关键点检测笔记（3）——关键点检测的概念扫盲
关键点检测，也被称作关键点定位或关键点对齐（keypoint alignment），在不同的任务中名字可能略有差异。比如，在人脸关键点定位中会被称作facemark alignment，在人体关键点检测中称作pose alignment。通常，它的输入是一张包含目标的图像，比如人脸的图像、人体的图像或手部的图像，输出是一组预先定义好关键点的位置，比如人脸的五官与脸部轮廓、人体的各个关节、手部的各个关节等。
在关键点检测中，主要的方法可以分为两类：top-down方法和bottom-up方法。这两种方法在处理多个人体的姿态估计问题时有着不同的策略和流程。除此之外呢，关键点检测还可以根据预测方法的不同分为heatmap-based 和 regression-based两种方法。然后我们了解一下检测的难点等。所以本节课呢，主要是对概念的一些了解，然后下一节就要进入实战了。
1，关键点检测需要解决的问题及其应用场景
关键点检测是计算机视觉中的基础研究方向之一，其主要目标是识别图像或视频中物体的关键点，例如人体的关节位置、面部特征点等。这项技术在许多应用中发挥着重要作用，比如人体姿态估计，面部特征检测，手部动作识别等。为了实现高效准确地关键点检测，研究人员需要解决一系列挑战性问题。
1，关键点检测需要解决的问题
关键点检测通常涉及以下几个主要问题：
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定位准确性： 关键点检测算法需要能够准确地定位物体的关键点，以满足实际应用的需求。算法的精度直接影响到后续任务的效果，如在人体姿态估计中，系统需要准确地标记出关节地位置；在面部特征检测中，则需要准确地标记出眼睛，鼻子，嘴巴等关键部位。
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算法鲁棒性： 关键点检测算法需要具有一定的鲁棒性，能够在面对图像中的遮挡、姿态变化、光照变化等情况下仍能准确地检测关键点。
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实时性能： 对于许多应用场景，如实时人体姿态跟踪、手势识别等，关键点检测算法需要具有较高的实时性，能够在短时间内完成关键点检测并作出响应。
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多人检测： 不同的物体可能具有不同的关键点形态和数量，算法需要能够处理不同种类物体的关键点检测，并具有一定的通用性。在拥挤地场景中，需要同时检测和区分多个个体地关键点。这是非常具有挑战性地，因为个体之间可能存在大量地重叠和交互。
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遮挡问题： 在自然场景中，关键点经常会被其他物体或部分遮挡，导致检测困难。关键点检测算法需要在有限的数据条件下表现良好，不仅需要在大规模数据集上训练，还需要能够一些包含大量遮挡地示例，使得模型学会又遮挡地情况下仍然能够检测到关键点。
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姿态不变性： 关键点检测算法通常需要具有一定的姿态不变性，能够识别物体在不同姿态下的关键点位置。在真实世界地应用中，图像中的对象可能出现在不同的尺度上。例如远处的人看起来很小，而近处的人看起来很大。这种尺度的变化给关键点检测带来了挑战。
解决这些问题需要综合运用计算机视觉、机器学习和深度学习等领域的理论和方法，以及对具体应用场景的理解和分析。随着深度学习技术的发展，我们已经取得了很大的进步，但仍有许多待解决的问题。未来的研究将继续探索新的算法和技术，以提高关键点检测的准确性、鲁棒性和效率。
2，关键点检测的应用领域
关键点检测技术作为计算机视觉中的重要组成部分，在诸多领域都有着广泛的应用。从自动驾驶到医学影像分析，从虚拟显示到运行分析，关键点检测都扮演着不可或缺的角色。以下是几个关键点检测技术的主要应用领域。
1，人体姿态估计
应用背景：在人体姿态估计中，关键点通常是指人体的关节位置，例如肩部、肘部、膝盖等。通过检测这些关键点，可以识别和跟踪人体的姿态，从而应用于人体动作识别、运动分析等领域。
应用场景：
- 健身与康复：在健身和康复治疗中，通过监测患者的姿势，可以提供个性化的指导和反馈。
- 体育分析：运动员的动作可以通过关键点检测进行分析，以优化技术和战术。
- 虚拟现实与增强现实：在VR/AR环境中，人体姿态估计可以用于创建更加逼真的交互体验。
2，面部特征识别
应用背景：在面部识别中，关键点通常是指面部的特征点，例如眼睛，鼻子，嘴巴等。通过检测这些关键点，可以进行人脸检测、表情识别、人脸识别等任务。
应用场景：
- 身份认证：通过面部关键点识别，可以实现安全的身份验证功能。
- 表情分析：用于情绪识别软件，帮助企业了解消费者的情感反应。
- 美容应用：通过对面部特征的分析，可以提供个性化的美容建议和服务。
3，手势识别
应用背景：在手势识别中，关键点通常是指手部的关节位置，例如手指的尖端，手掌中心等。通过检测这些关键点，可以识别和跟踪手部的姿态，从而应用于手势控制、手势交互等领域。
应用场景：
- 智能家居控制：通过手势识别技术，用户可以通过简单的手势来控制家中的智能设备。
- 游戏交互：在游戏开发中，手势识别可以让玩家通过自然的手势来进行游戏操作。
- 无障碍技术：对于残障人士来说，手势识别可以作为一种辅助通信手段。
4，医学影像分析
应用背景：在医学图像处理中，关键点可以是指身体器官的特征点，例如心脏的特定区域、肿瘤的位置等。通过检测这些关键点，可以帮助医生进行疾病诊断、手术规划等工作。
应用场景：
- 肿瘤检测：通过识别肿瘤周围的特征点，帮助医生更准确地诊断肿瘤。
- 骨骼分析：在X光或CT扫描中，关键点检测可以用于自动测量骨密度或识别骨折位置。
- 病理学研究：在显微镜图像中识别细胞的关键点，有助于疾病的早期诊断。
5，自动驾驶
应用背景：在自动驾驶技术中，关键点检测可以用于识别道路上的行人、障碍物和其他车辆。
应用场景：
- 障碍物检测：通过检测道路上行人的关键点，可以提高车辆的安全性。
- 交通标志识别：识别路标的关键点可以帮助车辆正确地理解和遵守交通规则。
6. 动物行为分析
应用背景：动物行为学研究中，关键点检测可以用来跟踪和分析动物的行为模式。
应用场景：
- 生态学研究：在野外观察中，通过检测动物的关键点，可以记录它们的活动范围和行为习惯。
- 农业管理：在农场管理中，通过检测家畜的关键点，可以监控它们的健康状况和行为模式。
关键点检测技术在多个领域都有着广泛的应用前景。随着技术的不断进步，我们可以期待更多的创新应用出现，从而进一步改善人们的生活质量和工作效率。
2，单类别关键点检测和多类别关键点检测（按目标物体的种类数量）
在计算机视觉领域中，关键点检测旨在从图像或视频中识别出特定类型的物体及其关键特征点。根据目标物体的种类数量，关键点检测可以分为单类别关键点检测和多类别关键点检测两种类型。这两种方法各有特点，在不同的应用场景下发挥着独特的作用。
1，单类别关键点检测
单类别关键点检测是指对某一特定类别的物体进行关键点检测的任务。例如，在人体姿态估计中，只检测人物的身体关键点（如头，肩，肘，膝等）。在面部识别中，可以将所有面部特征点作为单类别关键点。
特点：
- 针对性强：模型设计时针对特定的物体类别进行优化，因此在该类别上的表现通常较好。
- 数据集中：训练数据集通常是同一类别的大量标注样本，使得模型可以更深入地学习这一类别的特性。
- 算法简单：因为只需要处理一类物体，所以算法设计上通常更为简单直观。
- 应用场景明确：常用于特定场景下的需求，如人体姿态估计、手部关键点检测，动物行为分析等。
应用示例：
- 人体姿态估计：在健身应用中，通过对人体关键点的检测来评估用户的动作是否标准。
- 动物行为分析：在生态学研究中，对特定种类动物的行为进行跟踪和分析。
2，多类别关键点检测
多类别关键点检测则是指同时对多种类别的物体进行关键点检测的人物，每个物体可能有不同的关键点类别。例如，在多人体姿态估计中，需要检测并定位多个人体的关键位置，每个人体有自己的一组关节位置，因此可以将每个人体的关节位置视为一个独立的关键点类别。
特点
- 灵活性高：可以同时处理多种类别的物体，适用于更加复杂和多变的应用场景。
- 数据要求高：训练所需的标注数据更为复杂，需要包含多种类别的物体及相应的关键点信息。
- 算法复杂度增加：为了同时处理多类物体，算法通常会更加复杂，可能需要使用多级分类和检测策略。
- 应用场景广泛：适合于需要同时处理多种物体的场景，如自动驾驶中的障碍物检测，即时定位与地图构建等。
应用示例
- 自动驾驶：在道路上同时检测行人、自行车骑手、汽车等不同物体的关键点，以便更好地理解交通情况。
- 安防监控：在监控系统中同时检测人、动物等不同类别的物体，用于异常行为的识别
3，单类别和多类别关键点检测的主要区别
数据集差异
- 单类别：数据集专注于一种类型物体的关键点，标注较为简单且一致。
- 多类别：数据集包含多种类型物体的关键点，标注更为复杂多样。
模型复杂度
- 单类别：模型相对简单，专注于单一物体类型的细节。
- 多类别：模型更为复杂，需要处理不同物体间的差异性和共性。
应用场景
- 单类别：适用于特定领域或场景，如人体姿态估计、面部表情分析等。
- 多类别：适用于更为广泛的应用场景，如自动驾驶、智能安防等。
单类别关键点通常用于单物体或单类别物体的定位和识别人物。而多类别关键点通常用于多物体或多类别物体的定位和识别人物。在实际应用中，选择使用单类别关键点还是多类别关键点取决于具体的人物需求和场景。
3，top-down方法和Bottom-up方法（按模型分法）
现阶段人体姿态识别主流的通常有两个思路：top-down方法和bottom-up方法，这两种方法在处理多个人体的姿态估计问题时有着不同的策略和流程。
1，Top-Down（自上而下）方法
Top-down方法首先进行人物检测，然后对每个人物框内的图像进行关键点检测。这种方法的优点在于它能够利用现有的目标检测技术来定位每个人物，从而简化了后续的关键点检测过程。对于每个检测到的人物，可以单独处理，这样可以更加准确地估计关键点地位置。这类方法往往比较慢，但姿态估计准确率较高。目前主流的算法是CPN，Hourglass，CPM，Alpha Pose，HRNet, RMPE, RTMPose等。
步骤
- 1，目标检测：使用目标检测算法（如Faster RCNN, YOLO, SSD ）先检测出物体，比如人/动物/人脸/椅子等。并获取每个弥补的边界框位置，裁剪出来缩放到固定大小。
- 2，关键点预测：对于每个检测到的目标，将其边界框内的区域裁剪出来作为输入，然后送入专门训练用于关键点检测的网络中（如Mask RCNN的关键点分支，HRNet或Stacked Hourglass Network）进行计算，关键点检测网络会输出一组热力图，每个热图对应一个关键点的位置，热图上的最高值代表该关键点最可能的位置，通过解码热图得到每个关键点的具体坐标。
- 3，后处理：对得到的关键点坐标进行非极大值抑制（NMS）等后处理操作，以减少冗余和提高准确u的。可能还需要进一步的矫正步骤，比如使用反向传播调整关键点的位置。
优点：
1，准确性高：由于先进行了精确的目标检测，因此能更准确的定位关键点。
2，灵活性高：可以利用现有的成熟目标检测模型，易于集成和优化。没有复杂地后处理，最后输出就是按照对象分好组地关键点组
3，多目标处理：对多类别多关键点非常友好，算法追加支持地检测类别比较容易，添加新类别支持只需要一阶段地对象检测支持新类别，并添加相应地二阶段关键点检测模型即可，之前已支持地类别不受影响，新加类别对模型性能影响不大。每个目标都可以独立进行关键点检测。
4，多任务兼容性：同一模型可以同时完成目标检测，分割和关键点检测等任务。
缺点：
1，计算复杂度较高：需要进行两次处理（目标检测+关键点检测），增加了计算负担
2，依赖于目标检测的准确性：如果目标检测的准确性不高，可能会导致关键点检测的误差较大
3，速度问题：相对于单阶段方法，Top-down方法的速度较慢，不那么适合实时应用。
4，训练难度：需要同时训练目标检测和关键点检测两个部分，这可能会增加训练的复杂性和时间。
Top-down 方法是一种强大的关键点检测手段，尤其适用于需要高精度检测的应用场景。虽然它的计算成本相对较高，但对于那些不需要实时处理或者可以接受一定延迟的应用来说，Top-down 方法仍然是一个很好的选择。随着硬件性能的提升和技术的进步，Top-down 方法的计算效率也在不断提高。
2，Bottom-up（自下而上）方法
Bottom-up方法则是先检测所有可能地关键点，然后通过某种关联算法将这些关键点组合成不同地任务。这种方法不需要事先检测人物框，因此可以同时处理密集地人群场景。然而，由于需要解决多个关键点之间地匹配问题，这种方法可能会比较复杂。因为是先检测图像中人体部件，然后将图像中多人人体的部件分别组合成人体，因此这类方法在测试推断的时候往往更快速，准确率稍低。典型的就是COCO2016年人体关键点检测关键Open Pose。
网络为单阶段，直接通过网络回归出所有对象地所有关键点，然后将散乱地关键点绑定到各个对象，最终得到不同对象地关键点组。
步骤：
1，关键点检测：使用专门训练的神经网络来预测图像中所有潜在关键点的位置。这些关键点通常是以热图的形式输出，每张热图代表一个关键点的置信度分布。
2，关键点聚类：对于检测到的所有关键点，使用聚类算法（如贪婪聚类，DBSCAN等）来将他们分组为不同的实例。
3，实例关联：对于每个分组的关键点集合，确定他们属于哪个实例，并进行适当的关联。可能会使用一些额外的技术来提高关联的准确性，比如基于图形模型的方法或特定的匹配算法。
4，后处理：对最终的关键点分组结果进行非极大值抑制（NMS）等后处理操作，以减少冗余和提高准确度。可能还需要进一步的校正步骤，比如使用反向传播调整关键点的位置。
优点：
1，处理密集场景的能力：在多人或密集场景中表现优异，因为它不许呀预先进行目标检测
2，计算效率：通常比Top-Down方法更高效，因为它只需要执行一次关键点检测，而不是为每个目标都运行一次
3，灵活性：可以更容易地处理遮挡和重叠地情况，因为它是基于全局视图来检测关键点地。
4，扩展性强：可以轻松扩展到处理多个人物或其他类型地物体。
缺点：
1，关键点聚类地调整：在多人场景中，正确的将关键点聚类到正确地实例是一个难题
2，关联复杂度：关联多个关键点到正确地实例需要复杂地算法，这可能会增加计算复杂度
3，训练数据要求：需要有大量带标签地数据来训练模型，特别是当涉及到多人或多类别地情况
4，后处理难度：后处理阶段可能需要复杂地逻辑来确保正确地关键点分组和关联。
Bottom-up 方法是一种强大且灵活的关键点检测手段，特别适合处理多人或多类别的情况。尽管它在关键点聚类和关联方面存在一些挑战，但随着算法的不断进步和技术的发展，这些问题正在逐步得到解决。Bottom-up 方法因其高效性和在密集场景中的优异表现而在许多实际应用中得到了广泛的应用。
3，bottom-up模式如何将关键点绑定到不同对象
常见地将关键点检测绑定到不同对象有两种方法。一种是利用关键点之间地先验关系：比如人地脚和膝盖，图像上就可以看出他们是有关联地。通过构建两个关键点之间地向量场或者别的手段就能判定两个关键点为同一个对象。代表算法有OpenPose， PersonLab， PifPaf等。
另一种方法就是直接通过loss回归每个关键点属于哪个对象：回归一张tag图，每个关键点有一个值，不同对象值相差大，同一对象相差小。
4，heatmap-based 和 Regression-based（按预测分法）
除了上述地top-down和bottom-up方法之外，关键点检测还可以根据预测方式地不同分为 heatmap-based 和 regression-based 两种方法。二者主要区别在于监督信息的不同，Heatmap-based方法监督模型学习的是高斯概率分布图，即把Ground Truth中每个点渲染成一张高斯热图，最终网络输出为K张特征图对应K个关键点，然后通过argmax或soft-argmax来获取最大值点作为估计结果。这种方法由于需要渲染高斯热图，且由于热图中的最值点直接对应了结果，不可避免的需要维持一个相对高分辨率的热图（常见的是64*64，再小的画误差下界过大会造成严重的精度损失），因此也就自然而然导致了很大的计算量和内存开销。
1，headmap-based
Heatmap-based 方法是一种广泛应用于关键点检测地技术，尤其是在人体姿态估计，面部特征点检测等领域有着出色地表现。Heatmap-based 方法的核心思想是利用卷积神经网络（CNN）预测一组热图（heatmaps），每个热图对应于图像中的一个关键点位置。热图中的每个像素值表示该位置包含相应关键点的概率。通过找到热图中的最大响应位置，就可以确定关键点的确切坐标。简单说就是针对每个关键点预测一张热力图（预测出现在每个位置地分数）。
工作流程
1，数据预处理：
- 准备训练数据集，包括原始图像及其关键点的标注信息。
- 数据增强，例如旋转、缩放和平移等操作，以增加模型的泛化能力。
2，模型构建与训练：
- 构建CNN架构，例如ResNet、VGG等作为特征提取器。
- 设计一个全卷积层，用于从特征图生成热图。
- 训练模型，使用损失函数（如均方误差损失）来最小化预测热图与真实热图之间的差异。
3，关键点检测：
- 对输入图像进行前向传播，获取预测热图。
- 对每个热图应用非极大抑制（NMS）来去除重复的峰值。
- 定位每个热图的最大响应位置作为关键点的坐标。
4，后处理：
- 对检测到的关键点进行后处理，例如通过平滑滤波器进一步优化位置。
- 进行实例分割或关联处理，以区分不同对象的关键点。
优点
1，直观易理解：热图直观展示了关键点的可能性分布，便于理解和解释。
2，鲁棒性：能够较好地处理遮挡和光线变化等问题。
3，高精度：通过热图上的精确峰值定位，可以获得较高的检测精度。
4，灵活性：可以容易地适应不同的关键点数量和类型，只需要调整热图的数量即可。
缺点
1，计算资源消耗：生成和处理多个热图需要较大的计算资源，特别是在高清图像上。
2，训练数据要求：需要大量的带有精细标注的训练样本。
3，后处理复杂性：需要额外的步骤来关联不同关键点，特别是在多人或多对象的情况下。
Heatmap-based 关键点检测方法因其直观的结果和良好的性能而被广泛应用。虽然存在一些局限性，如计算成本和训练数据需求，但随着技术的进步和计算资源的提升，这些问题正在逐渐得到缓解。未来的研究将继续探索如何改进热图生成的质量、降低计算成本以及提高在复杂场景下的检测效果。
2，Regression-based
Regression-based方法则非常简单粗暴，直接监督模型学习坐标值，计算坐标值的L1或L2 loss。由于不需要渲染高斯热图，也不需要维持高分辨率，网络输出的特征图可以很小（比如14x14甚至7x7），拿Resnet-50来举例的话，FLOPs是Heatmap-based方法的两万分之一，这对于计算力较弱的设备（比如手机）是相当友好的，在实际的项目中，也更多地是采用这种方法。常见地方法有DeepPose, MTCNN以及MobileNet等。
工作流程
1，数据准备：
- 收集包含关键点位置注释的训练数据集。
- 对数据进行预处理和增强，如翻转、缩放、旋转等，以提高模型的泛化能力。
2，模型设计与训练：
- 设计一个CNN架构，用于从输入图像中提取特征。
- 在网络的最后一层添加回归层，用于输出每个关键点的坐标。
- 使用适当的损失函数（如L1或L2损失）训练模型，以最小化预测坐标与实际坐标的差异。
3，关键点检测：
- 将待检测图像输入训练好的模型。
- 模型直接输出每个关键点的位置坐标。
- 如果需要，可以通过后处理步骤（如阈值过滤或平滑滤波）进一步优化坐标。
4，后处理：
- 对检测到的关键点进行可能的关联处理，以便正确地分配到不同的对象或实例。
优点
1，高效性：直接输出坐标值，减少了计算热图所需的时间和资源。
2，简单性：模型结构相对简单，易于实现和部署。
3，实时应用：更适合需要快速响应的应用场景，如实时视频流处理。
4，可扩展性：可以轻松地扩展到更多种类的关键点检测任务，只需调整输出层的维度。
缺点
1，精度限制：相比于 Heatmap-based 方法，可能在某些情况下精度较低。
2，泛化能力：可能对未见过的数据或背景变化敏感。
3，坐标量化误差：由于坐标值通常是连续的，直接回归可能会导致量化误差。
Regression-based 关键点检测方法因其高效性和简单性而在许多应用中得到广泛应用。尽管在某些方面可能不如 Heatmap-based 方法准确，但它在实时性和资源效率方面的优势使其成为许多场景下的首选方案。随着算法的发展和技术的进步，我们期待 Regression-based 方法在精度和鲁棒性方面取得更大的进步。