『深度学习项目四』基于ResNet101人脸特征点检测

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『深度学习项目四』基于ResNet101人脸特征点检测
项目链接：https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/1932295

一、人脸检测原理简介

人脸关键点检测，是输入一张人脸图片，模型会返回人脸关键点的一系列坐标，从而定位到人脸的关键信息。

1.1 图像分类和回归的区别

1.2 损失函数

图像分类CrossEntropyLoss :信息熵的计算

loss

⁡

j

=

−

input

[

class

]

+

log

⁡

(

∑

i

=

0

K

exp

⁡

(

input

i

)

)

,

j

=

1

,

…

,

K

\operatorname{loss}_{j}=-\text { input }[\text { class }]+\log \left(\sum_{i=0}^{K} \exp \left(\text { input }_{i}\right)\right), j=1, \ldots, K

lossj​=− input [ class ]+log(∑i=0K​exp( input i​)),j=1,…,K

人脸关键点检测: L1Loss、L2Loss、SmoothL1Loss :距离的计算

Loss_1:

loss

⁡

(

x

,

y

)

=

1

n

∑

i

=

1

n

∣

y

i

−

f

(

x

i

)

∣

\operatorname{loss}(x, y)=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}\left|y_{i}-f\left(x_{i}\right)\right|

loss(x,y)=n1​∑i=1n​∣yi​−f(xi​)∣

Loss_2:

loss

⁡

(

x

,

y

)

=

1

n

∑

i

=

1

n

(

y

i

−

f

(

x

i

)

)

2

\operatorname{loss}(x, y)=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}\left(y_{i}-f\left(x_{i}\right)\right)^{2}

loss(x,y)=n1​∑i=1n​(yi​−f(xi​))2

Loss_3:分段loss

loss

⁡

(

x

,

y

)

=

1

n

∑

i

=

1

n

{

.

5

∗

(

y

i

−

f

(

x

i

)

)

2

,

if

∣

y

i

−

f

(

x

)

∣

∣

y

i

−

f

(

x

i

)

∣

−

0.5

,

otherwise

\operatorname{loss}(x, y)=\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n}\left\{\begin{array}{ll} .5 *\left(y_{i}-f\left(x_{i}\right)\right)^{2}, & \text { if } \mid y_{i}-f(x)| \\ \left|y_{i}-f\left(x_{i}\right)\right|-0.5, & \text { otherwise } \end{array}\right.

loss(x,y)=n1​∑i=1n​{.5∗(yi​−f(xi​))2,∣yi​−f(xi​)∣−0.5,​ if ∣yi​−f(x)∣ otherwise ​

有利于快速收敛！

1.3 评估指标 NME

# 环境导入
import os
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import matplotlib.image as mpimg

import cv2
import paddle

#paddle.set_device('gpu') # 手动设置设置为GPU

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore') # 忽略 warning

二、数据准备

2.1 下载数据集

本次实验所采用的数据集来源为github的开源项目

加载后可以直接使用下面的命令解压。
unzip是一个常见的解压缩命令：

-l：显示压缩文件内所包含的文件；

-t：检查压缩文件是否正确；

-o：不必先询问用户，unzip执行后覆盖原有的文件；

-n：解压缩时不要覆盖原有的文件；

-q：执行时不显示任何信息；

-d<目录>：指定文件解压缩后所要存储的目录；
解压后的数据集结构为

data/
|—— test
|   |—— Abdel_Aziz_Al-Hakim_00.jpg
    ... ...
|—— test_frames_keypoints.csv
|—— training
|   |—— Abdullah_Gul_10.jpg
    ... ...
|—— training_frames_keypoints.csv

其中，training 和 test 文件夹分别存放训练集和测试集。training_frames_keypoints.csv 和 test_frames_keypoints.csv 存放着训练集和测试集的标签。首先看一下训练集的标签training_frames_keypoints.csv 文件，是如何定义的

key_pts_frame = pd.read_csv('data/training_frames_keypoints.csv') # 读取数据集
print('Number of images: ', key_pts_frame.shape[0]) # 输出数据集大小
key_pts_frame.head(5) # 看前五条数据

上表中每一行都代表一条数据，其中，第一列是图片的文件名，之后从第0列到第135列，就是该图的关键点信息。因为每个关键点可以用两个坐标【横纵坐标】表示，所以 136/2 = 68，就可以看出这个数据集为68点人脸关键点数据集。

Tips1: 目前常用的人脸关键点标注，有如下点数的标注

• 5点
• 21点
• 68点
• 98点

Tips2：本次所采用的68标注，标注顺序如下：

# 计算标签的均值和标准差，用于标签的归一化
key_pts_values = key_pts_frame.values[:,1:] # 取出标签信息
data_mean = key_pts_values.mean() # 计算均值
data_std = key_pts_values.std()   # 计算标准差
print('标签的均值为:', data_mean)
print('标签的标准差为:', data_std)

标签的均值为: 104.4724870017331
标签的标准差为: 43.17302271754281

2.2 查看图像

对以下函数的几点解释：
len(key_pts)//2 ：因为key_pts里面是一个128的一维数组，本次人脸检测是68个关键点，128个数据里面应该是两个两个一组，分别组成一个关键点的(x,y)坐标。

扩展，图像的坐标分布：
图像的坐标是从左上角开始，一般以水平向右为x轴正方向，竖直向下为y轴正方向。

def show_keypoints(image, key_pts):
    """
    Args:
       需要打印 image: 图像信息
               key_pts: 关键点信息，
    展示图片和关键点信息
    """
    plt.imshow(image.astype('uint8'))  # 展示图片信息
    for i in range(len(key_pts)//2,):
        plt.scatter(key_pts[i*2], key_pts[i*2+1], s=20, marker='.', c='b') # 展示关键点信息

# 展示多条数据

index = [5,10,15,20] # n为数据在表格中的索引
for n in index:
    image_name = key_pts_frame.iloc[n, 0] # 获取图像名称
    #key_pts = key_pts_frame.iloc[n, 1:].as_matrix() # 将图像label格式转为numpy.array的格式   会报错'Series' object has no attribute 'as_matrix'改成下面
    key_pts = key_pts_frame.iloc[n, 1:].values   #主要原因是库版本升级，'as_matrix()‘改为了’values’。
    key_pts = key_pts.astype('float').reshape(-1) # 获取图像关键点信息
    print("the image's name is : {}, key_pts is : {}".format(image_name, key_pts.shape)) # 打印图像信息
    plt.figure(figsize=(5, 5)) # 展示的图像大小
    images = show_keypoints(mpimg.imread(os.path.join('data/training/', image_name)), key_pts) # 展示图像与关键点信息
    plt.show(images) # 展示图像

the image’s name is : Albert_Brooks_12.jpg, key_pts is : (136,)

the image’s name is : Paul_Otellini_01.jpg, key_pts is : (136,)

2.3 数据集定义

使用飞桨框架高层API的 ``paddle.io.Dataset`` 自定义数据集类，具体可以参考官网文档 [自定义数据集](https://www.paddlepaddle.org.cn/documentation/docs/zh/guides/02_paddle2.0_develop/02_data_load_cn.html#id3)。
import paddle
from paddle.io import Dataset

BATCH_SIZE = 64
BATCH_NUM = 20

IMAGE_SIZE = (28, 28)
CLASS_NUM = 10

class MyDataset(Dataset):
    """
    步骤一：继承paddle.io.Dataset类
    """
    def __init__(self, num_samples):
        """
        步骤二：实现构造函数，定义数据集大小
        """
        super(MyDataset, self).__init__()
        self.num_samples = num_samples

    def __getitem__(self, index):
        """
        步骤三：实现__getitem__方法，定义指定index时如何获取数据，并返回单条数据（训练数据，对应的标签）
        """
        data = paddle.uniform(IMAGE_SIZE, dtype='float32')
        label = paddle.randint(0, CLASS_NUM-1, dtype='int64')

        return data, label

    def __len__(self):
        """
        步骤四：实现__len__方法，返回数据集总数目
        """
        return self.num_samples

# 测试定义的数据集
custom_dataset = MyDataset(BATCH_SIZE * BATCH_NUM)

print('=============custom dataset=============')
for data, label in custom_dataset:
    print(data.shape, label.shape)
    break

# 按照Dataset的使用规范，构建人脸关键点数据集

from paddle.io import Dataset

class FacialKeypointsDataset(Dataset):
    # 人脸关键点数据集
    """
    步骤一：继承paddle.io.Dataset类
    """
    def __init__(self, csv_file, root_dir, transform=None):
        """
        步骤二：实现构造函数，定义数据集大小
        Args:
            csv_file (string): 带标注的csv文件路径
            root_dir (string): 图片存储的文件夹路径
            transform (callable, optional): 应用于图像上的数据处理方法
        """
        self.key_pts_frame = pd.read_csv(csv_file) # 读取csv文件
        self.root_dir = root_dir # 获取图片文件夹路径
        self.transform = transform # 获取 transform 方法

    def __getitem__(self, idx):
        """
        步骤三：实现__getitem__方法，定义指定index时如何获取数据，并返回单条数据（训练数据，对应的标签）
        """

        image_name = os.path.join(self.root_dir,
                                self.key_pts_frame.iloc[idx, 0]) #文件名
        # 获取图像
        image = mpimg.imread(image_name)

        # 图像格式处理，如果包含 alpha 通道，那么忽略它
        if(image.shape[2] == 4):
            image = image[:,:,0:3]

        # 获取关键点信息
        #key_pts = self.key_pts_frame.iloc[idx, 1:].as_matrix()  #第一列到最后一列，转为numpy
        key_pts = self.key_pts_frame.iloc[idx, 1:].values
        key_pts = key_pts.astype('float').reshape(-1) # [136, 1] 136个关键点

        # 如果定义了 transform 方法，使用 transform方法
        if self.transform:
            image, key_pts = self.transform([image, key_pts])

        # 转为 numpy 的数据格式
        image = np.array(image, dtype='float32')
        key_pts = np.array(key_pts, dtype='float32')

        return image, key_pts

    def __len__(self):
        """
        步骤四：实现__len__方法，返回数据集总数目
        """
        return len(self.key_pts_frame) # 返回数据集大小，即图片的数量

2.4 训练集可视化

实例化数据集并显示一些图像。

# 构建一个数据集类
face_dataset = FacialKeypointsDataset(csv_file='data/training_frames_keypoints.csv',
                                      root_dir='data/training/')

# 输出数据集大小
print('数据集大小为: ', len(face_dataset))
# 根据 face_dataset 可视化数据集
num_to_display = 3

for i in range(num_to_display):

    # 定义图片大小
    fig = plt.figure(figsize=(20,10))

    # 随机选择图片
    rand_i = np.random.randint(0, len(face_dataset))
    sample = face_dataset[rand_i]

    # 输出图片大小和关键点的数量
    print(i, sample[0].shape, sample[1].shape)  #图片和label

    # 设置图片打印信息
    ax = plt.subplot(1, num_to_display, i + 1)
    ax.set_title('Sample #{}'.format(i))

    # 输出图片
    show_keypoints(sample[0], sample[1])

数据集大小为:  3462
0 (99, 89, 3) (136,)
1 (259, 243, 3) (136,)
2 (275, 254, 3) (136,)

上述代码虽然完成了数据集的定义，但是还有一些问题，如：

• 每张图像的大小不一样，图像大小需要统一以适配网络输入要求 /不然网络会爆炸
• 图像格式需要适配模型的格式输入要求 / 转化成CHW
• 数据量比较小，没有进行数据增强 /3000条数据

这些问题都会影响模型最终的性能，所以需要对数据进行预处理。

2.5 Transforms

对图像进行预处理，包括灰度化、归一化、重新设置尺寸、随机裁剪，修改通道格式等等，以满足数据要求；每一类的功能如下：

• 灰度化：丢弃颜色信息，保留图像边缘信息；识别算法对于颜色的依赖性不强，加上颜色后鲁棒性会下降，而且灰度化图像维度下降（3->1），保留梯度的同时会加快计算。 #人脸特征对颜色依赖不强主要看特征不是色彩
• 归一化：加快收敛
• 重新设置尺寸：数据增强 对图像进行改变大小resize后，label会对应不上，也需要一一映射
• 随机裁剪：数据增强
• 修改通道格式：改为模型需要的结构

# 标准化自定义 transform 方法

class TransformAPI(object):
    """
    步骤一：继承 object 类
    """
    def __call__(self, data):

        """
        步骤二：在 __call__ 中定义数据处理方法
        """

        processed_data = data
        return  processed_data

import paddle.vision.transforms.functional as F

class GrayNormalize(object):
    # 将图片变为灰度图，并将其值放缩到[0, 1]
    # 将 label 放缩到 [-1, 1] 之间

    def __call__(self, data):
        image = data[0]   # 获取图片
        key_pts = data[1] # 获取标签

        image_copy = np.copy(image)
        key_pts_copy = np.copy(key_pts)

        # 灰度化图片
        gray_scale = paddle.vision.transforms.Grayscale(num_output_channels=3) #灰度正常情况通道数设置成为1  但是resnet50输入要求3因此设定
        image_copy = gray_scale(image_copy)

        # 将图片值放缩到 [0, 1]，归一化直接除就行
        image_copy = image_copy / 255.0

        # 将坐标点放缩到 [-1, 1]
        mean = data_mean # 获取标签均值
        std = data_std   # 获取标签标准差
        key_pts_copy = (key_pts_copy - mean)/std

        return image_copy, key_pts_copy

class Resize(object):
    # 将输入图像调整为指定大小

    def __init__(self, output_size):
        assert isinstance(output_size, (int, tuple))
        self.output_size = output_size

    def __call__(self, data):

        image = data[0]    # 获取图片
        key_pts = data[1]  # 获取标签

        image_copy = np.copy(image)
        key_pts_copy = np.copy(key_pts)

        h, w = image_copy.shape[:2]
        if isinstance(self.output_size, int):
            if h > w:
                new_h, new_w = self.output_size * h / w, self.output_size
            else:
                new_h, new_w = self.output_size, self.output_size * w / h
        else:
            new_h, new_w = self.output_size

        new_h, new_w = int(new_h), int(new_w)

        img = paddle.vision.transforms.resize(image_copy, (new_h, new_w))

        # scale the pts, too 同比例尺放缩
        key_pts_copy[::2] = key_pts_copy[::2] * new_w / w
        key_pts_copy[1::2] = key_pts_copy[1::2] * new_h / h

        return img, key_pts_copy

class RandomCrop(object):
    # 随机位置裁剪输入的图像

    def __init__(self, output_size):
        assert isinstance(output_size, (int, tuple))
        if isinstance(output_size, int):
            self.output_size = (output_size, output_size)
        else:
            assert len(output_size) == 2
            self.output_size = output_size

    def __call__(self, data):
        image = data[0]
        key_pts = data[1]

        image_copy = np.copy(image)
        key_pts_copy = np.copy(key_pts)

        h, w = image_copy.shape[:2]
        new_h, new_w = self.output_size
        #h=256 new_h=224  h - new_h=32
        top = np.random.randint(0, h - new_h)  #(0,32)随机生成一个点
        left = np.random.randint(0, w - new_w)
        #裁剪方式
        image_copy = image_copy[top: top + new_h,
                      left: left + new_w]
       #关键点的值，减去左上角和上面的值得到新的值
        key_pts_copy[::2] = key_pts_copy[::2] - left
        key_pts_copy[1::2] = key_pts_copy[1::2] - top

        return image_copy, key_pts_copy

class ToCHW(object):
    # 将图像的格式由HWC改为CHW
    def __call__(self, data):

        image = data[0]
        key_pts = data[1]

        transpose = paddle.vision.transforms.Transpose((2, 0, 1)) # 改为CHW
        image = transpose(image)

        return image, key_pts

看一下每种图像预处理方法的的效果。

import paddle.vision.transforms as T

# 测试 Resize
resize = Resize(256)

# 测试 RandomCrop
random_crop = RandomCrop(128)

# 测试 GrayNormalize 灰度+归一化
norm = GrayNormalize()

# 测试 Resize + RandomCrop，图像大小变到256*256， 然后截取出224*224的图像块
composed = paddle.vision.transforms.Compose([Resize(256), RandomCrop(224)])  #list一次做变化

test_num = 500 # 测试的数据下标
data = face_dataset[test_num]

transforms = {'None': None,
              'norm': norm,
              'random_crop': random_crop,
              'resize': resize ,
              'composed': composed}
for i, func_name in enumerate(['None', 'norm', 'random_crop', 'resize', 'composed']):  #enumerate进行枚举

    # 定义图片大小
    fig = plt.figure(figsize=(20,10))

    # 处理图片
    if transforms[func_name] != None:
        transformed_sample = transforms[func_name](data)
    else:
        transformed_sample = data

    # 设置图片打印信息
    ax = plt.subplot(1, 5, i + 1)
    ax.set_title(' Transform is #{}'.format(func_name))

    # 输出图片
    show_keypoints(transformed_sample[0], transformed_sample[1])

2.6 使用数据预处理的方式完成数据定义

让我们将 Resize、RandomCrop、GrayNormalize、ToCHW 应用于新的数据集

from paddle.vision.transforms import Compose

data_transform = Compose([Resize(256), RandomCrop(224), GrayNormalize(), ToCHW()])

# create the transformed dataset
train_dataset = FacialKeypointsDataset(csv_file='data/training_frames_keypoints.csv',
                                       root_dir='data/training/',
                                       transform=data_transform)
print('Number of train dataset images: ', len(train_dataset))

for i in range(5):
    sample = train_dataset[i]
    print(i, sample[0].shape, sample[1].shape)

test_dataset = FacialKeypointsDataset(csv_file='data/test_frames_keypoints.csv',
                                             root_dir='data/test/',
                                             transform=data_transform)

print('Number of test dataset images: ', len(test_dataset))

三、模型组建

3.1 组网

根据前文的分析可知，人脸关键点检测和分类，可以使用同样的网络结构，如LeNet、Resnet50等完成特征的提取，只是在原来的基础上，需要修改模型的最后部分，将输出调整为 人脸关键点的数量*2，即每个人脸关键点的横坐标与纵坐标，就可以完成人脸关键点检测任务了，具体可以见下面的代码，也可以参考官网案例:人脸关键点检测

网络结构如下：

为了加强网络的训练效果，可以考虑换用Resnet101

利用paddle高层API，一行代码就可以实现对网络的调用：paddle.vision.models.resnet101(pretrained=True) ，pretrained，表示model使用预训练好的参数

import paddle.nn as nn
from paddle.vision.models import resnet50
class SimpleNet(nn.Layer):

    def __init__(self, key_pts):

        super(SimpleNet, self).__init__()

        # 使用resnet50作为backbone
        self.backbone = paddle.vision.models.resnet50(pretrained=True) #输出为1000  ResNet-1  [[1, 3, 224, 224]]    [1, 1000]      0
                          #paddle.vision.models.resnet101(pretrained=True)
        # 添加第一个线性变换层
        self.linear1 = nn.Linear(in_features=1000, out_features=512)

        # 使用 ReLU 激活函数
        self.act1 = nn.ReLU()

        # 添加第二个线性变换层作为输出，输出元素的个数为 key_pts*2，代表每个关键点的坐标 68点
        self.linear2 = nn.Linear(in_features=512, out_features=key_pts*2)

    def forward(self, x):

        x = self.backbone(x)
        x = self.linear1(x)
        x = self.act1(x)
        x = self.linear2(x)

        return x

3.2 网络结构可视化

使用model.summary可视化网络结构。

model = paddle.Model(SimpleNet(key_pts=68))
#random_crop[224,224,3]
#toCHW[3,224,224]
model.summary((-1, 3, 224, 224)) #--1 batchsize可以后续自己定义大小

四、模型训练

4.1 模型配置

训练模型前，需要设置训练模型所需的优化器，损失函数和评估指标。

• 优化器：Adam优化器，快速收敛。
• 损失函数：SmoothL1Loss
• 评估指标：NME

4.2 自定义评估指标

特定任务的 Metric 计算方式在框架既有的 Metric接口中不存在，或算法不符合自己的需求，那么需要我们自己来进行Metric的自定义。这里介绍如何进行Metric的自定义操作，更多信息可以参考官网文档自定义Metric；首先来看下面的代码。

from paddle.metric import Metric

class NME(Metric):
    """
    1. 继承paddle.metric.Metric
    """
    def __init__(self, name='nme', *args, **kwargs):
        """
        2. 构造函数实现，自定义参数即可
        """
        super(NME, self).__init__(*args, **kwargs)
        self._name = name
        self.rmse = 0
        self.sample_num = 0

    def name(self):
        """
        3. 实现name方法，返回定义的评估指标名字
        """
        return self._name

    def update(self, preds, labels):
        """
        4. 实现update方法，用于单个batch训练时进行评估指标计算。
        - 当`compute`类函数未实现时，会将模型的计算输出和标签数据的展平作为`update`的参数传入。
        """
        N = preds.shape[0]

        preds = preds.reshape((N, -1, 2))
        labels = labels.reshape((N, -1, 2))

        self.rmse = 0

        for i in range(N):
            pts_pred, pts_gt = preds[i, ], labels[i, ]
            interocular = np.linalg.norm(pts_gt[36, ] - pts_gt[45, ])

            self.rmse += np.sum(np.linalg.norm(pts_pred - pts_gt, axis=1)) / (interocular * preds.shape[1])
            self.sample_num += 1

        return self.rmse / N

    def accumulate(self):
        """
        5. 实现accumulate方法，返回历史batch训练积累后计算得到的评价指标值。
        每次`update`调用时进行数据积累，`accumulate`计算时对积累的所有数据进行计算并返回。
        结算结果会在`fit`接口的训练日志中呈现。
        """
        return self.rmse / self.sample_num

    def reset(self):
        """
        6. 实现reset方法，每个Epoch结束后进行评估指标的重置，这样下个Epoch可以重新进行计算。
        """
        self.rmse = 0
        self.sample_num = 0

# 使用 paddle.Model 封装模型
model = paddle.Model(SimpleNet(key_pts=68))

# 定义Adam优化器
optimizer = paddle.optimizer.Adam(learning_rate=0.001,
                                weight_decay=5e-4,
                                parameters=model.parameters())
# 定义SmoothL1Loss
loss = nn.SmoothL1Loss()

# 使用自定义metrics
metric = NME()

model.prepare(optimizer=optimizer, loss=loss, metrics=metric)

损失函数的选择：L1Loss、L2Loss、SmoothL1Loss的对比

• L1Loss: 在训练后期，预测值与ground-truth差异较小时， 损失对预测值的导数的绝对值仍然为1，此时如果学习率不变，损失函数将在稳定值附近波动，难以继续收敛达到更高精度。
• L2Loss: 在训练初期，预测值与ground-truth差异较大时，损失函数对预测值的梯度十分大，导致训练不稳定。
• SmoothL1Loss: 在x较小时，对x梯度也会变小，而在x很大时，对x的梯度的绝对值达到上限 1，也不会太大以至于破坏网络参数。

4.2 模型训练

callback= paddle.callbacks.VisualDL(log_dir='visualdl_log')
model.fit(train_dataset, epochs=50, batch_size=64, verbose=1,callbacks=callback)

Epoch 40/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0231 - nme: 3.8331e-04 - 528ms/step
Epoch 41/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0449 - nme: 4.5357e-04 - 506ms/step
Epoch 42/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0281 - nme: 3.3320e-04 - 506ms/step
Epoch 43/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0198 - nme: 3.0033e-04 - 513ms/step
Epoch 44/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0263 - nme: 3.9367e-04 - 509ms/step
Epoch 45/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0448 - nme: 4.6078e-04 - 518ms/step
Epoch 46/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0321 - nme: 3.2545e-04 - 522ms/step
Epoch 47/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0249 - nme: 3.2067e-04 - 520ms/step
Epoch 48/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0270 - nme: 3.2314e-04 - 520ms/step
Epoch 49/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0183 - nme: 2.7263e-04 - 531ms/step
Epoch 50/50
step 55/55 [==============================] - loss: 0.0166 - nme: 2.7703e-04 - 542ms/step

4.3 模型保存

checkpoints_path = './checkpoints/models'
model.save(checkpoints_path)

五、模型预测

# 定义功能函数

def show_all_keypoints(image, predicted_key_pts):
    """
    展示图像，预测关键点
    Args：
        image：裁剪后的图像 [224, 224, 3]
        predicted_key_pts: 预测关键点的坐标
    """
    # 展示图像
    plt.imshow(image.astype('uint8'))

    # 展示关键点
    for i in range(0, len(predicted_key_pts), 2):
        plt.scatter(predicted_key_pts[i], predicted_key_pts[i+1], s=20, marker='.', c='m')

def visualize_output(test_images, test_outputs, batch_size=1, h=20, w=10):
    """
    展示图像，预测关键点
    Args：
        test_images：裁剪后的图像 [224, 224, 3]
        test_outputs: 模型的输出
        batch_size: 批大小
        h: 展示的图像高
        w: 展示的图像宽
    """

    if len(test_images.shape) == 3:
        test_images = np.array([test_images])

    for i in range(batch_size):

        plt.figure(figsize=(h, w))
        ax = plt.subplot(1, batch_size, i+1)

        # 随机裁剪后的图像
        image = test_images[i]

        # 模型的输出，未还原的预测关键点坐标值
        predicted_key_pts = test_outputs[i]

        # 还原后的真实的关键点坐标值
        predicted_key_pts = predicted_key_pts * data_std + data_mean

        # 展示图像和关键点
        show_all_keypoints(np.squeeze(image), predicted_key_pts)

        plt.axis('off')

    plt.show()

# 读取图像
img = mpimg.imread('4.jpg')

# 关键点占位符
kpt = np.ones((136, 1))

transform = Compose([Resize(256), RandomCrop(224)])
#【224，224，3】
# 对图像先重新定义大小，并裁剪到 224*224的大小
rgb_img, kpt = transform([img, kpt])

norm = GrayNormalize()
to_chw = ToCHW()

# 对图像进行归一化和格式变换
img, kpt = norm([rgb_img, kpt])
img, kpt = to_chw([img, kpt])

img = np.array([img], dtype='float32')

# 加载保存好的模型进行预测
model = paddle.Model(SimpleNet(key_pts=68))
model.load(checkpoints_path)
model.prepare()

# 预测结果
out = model.predict_batch([img])
out = out[0].reshape((out[0].shape[0], 136, -1))

# 可视化
visualize_output(rgb_img, out, batch_size=1)

# 读取图像
img = mpimg.imread('3.jpg')

# 关键点占位符
kpt = np.ones((136, 1))

transform = Compose([Resize(256), RandomCrop(224)])
#【224，224，3】
# 对图像先重新定义大小，并裁剪到 224*224的大小
rgb_img, kpt = transform([img, kpt])

norm = GrayNormalize()
to_chw = ToCHW()

# 对图像进行归一化和格式变换
img, kpt = norm([rgb_img, kpt])
img, kpt = to_chw([img, kpt])

img = np.array([img], dtype='float32')

# 加载保存好的模型进行预测
model = paddle.Model(SimpleNet(key_pts=68))
model.load(checkpoints_path)
model.prepare()

# 预测结果
out = model.predict_batch([img])
out = out[0].reshape((out[0].shape[0], 136, -1))

# 可视化
visualize_output(rgb_img, out, batch_size=1)

# 读取图像
img = mpimg.imread('1.jpg')

# 关键点占位符
kpt = np.ones((136, 1))

transform = Compose([Resize(256), RandomCrop(224)])
#【224，224，3】
# 对图像先重新定义大小，并裁剪到 224*224的大小
rgb_img, kpt = transform([img, kpt])

norm = GrayNormalize()
to_chw = ToCHW()

# 对图像进行归一化和格式变换
img, kpt = norm([rgb_img, kpt])
img, kpt = to_chw([img, kpt])

img = np.array([img], dtype='float32')

# 加载保存好的模型进行预测
model = paddle.Model(SimpleNet(key_pts=68))
model.load(checkpoints_path)
model.prepare()

# 预测结果
out = model.predict_batch([img])
out = out[0].reshape((out[0].shape[0], 136, -1))

# 可视化
visualize_output(rgb_img, out, batch_size=1)

六、扩充应用

当我们得到关键点的信息后，就可以进行一些扩充的应用。

# 定义功能函数

def show_fu(image, predicted_key_pts):
    """
    展示加了贴纸的图像
    Args：
        image：裁剪后的图像 [224, 224, 3]
        predicted_key_pts: 预测关键点的坐标
    """
    # 计算坐标，15 和 34点的中间值
    x = (int(predicted_key_pts[28]) + int(predicted_key_pts[66]))//2
    y = (int(predicted_key_pts[29]) + int(predicted_key_pts[67]))//2

    # 打开 春节小图
    star_image = mpimg.imread('light.jpg')

    # 处理通道
    if(star_image.shape[2] == 4):
        star_image = star_image[:,:,1:4]

    # 将小图放到原图上
    image[y:y+len(star_image[0]), x:x+len(star_image[1]),:] = star_image

    # 展示处理后的图片
    plt.imshow(image.astype('uint8'))

    # 展示关键点信息
    for i in range(len(predicted_key_pts)//2,):
        plt.scatter(predicted_key_pts[i*2], predicted_key_pts[i*2+1], s=20, marker='.', c='m') # 展示关键点信息

def custom_output(test_images, test_outputs, batch_size=1, h=20, w=10):
    """
    展示图像，预测关键点
    Args：
        test_images：裁剪后的图像 [224, 224, 3]
        test_outputs: 模型的输出
        batch_size: 批大小
        h: 展示的图像高
        w: 展示的图像宽
    """

    if len(test_images.shape) == 3:
        test_images = np.array([test_images])

    for i in range(batch_size):

        plt.figure(figsize=(h, w))
        ax = plt.subplot(1, batch_size, i+1)

        # 随机裁剪后的图像
        image = test_images[i]

        # 模型的输出，未还原的预测关键点坐标值
        predicted_key_pts = test_outputs[i]

        # 还原后的真实的关键点坐标值
        predicted_key_pts = predicted_key_pts * data_std + data_mean

        # 展示图像和关键点
        show_fu(np.squeeze(image), predicted_key_pts)

        plt.axis('off')

    plt.show()

# 读取图像
img = mpimg.imread('4.jpg')

# 关键点占位符
kpt = np.ones((136, 1))

transform = Compose([Resize(256), RandomCrop(224)])

# 对图像先重新定义大小，并裁剪到 224*224的大小
rgb_img, kpt = transform([img, kpt])

norm = GrayNormalize()
to_chw = ToCHW()

# 对图像进行归一化和格式变换
img, kpt = norm([rgb_img, kpt])
img, kpt = to_chw([img, kpt])

img = np.array([img], dtype='float32')

# 加载保存好的模型进行预测
# model = paddle.Model(SimpleNet())
# model.load(checkpoints_path)
# model.prepare()

# 预测结果
out = model.predict_batch([img])
out = out[0].reshape((out[0].shape[0], 136, -1))

# 可视化
custom_output(rgb_img, out, batch_size=1)

总结

上面换用了resnet101,为了缩短训练时间将Epoch设定为25.但是经过实验发现模型效果不理想，还是改为50个EPOCH。并且开启VisualDL，便于观察模型训练情况。训练情况可视化，可以发现loss下降的很快。使用resnet101并且Epoch为50的时候，模型是过拟合的，因为另一方面数据集的量很少。所以建议还是使用Resnet50就行，调优可以从优化方法，batch，等下手。
效果不是很好可能训练样本有很大关系！

可以看到识别精度不是很好，尤其是遇到人脸有角度的情况下准确率十分低，造成这个情况可能是数据样本太少以及网络结构简单。需要更大的数据集以及更好的网络进行调试