前言：

最近在開發(fā)運動計數(shù)APP，需要用到姿態(tài)估計相關的算法。于是對這一領域的算法進行了總結(jié)。如下圖所示為姿態(tài)估計的一些經(jīng)典論文。這其中OpenPose的影響力可以說是非常大的了，由于其開源做的好，論文，代碼，教程，文檔，模型都非常豐富，因此有很多項目都是基于OpenPose的。并且其bottom-up的核心算法PAF也非常值得學習。本期就對OpenPose進行一個詳細的講解，力爭用最白話的語言把內(nèi)容核心算法講透徹。

網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)

?如下圖所示為OpenPose的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)：

首先由主干網(wǎng)絡VGG19提取圖片的特征，然后進入到stage模塊，stage是一些串行的模塊，每個模塊的結(jié)構(gòu)和功能都是一樣的。分成兩個branch，一個branch生成pcm，一個branch生成paf。并且每個stage的pcm和paf都會進行l(wèi)oss求解。最后總的loss是所有l(wèi)oss的和。?這里考慮一下為什么需要多個stage呢？理論上第一個stage已經(jīng)可以輸出完整的信息了，為什么還需要后面重復的stages呢。這是因為關鍵點之間有相互的語義信息，例如在stage1中，可能只檢測出了眼睛，但是沒有檢測出鼻子，在stage2中，由于輸入中帶有satge1的輸出，那么stage2就更有更可能根據(jù)眼睛再推測出鼻子的位置，因此后面的stage可以利用前面stage提取的信息，進一步優(yōu)化檢測結(jié)果，對于一些比較難檢測的關鍵點很有作用。更直白一點的解釋就是所有關鍵點的檢測難易程度是不一樣的，有一些眼睛，鼻子等視覺特征非常明顯，而有一些關鍵點可能會隨著衣著，遮擋，首飾等有非常大的變化，因此前面的stage檢測一些簡單的關鍵點，后面的stage再根據(jù)前面檢測出的關鍵點檢測更復雜一些的關鍵點，這是一個漸進優(yōu)化的過程。

白話PCM

PCM其實就是關鍵點的熱力圖。Part?confidence map。用來表征關鍵點的位置。假設需要輸出18個人體關鍵點信息，那么PCM會輸出19個通道，最后一個通道作為背景。理論上不輸出背景也沒有什么關系，但是輸出背景有兩個好處，一是增加了一個監(jiān)督信息，有利于網(wǎng)絡的學習，二是背景輸出繼續(xù)作為下一個stage的輸入，有利于下一個stage獲得更好的語義信息。下圖是輸入一張圖片，輸出19個PCM的示意圖。

雖然說一個關鍵點對應的是一個pcm中的一個像素，但是一般不這么做，一般會用高斯核來創(chuàng)建PCM的GroundTruth。如果沒有高斯核，那么gt附件的點被強制當做負樣本來學習，但是實際上該點對應的感受域（黃色虛線框）其實與gt點對應的感受域（紅色虛線框）非常接近，導致神經(jīng)網(wǎng)絡很迷惑，這到底是有還是沒有關鍵點？甚至有的時候由于標注存在誤差，可能標注的gt點反而沒有旁邊的負樣本點準確，那么神經(jīng)網(wǎng)絡就更迷惑了，學個XX啊。一會跟我說圓的是蘋果，一會有跟我說圓的是梨，讓我怎么個學呢？因此用高斯核的PCM ground truth能夠非常好的緩解這個問題。因為標簽點附件的點已經(jīng)不是簡單的當做負樣本，還是根據(jù)高斯分布同樣作為正樣本，只是置信度稍低一點，這更符合邏輯。

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白話PAF

PCM是大部分的關鍵點檢測網(wǎng)絡里面都會用到的技術(shù)，相信很多朋友都已經(jīng)有所了解，而PAF則是openpose的核心，是openpse區(qū)別于其他關鍵點檢測框架的最大特性。中文可以翻譯為關鍵點的親和力場，用來描述不同關鍵點之間的親和力。屬于同一個人的不同關節(jié)，親和力大，不同人之間的關節(jié)，親和力小。由于openpose是一個bottom-up的姿態(tài)估計網(wǎng)絡，也就是先不管關節(jié)是誰的，先一股腦的檢測出來，然后接下來再確定哪些關節(jié)的親和力大，那么把它們劃分為同一個人。如下圖所示，由于圖片中有兩個人的實例，檢測出了兩個左眼與兩個左耳，那么如何進行配對呢？此時就是PAF的作用了，PAF會描述任意兩個關節(jié)之間的親和力（例如檢測出2個左眼與2個左耳，那么每個左眼都能得到和所有左耳的親和力，也就是一共有4個親和力），如下圖所示，顏色越黃，表示兩個關鍵點之間的親和力越強，左耳的1點與左眼的1點親和力明顯大于左眼1與左耳2，因此將左眼1與左耳1進行配對。同樣的左耳2與左眼2的親和力更大，因此將左耳2與左眼2進行配對。

以上是關于PAF作用的描述，那么究竟PAF是如何實現(xiàn)的呢？實際上并不復雜。為了描述方便（接地氣），我這里不使用論文中的描述符號和公式，用最直白，接地氣的大白話來描述。openpose首先把各個關節(jié)進行了人為的配對，如下圖所示，一共19對。可以理解成19根骨骼，每一根骨骼連接了兩個關節(jié)。一個PAF熱圖對應一根骨骼。剛開始的時候我怎么也不明白，18個關節(jié)直接怎么會連出19根骨骼，最后把所有骨骼畫出來才明白。原來有的關節(jié)可以在多跟骨骼上面，而且openpose增加了耳朵和肩膀之間的虛擬骨骼。如下圖紅色連接所表示的虛擬骨骼，所以一共是19根骨骼，也就是19個PAF場。由于PAF是用向量來表示的，因此PAF的輸出通道是19*2=38，因為一個向量需要由x和y兩個標量表示，因此PAF輸出通道是19的2倍。

PAF具體是怎么表達的呢？來看一根左胯到左膝蓋的連接骨骼對應的PAF場，首先我們知道骨骼在真實世界中是有長度和寬度的。長度就是骨骼兩端的兩個關節(jié)之間的距離，那么骨骼的寬度呢？可以通過超參來設置，例如假設該骨骼的寬度為α，那么我們可以定義在骨骼內(nèi)的點親和力向量不為0，在骨骼外面的點的親和力向量為0.

如上圖所示，紅色的點在骨骼內(nèi)，所以在PAF場中就是非零向量，綠色的點在骨骼外面，所以在PAF場中用0向量表示。那么有意義的紅色點的向量是多少呢？openpose使用了從一個關節(jié)指向另一個關節(jié)的單位向量來表示，即圖中黃色向量的單位長度向量來表示。因此最終的PAF場如下圖所示（藍色部分為0向量區(qū)域）：

如果某一個像素點在多個骨骼內(nèi)部，那么該像素點的PAF向量取所有向量的均值向量。

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親和力的快速計算

雖然有了PAF場，那么如何計算兩個關鍵點之間的親和力呢？理論是需要該骨骼內(nèi)的所有向量的積分。但是這樣計算量代價太大了，實際上可以通過均勻采樣的方式。例如將兩個關節(jié)之間均勻的分為5段，然后采集4個點的paf向量作為最終的親和力表示，因為所有骨骼都采樣相同的做法，隨意最后的親和力相對大小還是得到保證的。如下圖所示，這樣的話，計算量可以降低很多。

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關鍵點配對

說實話，剛開始我覺得有了PCM和PAF，那么進行配對應該不是問題，例如通過PCM得到3個左耳，3個左眼，再根據(jù)他們之間的PAF親和力，把親和力最大的配對就行了。例如下圖這樣的：

但實際上，PAF學的沒有這么智能，有的時候很多親和力是比較接近的，根本無法根據(jù)最大值來簡單的配置。例如左耳點1可能與左眼1的親和力最大，但是左眼1卻與左耳2的親和力最大。這樣的話簡單的最大值配對就會出現(xiàn)一些問題。

實際上這是圖論里面的二分圖查找組大匹配問題。因此直接使用匈牙利算法進行最大值匹配即可。關于匈牙利算法，其實也不難理解，網(wǎng)上有很多講的很好的教程，有興趣的朋友可以?查閱相關資料。

@end(有共同技術(shù)愛好的朋友可以加我微信，共同學習，共同進步： 15158106211)

總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的[多图/秒懂]白话OpenPose，最受欢迎的姿态估计网络的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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