GCN图卷积神经网络入门讲解+实战结印识别--详细注释解析恩培作品4
作者：互联网
感谢恩培大佬对项目进行了完整的实现，并将代码进行开源，供大家交流学习。
一、项目简介
本项目最终达到的效果为手势控制操作鼠标。如下所示
项目用python实现，调用opencv，mediapipe，pytorch等库，由以下步骤组成：
1、使用OpenCV读取摄像头视频流；
2、识别手掌关键点像素坐标；
3、根据识别得到的手掌关键点信息，以图的方式构建数据结构；
4、用Pytorch提供的GCN图卷积神经网络训练数据并手势进行分类；
二、知识拆解
1、mediapipe
mediapipe是谷歌推出的一个深度学习常用功能库。封装了人脸检测，物体检测，语义分割，运动追踪等常用功能，并且支持Android、IOS、C++、Python多种平台和版本。安装简单，调用方便。
下面演示以下python版本，手指检测的使用方式。
安装库：
pip install mediapipe调用示例：
import cv2
import mediapipe as mp
mp_drawing = mp.solutions.drawing_utils
mp_drawing_styles = mp.solutions.drawing_styles
mp_hands = mp.solutions.hands
# For static images:
IMAGE_FILES = []
with mp_hands.Hands(
static_image_mode=True,
max_num_hands=2,
min_detection_confidence=0.5) as hands:
for idx, file in enumerate(IMAGE_FILES):
# Read an image, flip it around y-axis for correct handedness output (see
# above).
image = cv2.flip(cv2.imread(file), 1)
# Convert the BGR image to RGB before processing.
results = hands.process(cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB))
# Print handedness and draw hand landmarks on the image.
print('Handedness:', results.multi_handedness)
if not results.multi_hand_landmarks:
continue
image_height, image_width, _ = image.shape
annotated_image = image.copy()
for hand_landmarks in results.multi_hand_landmarks:
print('hand_landmarks:', hand_landmarks)
print(
f'Index finger tip coordinates: (',
f'{hand_landmarks.landmark[mp_hands.HandLandmark.INDEX_FINGER_TIP].x * image_width}, '
f'{hand_landmarks.landmark[mp_hands.HandLandmark.INDEX_FINGER_TIP].y * image_height})'
)
mp_drawing.draw_landmarks(
annotated_image,
hand_landmarks,
mp_hands.HAND_CONNECTIONS,
mp_drawing_styles.get_default_hand_landmarks_style(),
mp_drawing_styles.get_default_hand_connections_style())
cv2.imwrite(
'/tmp/annotated_image' + str(idx) + '.png', cv2.flip(annotated_image, 1))
# Draw hand world landmarks.
if not results.multi_hand_world_landmarks:
continue
for hand_world_landmarks in results.multi_hand_world_landmarks:
mp_drawing.plot_landmarks(
hand_world_landmarks, mp_hands.HAND_CONNECTIONS, azimuth=5)
# For webcam input:
cap = cv2.VideoCapture(0)
with mp_hands.Hands(
model_complexity=0,
min_detection_confidence=0.5,
min_tracking_confidence=0.5) as hands:
while cap.isOpened():
success, image = cap.read()
if not success:
print("Ignoring empty camera frame.")
# If loading a video, use 'break' instead of 'continue'.
continue
# To improve performance, optionally mark the image as not writeable to
# pass by reference.
image.flags.writeable = False
image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
results = hands.process(image)
# Draw the hand annotations on the image.
image.flags.writeable = True
image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_RGB2BGR)
if results.multi_hand_landmarks:
for hand_landmarks in results.multi_hand_landmarks:
mp_drawing.draw_landmarks(
image,
hand_landmarks,
mp_hands.HAND_CONNECTIONS,
mp_drawing_styles.get_default_hand_landmarks_style(),
mp_drawing_styles.get_default_hand_connections_style())
# Flip the image horizontally for a selfie-view display.
cv2.imshow('MediaPipe Hands', cv2.flip(image, 1))
if cv2.waitKey(5) & 0xFF == 27:
break
cap.release()效果：
2、图神经网络
什么是图
如图所示，图由顶点和边构成。图，代表的是实体（顶点）之间的关系（边）。
计算机怎么表示图
在计算机表示中，vertex(边)、node(点)、graph(图)都由embedding向量表示。
这里我们可以看到，图神经网络的思想也是，将图的点、边、图用向量来表示。我们需要关心的就是这些向量在数据处理中如何运用，以及我们是否有办法通过数据来学到这些向量的值。
此外，在图的分类中，主要是有向图和无向图两种。
简单说来，你我都是朋友，这叫无向。你喜欢我，而我不喜欢你，这叫有向。
其它数据如何表示为图
引入图这种数据结构及其表示方法之后，我们自然有一个疑问，那就是如何将图片，文本等信息，用图来表示呢？
图片：我们可将每个像素点映射到图的节点，相邻的像素点用边连接起来。中间的矩阵是邻接矩阵，每个蓝色像素点表示的其实便是图中的一条边，后文讲关于神经网络兼容图的表示会用到。
文本：思路其实更简单了。每个词作为一个节点，语句的流向便可以用有向边来表示。
同理呀，其实分子、社交关系、文章引用等等，都很容易用图来表示。可见图的应用之广泛。
用图来解决什么问题
一是图层面的问题。例子：如下的图中，按照环的个数将图的种类进行分类。
二是点层面的问题。例子，如下的图中，按照某种标准，将所有的点分为两类。
三是边层面的问题。例子，如下的图中，若将每个顶点赋予意义（例如选手、观众、裁判）判断每天边所代表的意义。
深度学习中运用图，有什么难题
众所周知，神经网络对向量的兼容性是很友好的。上文也提到了，边、顶点、图都可以用embedding向量来表示，所以问题不大。而致命的其实是连接关系。我们虽然也提到了可以用邻接矩阵来表示，这显然是OK的，问题只是会过于稀疏，储存和运算并不友好。再者，对于同一种连接关系，由于点的排序不同，会导致邻接矩阵有多种形式存在，但他们本质表示的都是同一种连接。这意味着，这个神经网络要对很多种不同的邻接矩阵输入，做出相同的反应。想想都恐怖。
其实这个问题，我们稍作分析便不难发现，邻接关系描述的信息本质就是，哪两个点连接了。
我们可以用一个元组来描述一条边，将元组序列按照边的序列排序即可无冗余地表示连接关系。除此之外，这种表示方法还有无序的优点。如果将点的顺序打乱，只需要在邻接矩阵中调整对应的边的序号即可。
进入正题，什么是图神经网络
下定义也许不容易理解，只需要有个概念，它是一个神经网络，并具备以下两个特点。
1、输入是一张图，输出也是一张图。
2、对边和顶点向量做一系列变换，但是连接关系不会改变。
举一个最简单的例子。将如下左边的图的边、顶点、图的embedding向量分别输入三个MLP中，更新得到新的边、顶点、图的向量，但是图的连接关系不随着它们的更新而变化。这便是一个最简单的GNN。
现在来看一个具体的问题。例如我要对以上图中的某个点做分类，假设这些点的embedding向量已知，那问题便简单了，直接输入一个神经网络做分类问题即可。这和传统的神经网络没有啥区别。
那假设点的embedding向量未知呢？我们可以用与点相连的边的向量、全局向量的加权求和来确定。（汇聚层）若边的向量维度和点的维度不一致，可以做投影。只有顶点没有边，同理。
有了汇聚的操作，我们就能够通过神经网络来处理点、边的信息，并通过汇聚补全了。但细心的朋友已经发现，这样做并没有完全利用到一个图的信息。那我们如何能做到输入一张图的顶点、边的所有信息呢。
聪明的你可能已经想到了，前面不是才讲了汇聚吗，这不就是充分利用各个顶点和边信息的办法。在进入神经网络之前，先进行汇聚操作，每个顶点和边都用相邻的顶点和边重新更新几次，得到的新的顶点和边再输入神经网络不就行了。Yes，具体过程如图所示，这个过程也被称作信息传递。
此时还有一个问题，那就是当图很大的时候，要将远方的点的信息传过来，岂不是需要消耗很长的时间。正因为如此，才提出了一个全局向量U，表示整张图的平均属性。
至此，图神经网络的基本原理便介绍清楚了。
那么GCN呢，讲的其实是在汇聚的过程中，设计K层汇聚网络，每次汇聚都往外看N步，那么每个点的视野范围便是K*N。其实等价于拿出邻接矩阵做乘法。
可以看到，图神经网络的灵活性非常高，基本上所有的数据都可以表示成图。但同时也带来了它的问题，想在这种稀疏的架构上做优化是非常困难的，况且图还是一个动态的架构。
三、实战演练
用mediapipe得到手部框，再用InterHand进行手部关节点的精确识别
https://github.com/facebookresearch/InterHand2.6M/releases/tag/v1.0# 更多疑问，欢迎私信交流。thujiang000
# 输入一个手部图片，返回3D坐标
class HandPose:
def __init__(self):
cfg.set_args('0')
cudnn.benchmark = True
# joint set information is in annotations/skeleton.txt
self.joint_num = 21 # single hand
self.joint_type = {'right': np.arange(0,self.joint_num), 'left': np.arange(self.joint_num,self.joint_num*2)}
# snapshot load
model_path = './snapshot_19.pth.tar'
assert osp.exists(model_path), 'Cannot find self.hand_pose_model at ' + model_path
print('Load checkpoint from {}'.format(model_path))
self.hand_pose_model = get_model('test', self.joint_num)
self.hand_pose_model = DataParallel(self.hand_pose_model).cuda()
ckpt = torch.load(model_path)
self.hand_pose_model.load_state_dict(ckpt['network'], strict=False)
self.hand_pose_model.eval()
# prepare input image
self.transform = transforms.ToTensor()
def get3Dpoint(self,x_t_l, y_t_l, cam_w, cam_h,original_img):
bbox = [x_t_l, y_t_l, cam_w, cam_h] # xmin, ymin, width, height
original_img_height, original_img_width = original_img.shape[:2]
bbox = process_bbox(bbox, (original_img_height, original_img_width, original_img_height))
img, trans, inv_trans = generate_patch_image(original_img, bbox, False, 1.0, 0.0, cfg.input_img_shape)
img = self.transform(img.astype(np.float32))/255
img = img.cuda()[None,:,:,:]
# forward
inputs = {'img': img}
targets = {}
meta_info = {}
with torch.no_grad():
out = self.hand_pose_model(inputs, targets, meta_info, 'test')
img = img[0].cpu().numpy().transpose(1,2,0) # cfg.input_img_shape[1], cfg.input_img_shape[0], 3
joint_coord = out['joint_coord'][0].cpu().numpy() # x,y pixel, z root-relative discretized depth
rel_root_depth = out['rel_root_depth'][0].cpu().numpy() # discretized depth
hand_type = out['hand_type'][0].cpu().numpy() # handedness probability
# restore joint coord to original image space and continuous depth space
joint_coord[:,0] = joint_coord[:,0] / cfg.output_hm_shape[2] * cfg.input_img_shape[1]
joint_coord[:,1] = joint_coord[:,1] / cfg.output_hm_shape[1] * cfg.input_img_shape[0]
joint_coord[:,:2] = np.dot(inv_trans, np.concatenate((joint_coord[:,:2], np.ones_like(joint_coord[:,:1])),1).transpose(1,0)).transpose(1,0)
joint_coord[:,2] = (joint_coord[:,2]/cfg.output_hm_shape[0] * 2 - 1) * (cfg.bbox_3d_size/2)
# restore right hand-relative left hand depth to continuous depth space
rel_root_depth = (rel_root_depth/cfg.output_root_hm_shape * 2 - 1) * (cfg.bbox_3d_size_root/2)
# right hand root depth == 0, left hand root depth == rel_root_depth
joint_coord[self.joint_type['left'],2] += rel_root_depth
# 3D节点信息
return joint_coord经过三维关节点提取后，我们便可以构建手部的图了。思考一下，我们的任务是对不同的图做分类，边的指向和长度是图的特征。基于特征的特点，我们可以尝试用边来构造这个图。注意手指之间是无向的，要做处理。
首先构造一个两层的图卷积神经网络
class GCN(nn.Module):
def __init__(self, in_feats, h_feats, num_classes):
super(GCN, self).__init__()
self.conv1 = GraphConv(in_feats, h_feats)
self.conv2 = GraphConv(h_feats, num_classes)
def forward(self, g, in_feat):
h = self.conv1(g, in_feat)
h = F.relu(h)
h = self.conv2(g, h)
g.ndata['h'] = h
return dgl.mean_nodes(g, 'h')u、v分别为图的起点和终点。
然后按照每个点对于手掌的中心坐标的相对坐标为特征，输入原始图中。
# 构造图以及特征
u,v = torch.tensor([[0,0,0,0,0,4,3,2,8,7,6,12,11,10,16,15,14,20,19,18,0,21,21,21,21,21,25,24,23,29,28,27,33,32,31,37,36,35,41,40,39],
[4,8,12,16,20,3,2,1,7,6,5,11,10,9,15,14,13,19,18,17,21,25,29,33,37,41,24,23,22,28,27,26,32,31,30,36,35,34,40,39,38]])
g = dgl.graph((u,v))
# 无向处理
bg = dgl.to_bidirected(g)
# 计算相对坐标
x_y_z_column = self.relativeMiddleCor(x_list, y_list,z_list)
# 添加特征
bg.ndata['feat'] =torch.tensor( x_y_z_column ) # x,y,z坐标
# 测试模型
device = torch.device("cuda:0")
# device = torch.device("cpu")
bg = bg.to(device)
self.modelGCN = self.modelGCN.to(device)
pred = self.modelGCN(bg, bg.ndata['feat'].float())
pred_type =pred.argmax(1).item()完整项目代码地址：
运行时注意：
1、采集训练数据时，运行demo.py文件中的handRecognize.getTrainningData(task_type = '6')。参数task_type取值为0~6，最多可识别七种手势。
2、运行时，假设采集了5种手势，要将对应的手部分类的输出层改为5。
self.modelGCN = GCN(3, 16, 5)
self.modelGCN.load_state_dict(torch.load('./saveModel/handsModel.pth'))
self.modelGCN.eval()
self.handPose = HandPose()
self.mp_hands = mp.solutions.hands3、若需要gpu加速，dgl需要安装gpu版本。nvcc --version查看自己的cuda版本，然后去Deep Graph Library
https://www.dgl.ai/pages/start.html查找对应的安装指令。
若运行遇到苦难，欢迎留言交流。
标签：恩培,img,self,结印,hand,mp,GCN,image,landmarks 来源： https://blog.csdn.net/thujiang000/article/details/122788564