：LiteHRNet
python train.py  -c "configs/coco/litehrnet/litehrnet18_hand_192_192.yaml" --workers=8 --batch_size=32 --gpu_id=0 --work_dir="work_space/hand"
  • 训练轻量化模型Mobilenetv2
bash 复制代码 
# 轻量化模型：Mobilenet
python train.py  -c "configs/coco/mobilenet/mobilenetv2_hand_192_192.yaml" --workers=8 --batch_size=32 --gpu_id=0 --work_dir="work_space/hand"

下表格给出HRNet，以及轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet的计算量和参数量，以及其检测精度AP； 高精度检测模型HRNet-w32，AP可以达到0.8570，但其参数量和计算量比较大，不合适在移动端部署；LiteHRNet18和Mobilenet-v2参数量和计算量比较少，合适在移动端部署；虽然LiteHRNet18的理论计算量和参数量比Mobilenet-v2低，但在实际测试中，发现Mobilenet-v2运行速度更快。轻量化Mobilenet-v2模型在普通Android手机上可以达到实时的检测效果，CPU(4线程)约50ms左右，GPU约30ms左右 ，基本满足业务的性能需求

|--------------|----------------|---------------|------------|--------|
| 模型 | input-size | params(M) | GFLOPs | AP |
| HRNet-w32 | 192×192 | 28.48M | 5734.05M | 0.8570 |
| LiteHRNet18 | 192×192 | 1.10M | 182.15M | 0.8023 |
| Mobilenet-v2 | 192×192 | 2.63M | 529.25M | 0.7574 |

（5）Tensorboard可视化训练过程

复制代码 
训练过程可视化工具是使用Tensorboard，使用方法，在终端输入：
bash 复制代码 
# 基本方法
tensorboard --logdir=path/to/log/
# 例如
tensorboard --logdir="work_space/hand/hrnet_w32_21_192_192_custom_coco_20231007_083128_2043/log"

点击终端TensorBoard打印的链接，即可在浏览器查看训练LOG信息等：

5.手部关键点检测模型效果

demo.py文件用于推理和测试模型的效果，填写好配置文件，模型文件以及测试图片即可运行测试了；demo.py命令行参数说明如下：

参数 类型 参考值 说明
-c,--config_file str - 配置文件
-m,--model_file str - 模型文件
target str - 骨骼点类型，如hand,coco_person,mpii
image_dir str data/image 测试图片的路径
video_file str,int - 测试的视频文件
out_dir str output 保存结果，为空不保存
threshold float 0.3 关键点检测置信度
device str cuda:0 GPU ID

下面以运行HRNet-w32为样例，其他模型修改--config_file或者--model_file即可

  • 测试图片
bash 复制代码 
python demo.py   -c "work_space/hand/hrnet_w32_21_192_192_custom_coco_20231007_083128_2043/w32_adam_hand_192_192.yaml"    -m "work_space/hand/hrnet_w32_21_192_192_custom_coco_20231007_083128_2043/model/best_model_189_0.8570.pth"   --target "hand"   --image_dir "data/hand"   --out_dir "output"
  • 测试视频文件
bash 复制代码 
python demo.py   -c "work_space/hand/hrnet_w32_21_192_192_custom_coco_20231007_083128_2043/w32_adam_hand_192_192.yaml"    -m "work_space/hand/hrnet_w32_21_192_192_custom_coco_20231007_083128_2043/model/best_model_189_0.8570.pth"   --target "hand"   --video_file "data/hand/test-video.mp4"   --out_dir "output"
  • 测试摄像头
bash 复制代码 
 python demo.py   -c "work_space/hand/hrnet_w32_21_192_192_custom_coco_20231007_083128_2043/w32_adam_hand_192_192.yaml"    -m "work_space/hand/hrnet_w32_21_192_192_custom_coco_20231007_083128_2043/model/best_model_189_0.8570.pth"   --target "hand"   --video_file 0   --out_dir "output"

运行效果：

6.手部关键点检测(推理代码)

手部关键点检测推理代码下载地址：Pytorch实现手部关键点检测(手部姿势估计)-推理代码

手部关键点检测推理代码内容包含：

（1）手部关键点检测推理代码（Pytorch）

  1. 提供YOLOv5手部检测推理代码（不包含训练代码）
  2. 提供手部关键点检测推理代码demo.py（不包含训练代码）
  3. 提供高精度版本HRNet手部关键点检测（不包含训练代码）
  4. 提供轻量化模型LiteHRNet,以及Mobilenet-v2手部关键点检测（不包含训练代码）
  5. 提供训练好的模型：HRNet-w32,LiteHRNet和Mobilenet-v2模型，配置好环境，可直接运行demo.py
  6. 推理代码demo.py支持图片，视频和摄像头测试

如果你需要配套的训练数据集和训练代码，请查看下面部分

7.手部关键点检测(训练代码)

手部关键点检测训练代码下载地址： Pytorch实现手部关键点检测(手部姿势估计)》 含训练代码和数据集

手部关键点检测训练代码内容包含：手部检测数据集和手部关键点数据集 + 手部关键点检测训练和测试代码

（1）手部检测数据集和手部关键点数据集：

  1. 手部检测数据集：包含Hand-voc1,Hand-voc2和Hand-voc3，总共60000+张图片；标注格式统一转换为VOC数据格式，标注名称为hand，可用于深度学习手部目标检测模型算法开发。

  2. 手部关键点数据集：包含HandPose-v1,HandPose-v2和HandPose-v3，总共80000+张图片；标注了手部区域目标框box，标注名称为hand，同时也标注了手部21个关键点，标注格式统一转换为COCO数据格式，可直接用于深度学习手部关键点检测模型训练。

  3. 数据集详细说明，请查看《手部关键点(手部姿势估计)数据集(含下载链接)》https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/133277630

（2）手部关键点检测训练代码和测试代码（Pytorch）

  1. 提供YOLOv5手部检测推理代码（不包含训练代码）
  2. 提供整套完整的手部关键点检测项目工程代码，包含手部关键点检测的训练代码train.py和推理测试代码demo.py
  3. 提供高精度版本HRNet手部关键点检测训练和测试
  4. 提供轻量化模型LiteHRNet,以及Mobilenet-v2手部关键点检测训练和测试
  5. 根据本篇博文说明，简单配置即可开始训练：train.py
  6. 提供训练好的模型：HRNet-w32,LiteHRNet和Mobilenet-v2模型，配置好环境，可直接运行demo.py
  7. 测试代码demo.py支持图片，视频和摄像头测试

8.手部关键点检测C++/Android版本

Android手部关键点检测(手部姿势估计) APP Demo体验：https://download.csdn.net/download/guyuealian/88418582

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