Windows自带的画图软件曾陪伴了我小时候最初接触电脑的几年时光，这个简单的小工具对于小时候的我来说神奇，仿佛什么都可以画出来。我画过很多人像，也曾幻想着让这些人像跟着我一起动起来（当时还不知道有flash这种东西）。前段时间，我使用飞桨实现了一个让涂鸦动起来的小项目，今天来和大家分享我小时候的想法——让涂鸦小人跟着人动起来。

MetaAI发布的项目

关键点检测

想让涂鸦小人和我做出一样的动作，首先我们需要一个人体关键点检测模型。飞桨提供人体关键点检测模型的有飞桨预训练模型应用工具PaddleHub与飞桨目标检测套件PaddleDetection。
本项目使用的是PaddleHub中的human_pose_estimation_resnet50_mpii模型。这个模型相对于openpose更快，但是效果稍微差一点，如果对涂鸦小人动作的准确度需求特别高，或者希望模型返回关键点坐标的置信度信息的，可以试试openpose_body_estimation模型，或是PaddleDetection中的HRNet系列模型和最新的PP-TinyPose。

PaddleDetection链接：https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection
PaddleHub链接：https://github.com/PaddlePaddle/PaddleHub
由于涂鸦中的每一个点都要与骨骼点绑定在一起，所以骨骼点并不能太少，否则与骨骼点不相近的点也会因为一些特殊原因绑定在一起。我们需要对检测出的骨骼点K进行一定的扩充，本项目在每两个相邻骨骼点之间计算中点作为扩充的骨骼点，然后重复这个操作两次。
human_pose_estimation_resnet50_mpii这个模型的训练数据集是mpii，有16个关键点。我们先在“thorax”和“pelvis”两个关键点之间创建一个中心点作为所有关键点的根。然后构建我们整个人体的一个以关键点为结点的树形结构。这个树形结构在后面都会用到。最终，我们扩展后的关键点个数为65，这里将这个扩展的关键点组记为K’。
将关键点检测模型封装一下：

class estUtil():
    #封装的关键点检测类
    def __init__(self):
        super(estUtil, self).__init__()
        # 使用human_pose_estimation_resnet50_mpii模型
        self.module = hub.Module(name='human_pose_estimation_resnet50_mpii')

    def do_est(self, frame):
        res = self.module.keypoint_detection(images=[frame], use_gpu=True)
        return res[0]['data']

扩充关键点的方法：
def complexres(res, FatherAndSon):

扩充关键点，但仍然要保持逻辑上的关键点的节点顺序

cres = copy.deepcopy(res)
for key,pos in res.items():
    father = FatherAndSon[key]
    if father == key:

当时根节点的时候停止

        continue 
    if key[0] == 'm' or father[0] == 'm':

子节点第一种命名规则

        midkey = 'm'+key+'_'+father
    else:
        kn = ''
        for t in key.split('_'):
            kn += t[0]
        fn = ''
        for t in father.split('_'):
            fn += t[0]

子节点第二种命名规则

        midkey = 'm_'+kn+'_'+fn

计算中点，并把结果按逻辑顺序存到字典中

    midvalue = [(pos[0] + res[father][0]) / 2, (pos[1] + res[father][1])/2]
    FatherAndSon[key] = midkey
    FatherAndSon[midkey] = father
    cres[midkey] = midvalue
return cres, FatherAndSon

左为扩展前的关键点k，右为扩展后的关键点k’。

涂鸦的记录与优化

为了方便交互，我使用OpenCV制作了一个简单的小画板，用户可以选择不同的颜色来绘制涂鸦。这里为了后续绑定关键点与涂鸦，我先将模板的人体关键点画在了画布上，用户就拥有了一套参考坐标，更方便地绘制自己的涂鸦小人。

OpenCV会在用户按下鼠标后不断地采集我们的画笔（鼠标）的当前位置（Mouse_x,Mouse_y）。当用户松开鼠标后，程序则停止记录。将刚才记录的点依次连接起来，就是我们鼠标刚才点击并移动的轨迹。一幅画可以由一笔完成，也可以多笔多个颜色来完成。我们把这里得到的涂鸦小人记作B。
由于OpenCV是按照一定的帧率来采集我们的画笔位置，对于同样长的一条线，如果我们画得慢，则取样的点就会多；如果我们画得快，则取样的点就会少。在后续的使用中，因为要大量的计算取样点和骨骼点的相对关系（通过评估，这部分的时间会远远大于模型的运算时间，成为了流畅运行的瓶颈），所以这里我们要对这些取样点B进行过滤，我这里使用最直观的过滤方法，即当连续的三个点在同一条直线上时，将中间的那个点过滤掉，只保留两个端点。通过这个方法，一个简单的涂鸦小人的点数可以从几千个降低到几十个，项目也能更平滑的运行。这里我们将过滤后的取样点记为B’。
过滤简化皮肤数据的方法：

def linesFilter():
    global lines
    for line in lines:
        linelen = len(line)
        sindex = 0
        mindex = 1
        while mindex < len(line):
            eindex = mindex + 1
            if eindex >= len(line):
                break
            d1 = line[mindex][0] - line[sindex][0]
            d2 = line[mindex][1] - line[sindex][1]
            d3 = line[eindex][0] - line[sindex][0]
            d4 = line[eindex][1] - line[sindex][1]
#判断三个点是否在一条直线上
            if abs(d1*d4-d2*d3) <= 1e-6:
                line.pop(mindex)
            else:
                sindex += 1
                mindex += 1

def linesCompose():
#防止删除点过多，在每两个点中间插值出一个新的点
    global lines
    tlines = []
    for line in lines:
        tlines.append([line[0]])
        for i in range(1,len(line)):
            l_1 = tlines[-1][-1]
            tlines[-1].append(((l_1[0] + line[i][0]) / 2,(l_1[1] + line[i][1]) / 2))
            tlines[-1].append((line[i]))
    lines = tlines

关键点与涂鸦的绑定

锚点绑定数量：在动画开始之前，还有非常重要的一步，就是要把我们取样后画的皮肤B’和扩充后的关键点组K’进行绑定。通过上面的描述，我们知道皮肤B’其实就是一个个点，这个过程就是皮肤的点和关键点之间的绑定，更专业的词语来说，我们要为皮肤点选择它们的锚点（Anchor），这些锚点都是来源于骨骼关键点。在这个项目中我们每个皮肤点和最多四个关键点绑定，这个数量和我们关键点K’的个数有关，当我们的关键点K’足够稠密的时候，我们的锚点数量是可以少一点。

锚点绑定标准：这里选定锚点的衡量标准为距离，也就是选择皮肤点n最近的m个关键点。这种方法有缺点，譬如在例子中，由于我们选择的是最近的关键点，在我们画的胡须的对应的锚点中，我们肩部的锚点反而比脸部的某些点更近，这就导致胡须会跟随者我们的肩膀来运动。如果想要更精确的匹配锚点，也可以人为干预这个过程，删除某些上述类似的不合理的绑定。

左为我们画好的涂鸦，右为涂鸦和关键点绑定的效果

绑定皮肤数据和骨骼数据：
def buildskin(lines, colors, cirRads, nodes):
if lines is None or nodes is None or len(lines) == 0 or len(nodes) == 0:
return []
skins = []
print(“doodle node length”, len(nodes))

#将opencv获取的皮肤点列表封装成skinItem类的对象列表
for lineindex in range(len(lines)):
    init = True
    line = lines[lineindex]
    color = colors[lineindex]
    cirRad = cirRads[lineindex]
    for p in line:
        if init:
            skins.append(skinItem(p[0], p[1], True, color, cirRad))
            init = False
        else:
            skins.append(skinItem(p[0], p[1], False, color, cirRad))
#计算每个skinItem对象最近的四个骨骼点并封装为锚点
for skin in skins:
    md = [float("inf"), float("inf"), float("inf"), float("inf")]
    mn = [None, None, None, None]
    mdlen = 0
    for key,node in nodes.items():
        d = distance(skin.getPos(), node.getPos())
        maxi = judge(md)
        if d < md[maxi]:
            md[maxi] = d
            mn[maxi] = node
            mdlen += 1

    if mdlen < 4:
        md = md[:mdlen]
        mn = mn[:mdlen]
    ws = dist2weight(md)
    # 分配每个锚点的权重
    for j in range(len(mn)):
        th = math.atan2(skin.y-mn[j].y, skin.x-mn[j].x)
        r = distance(skin.getPos(), mn[j].getPos())
        w = ws[j]
        skin.appendAnchor(anchorItem(mn[j], th-mn[j].thabs, r, w))
return skins

涂鸦的更新

在我们做好前一步的初始化后，就可以在之后的每一帧中，计算皮肤点的新位置了。在前一步绑定的时候，我们同时还记录了一些锚点的其他信息：该皮肤点与锚点的距离和角度信息。在得到四个锚点之后，我们还要计算一个初始权重α。这样一来，当我们的关键点的位置变化了之后，我们能根据锚点的新位置计算出一个加权的皮肤点的新位置S’’。我们按照S’’的顺序把皮肤都画出来，就完成了整个项目。

在每帧中根据新的骨骼计算新的皮肤点：

def calculateSkin(skins, scale):
    for skin in skins:
        xw = 0
        yw = 0

根据皮肤点每个锚点的坐标与角度，计算出新的皮肤点的坐标

    for anchor in skin.getAnchor():
        x = anchor.node.x + math.cos(anchor.th+anchor.node.thabs) * anchor.r * scale
        y = anchor.node.y + math.sin(anchor.th+anchor.node.thabs) * anchor.r * scale
        xw += x * anchor.w
        yw += y * anchor.w
    skin.x = xw
    skin.y = yw
return skins

目前的一些问题与改进方向
1）问题
human_pose_estimation_resnet50_mpii这个模型很大的一个缺点就是没有关节的置信度的输出，因此我们没有办法对结果进行过滤。如果输入不完整的人体图像，模型仍然会输出16个关键点，其中本应不在图像中的关键点也会存在，这些虚假的结果点会导致皮肤点也画错的现象。除此之外，为了更好的效果，输入的视频最好背景少一点，减少一些影响因素。
2）改进方向
大家可以尝试使用飞桨目标检测套件PaddleDetection中的其他的关键点检测模型，值得注意的是，如果你使用的模型是基于COCO数据集，需要更改doodle文件。
为了能有更流畅的体验，可以尝试把关键点检测模型放到另一个线程里，这样的效果会更好一点。
我在飞桨开发者说专栏也直播进行了本项目的分享，欢迎大家移步B站观看视频分享。

分享视频：
https://www.bilibili.com/video/BV1N34y1y72o？spm_id_from=333.999.0.0
项目链接：
https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/2498845
PaddleDetection：
https://github.com/PaddlePaddle/PaddleDetection
PaddleHub：
https://github.com/PaddlePaddle/PaddleHub