Определение положения человека

Эта статья находится в разработке!

Определение положения человека (англ. Human pose estimation) — частный случай задачи сегментации изображения из раздела компьютерного зрения о нахождении и локализации частей тела человека на изображениях или видео (рассматривается как последовательность изображений). Чаще всего позицией человека называют набор соединённых ключевых точек (англ. Joint), соответствующих суставам (плечи, локти, кисти, тазобедренные суставы, колени, стопы) и другим ключевым точкам (шея, голова, центр торса). Эту задачу можно рассматривать в двух или трёх измерениях, от чего зависит сложность задачи и практические применения результатов. Также задачу можно разделить на два подтипа: определение положения для одного человека (англ. Single Person Pose Estimation), определение положения для нескольких человек (англ. Multi Person Pose Estimation)

Постановка задачи

Определение положения одного человека (англ. Single Person Pose Estimation)

Задача заключается в определении положения одного человека по фото или видео. Важным условием является то, что на изображении должен быть только один человек, иначе гарантировать корректное выполнение невозможно. В качестве результата необходимо получить набор соединённых точек, указывающих на соответствующие части тела. Сложности заключаются в том, чтобы отделить друг от друга разные части тела, корректно определять положение конечностей, скрытых за другими объектами, а также корректно отличать левые части тела от правых, независимо от поворота человека на изображении.

Рисунок 1 Исходная картинка. [x]

Рисунок 2 Результат работы алгоритма для одного человека. [x]

Определение положений нескольких людей (англ. Multi Person Pose Estimation)

Эта задача имеет более высокую сложность, так как необходимо обнаружить множество человек на изображении, а затем определить положение для каждого человека из множества обнаруженных людей. Основная сложность в том, чтобы корректно определить и отличить друг от друга части тела, принадлежащие разным людям, а также решить все сложности связанные с Single Person Pose Estimation.

Рисунок 3 Исходная картинка с несколькими людьми [x]

Рисунок 4 Промежуточный этап разделения людей [x]

Рисунок 5 Итоговый результат работы алгоритма [x]

Область применения

1. Кинематограф и анимация — популярные технологии CGI (англ. computer-generated imagery, буквально «изображения, сгенерированные компьютером») и захват движения (англ. Motion capture), позволяют создавать движущиеся изображения и графику, используя для анимации движения специального актера. Несмотря на то, что в настоящий момент чаще используется маркерный способ, при котором актер надевает костюм с датчиками движения, в последние годы большое развитие получил безмаркерный способ, основанный на компьютерном зрении.
2. Видеоигры — широко применяется в дополненной реальности (англ. Augmented Reality, AR) и виртуальной реальности (англ. Virtual Reality, VR). Также в консольных игровых решениях используется трекинг (англ. Motion tracking), отслеживающий положения игрока в некотором радиусе перед камерой. Помимо этого, определение положения человека необходимо непосредственно в производстве видеоигр, для этого, опять же, используется технология CGI.
3. Человеко-компьютерное взаимодействие (англ. Human-computer interaction) — здесь определение положения человека используется для взаимодействия с роботами или компьютерами, для отдачи команд компьютерным системам. Примером такого взаимодействия можно назвать уже упомянутый захват движения при игре на консолях.
4. Биомеханика спорта (англ. Sport motion analysis) — анализ движений при тренировке и соревнованиях. Используется для лучшего понимания процессов, происходящих при занятии спортом, для предотвращения травм и растяжений, и для установления новых рекордов. Информация, полученная в ходе анализа, используется также для создания профессионального инвентаря.

Методы решения

DeepPose (2013)

Рисунок 6 Примеры результатов работы алгоритма [x]

DeepPose — первая значимая разработка с использованием глубокого обучения для задачи определения положения человека. Модель продемонстрировала высокую эффективность и превзошла существовавшие на тот момент решения.

Оценка позы формулируется как задача как совместную регрессию по ключевым точкам (англ. Joint) и решается при помощи сверточных нейронных сетей глубокого обучения (англ. convolutional DNN). Полное изображение и 7-слойная обобщенная сверточная нейронная сеть глубокого обучения используются в качестве входных данных для регрессии по местоположению каждого сустава тела. У этого решения есть два преимущества.

Во-первых, глубокая нейронная сеть (англ. DNN) может захватывать полный контекст каждой ключевой точки - каждый регрессор сустава использует полное изображение как входной сигнал.

Во-вторых, данный подход существенно проще формулируется в сравнении с методами, основанными на графических моделях - нет необходимости явно проектировать представления элементов и детекторы для отдельных частей тела; нет необходимости явно разрабатывать топологию модели и взаимодействия между суставами. Вместо этого, для решения данной задачи можно обучить обобщенную сверточную DNN.

Кроме того, авторы используют каскад основанных на DNN предсказателей позы. Такой каскад позволяет повысить точность (англ. precision) совместной локализации ключевых точек. Начиная с начальной оценки позы, на основе полного изображения обучаются регрессоры на основе DNN, который уточняют совместные прогнозы с помощью фрагментов изображений с более высоким разрешением.

Важной особенностью является то, что обрабатывается человек целиком, что позволяет корректно определять позу, даже если некоторые суставы скрыты.

Если рассматривать архитектуру, модель основана на AlexNet (7 слоёв) и дополнительном финальном слое, выводящем пары координат ключевых точек. Обучение модели производится с использованием функции потерь L2 для регрессии (англ. L2 loss for regression).

Рисунок 7 Слева: схематичное изображение глубокой нейронной сети для регрессии. Мы визуализируем слои сети с соответствующими размерами, где сверточные слои — голубые, а полностью связные — зеленые. Параметр свободных слоёв не показан. Справа: на шаге s, a уточняющий регрессор применяется на фрагменте изображения чтобы улучшить результат предыдущего шага [x]

DeepCut (2015)

Рисунок 8 [x]

DeepCut решает задачу определения поз для нескольких людей (англ. Multi person Pose estimation) и также имеет открытый код.

Данный подход предполагает одновременное решение задач определения частей тела и отделения друг от друга частей тела разных людей: определяется количество людей в сцене, идентифицируются закрытые части тела и устраняется неоднозначность частей тела людей, находящихся в непосредственной близости друг от друга. Это отличает данное решение от многих других, сначала выявляющих людей, а затем оценивающие их положения.

Авторы предлагают разделение и разметку набора гипотез о частях тела, созданных с помощью детекторов частей на основе CNN. Неявно выполняется не-максимальное подавление (англ. Non-maximum Suppression, NMS) для набора возможных частей и производится группировка, чтобы сформировать конфигурации частей тела с учетом геометрических ограничений и ограничений внешнего вида.

Пример работы алгоритма, рисунок 8: (a) начальное определение возможных частей и попарных связей между всеми обнаруженными частями, которые (b) кластеризуются по принадлежности одному человеку (один цвет - один человек) и каждая часть помечается меткой соответствующего этой части класса (разные цвета и символы относятся к разным частям тела); (c) демонстрация результата.

OpenPose (2018)

Рисунок 9 Примеры результатов работы алгоритма [x]

OpenPose — первая система, решающая задачу определения поз для нескольких людей (англ. Multi person Pose estimation) в режиме реального времени c открытым исходным кодом.

Определяет 135 ключевых точек для каждого человека. Поддерживает определение не только крупных частей, но и отдельных пальцев и их движений. Для обучения использовался CMU Panoptic Studio dataset, состоящий из съемок людей с большого числа ракурсов в специальном куполе, оснащенном 500 камерами.

Рисунок 10 [x]

Рисунок 11 [x]

Логика архитектуры OpenPose следующая: во-первых, входное RGB-изображение (рисунок 10а) подается как вход в многослойную CNN с двумя ветвями.

Две ветви означают, что CNN производит два разных вывода. На рисунке 11 верхняя ветвь, показанная бежевым цветом, предсказывает карты достоверности (англ. confidence map) (рисунок 10b) расположения различных частей тела. Нижняя ветвь, показанная синим цветом, предсказывает поля сходства фрагментов (англ. affinity field, PAFs) (рисунок 10c), которые представляют степень связи между различными частями тела.

Многослойность означает следующее: на первом этапе (левая половина рисунка 11) сеть создает начальный набор карт достоверности обнаружения S и набор полей сходства для части L. Затем на каждой последующей стадии (правая половина рисунка 11) прогнозы из обеих ветвей на предыдущем этапе, вместе с характеристиками исходного изображения F, объединяются (обозначены знаком + на рисунке 11) и используются для получения более точных прогнозов. В реализации OpenPose последним этапом t выбран шестой.

На рисунке 12 показаны преимущества многослойной архитектуры. В этом примере мы наблюдаем некоторую начальную путаницу между левой и правой частями тела на первых нескольких этапах. Но по мере того, как слой увеличивается, сеть различает их лучше.

В конце карты достоверности и поля сходства обрабатываются методом жадного вывода (рисунок 10d) для вывода двумерных ключевых точек для всех людей на изображении (рисунок 10e).

Рисунок 12. Результаты на слоях 1, 3 и 6 [x]

Важной особенностью является скорость работы данного решения. На рисунке 13 представлено сравнение времени работы трех доступных библиотек, решающих задачу определения положения человека (в одинаковых условиях на одинаковом аппаратном обеспечении): OpenPose, Alpha-Pose (fast Pytorch version), и Mask R-CNN. Время исполнения OpenPose является константным, в то время как у Alpha-Pose и Mask R-CNN линейно растет с числом людей на исходных данных.

Рисунок 13 [x]

См. также

• Нахождение объектов на изображении
• Оценка положения
• Компьютерное зрение
• Обнаружение и обработка дорожных знаков и пешеходов
• Сверточные нейронные сети

Источники информации

• Guide to Human Pose Estimation, Sudharshan Chandra Babu, 2019
• Monocular Human Pose Estimation Yucheng Chena, Yingli Tianb, Mingyi Hea, 2020
• DeepPose: Human Pose Estimation via Deep Neural Networks, Alexander Toshev, Christian Szegedy, 2014
• DeepCut: Joint Subset Partition and Labeling for Multi Person Pose Estimation, Leonid Pishchulin, Eldar Insafutdinov, Siyu Tang, Bjoern Andres, Mykhaylo Andriluka, Peter Gehler, Bernt Schiele, 2016
• OpenPose github page
• Understanding OpenPose (with code reference)— Part 1