(一)Mask R-CNN in Detectron2 for Key Point Detect

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1.COCO数据集中定义的人体关键点检测任务

人体关键点检测常用于人体姿态估计，不仅需要找到人的bounding box，还需要找出其中关键点的位置。coco中human这个类别每个对象定义了17种关键点，依次是['nose', 'left_eye', 'right_eye', 'left_ear', 'right_ear', 'left_shoulder', 'right_shoulder', 'left_elbow', 'right_elbow', 'left_wrist', 'right_wrist', 'left_hip', 'right_hip', 'left_knee', 'right_knee', 'left_ankle', 'right_ankle'],此外还有skeleton骨架字段，表示各个种类关键点之间的连接信息，如[6, 7]表示left_shoulder与left_elbow相连。具体的关系如下：

{
	1: {
		'supercategory': 'person',
		'id': 1,
		'name': 'person',
		'keypoints': ['nose', 'left_eye', 'right_eye', 'left_ear', 'right_ear', 'left_shoulder', 'right_shoulder', 'left_elbow', 'right_elbow', 'left_wrist', 'right_wrist', 'left_hip', 'right_hip', 'left_knee', 'right_knee', 'left_ankle', 'right_ankle'],
		'skeleton': [
			[16, 14],
			[14, 12],
			[17, 15],
			[15, 13],
			[12, 13],
			[6, 12],
			[7, 13],
			[6, 7],
			[6, 8],
			[7, 9],
			[8, 10],
			[9, 11],
			[2, 3],
			[1, 2],
			[1, 3],
			[2, 4],
			[3, 5],
			[4, 6],
			[5, 7]
		]
	}
}

在coco的标注文件中，keypoints检测数据集的标注信息类别如以上介绍的17种，另外在annotation中增加了num_keypoints和keypoints字段,分别表示当前实例中包含了几个关键点和关键点的具体位置信息。keypoints是长度为3k的数组，其中k是关键点的类别数目，coco中k=17，3表示的是关键点的(x,y,v),x,y是关键点在原图上的坐标，v取0,1,2,定义的是关键点是否可见，其中v=0表示关键点没有标注，表示为(x=0,y=0,v=0),v=1表示标注但被遮挡，v=2表示标注且可见。

coco中只标注了图像中非拥挤场景中级以上大小的human的keypoints,训练/验证/测试数据包括超过200000张图像，250000个人体图像标注了关键点，训练/验证数据中有超过150000个人体图像，标注了超过1 700 000个关键点，keypoints标注文件的字段如下：

annotations[{
     "id": int, 
     "image_id": int, 
     "category_id": int, 
     "segmentation": RLE or [polygon], 
     "area": float, 
     "bbox": [x,y,width,height], 
     "iscrowd": 0 or 1,
     "keypoints": [x1,y1,v1,...], 
     "num_keypoints": int
}]

categories[{
     "id": int, 
     "name": str, 
     "supercategory": str,
     "keypoints": [str], 
     "skeleton": [edge],
}]

2.Detectron2中实现的Mask R-CNN用于Keypoints关键点检测

前面介绍了RPN和RoI Pooler,通过RPN网络可以找到可能包含物体的proposal bounding boxes,RoI Pooler可以对proposal bounding boxes的选定区域进行特征提取，以这两个技术为基础，Mask R-CNN可用来实例分割和关键点检测。

Mask R-CNN中实现的key points检测如上图所示，使用的是heatmap概率图的方式，keypoint_head是roi_head中的一个分支，其输入的features是对backbone提取的图像特征features做RoI Pooler后得到的, 输入keypoint_head中的proposals已经没有了层级信息，在做RoI Pooler时有一个assign_boxes_to_levels的过程，其原理参考FPN论文中的方程1。 keypoint_head的结构如上图，由8个CNN组成，后跟1个Transposed CNN和1个向上2x的interpolation操作，用来输出key points heatmap prediction。若输入keypoint_head的feature shape为NxCxHxW，则输出feature shape为NxKx(4*H)x(4*W),其中K表示的是实例中定义的key point总的类别，N表示的是batch中所有的instance个数，其和图片的对应关系，保存在keypoint_head的另一个输入instances中。

keypoint_head的最终预测输出kp_heatmap pred是NxKx(4*H)x(4*W)的特征图，在训练时，根据gt_keypoints将其先转到(4*H)x(4*W)尺度上得坐标(x,y)，再取y*kp_heatmap pred.cols+x作为此点的目标值，在K个通道取有效点与kp_heatmap pred上对应valid通道的(4*H)x(4*W)概率图计算交叉熵损失函数cross_entropy。其原理是对每个(4*H)x(4*W)的概率图上的元素做分类，target就是当前类别keypoint在heatmap尺度上的位置。推理时，对每个instance的K通道(4*H)x(4*W)的heatmaps,在每个通道heatmap上做softmax，求得概率最大的元素位置，即对应通道上keypoint的位置和评分，如此得到N个实例在K种关键点上预测的结果，NxKx(x,y,score)。最后，可以根据score的大小过滤掉K个通道上评分比较低的点。

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参考资料

• 1.https://cocodataset.org/#format-data
• 2.https://github.com/facebookresearch/detectron2