Paper reading：Fine-Grained Head Pose Estimation Without Keypoints （CVPR2018）

一、 背景

为什么要读这篇论文，因为LZ之前要做头部姿态估计，看到一些传统的方法，都是先进行人脸检测，然后再进行关键点定位，当然现在可以一起做，anyway，得到最后的关键点位置，再使用一个通用的3D人脸模型，通过solvePnP来得到最终的头部姿态，但是不管是脑子中考虑还是最后的动手实践，得到的结论就是这种方式的头部姿态方法不robust。可以想一下：每个人的脸型不一样吧，物管肯定也有差异，3D通用模型也有很多方式，关键点定位也有偏差，这些都是不确定的，只能说当精度要求不高，并且关键点定位足够准确，且头部姿态估计的对象和3D的通用人脸模型相对匹配的情况下，这种方式才比较好，那么问题来了，算法的泛化能力呢。。。

于是乎，还是往深度学习的方法上瞅瞅，就看到了题目中的文章，简单测试了下，觉得效果可行，那么就开始阅读论文和代码吧。

二、 数据集准备

主要使用的数据是300W-LP，下载的地址为： http://www.cbsr.ia.ac.cn/users/xiangyuzhu/projects/3ddfa/main.htm

大概有2.6个G，下载可能需要一段时间，所以有的时候LZ如果确定要尝试一种方法，首先就要开始准备下载数据集，在下载数据集的时候可以在慢慢阅读下论文。

当然这些数据都是合成的，所以有些图片看起来会有点奇怪

三、 训练代码运行的一些问题

1. python2和python3的兼容性问题

LZ用的是python3，原始论文使用的是python2，所以会存在一些兼容性的问题，这些都比较好修改，例如把xrange替换成range这种。

2. pytorch的版本问题

因为是两三年前的代码了，pytorch可能版本比较旧，也会存在一些代码的修改

• utils.py中

# 直接注释掉这一行
# from torch.utils.serialization import load_lua

• 训练代码以train_hopenet.py为例吧
  error：

RuntimeError: Mismatch in shape: grad_output[0] has a shape of torch.Size([1]) and output[0] has a shape of torch.Size([]).

solution：

 # grad_seq = [torch.ones(1).cuda(gpu) for _ in range(len(loss_seq))]
 grad_seq = [torch.tensor(1.0).cuda(gpu) for _ in range(len(loss_seq))]

error：

IndexError: invalid index of a 0-dim tensor. Use tensor.item() to convert a 0-dim tensor to a Python number

solution：

 # print('Epoch [%d/%d], Iter [%d/%d] Losses: Yaw %.4f, Pitch %.4f, Roll %.4f'
                #       % (epoch + 1, num_epochs, i + 1, len(pose_dataset) // batch_size, loss_yaw.data[0],
                #          loss_pitch.data[0], loss_roll.data[0]))
print('Epoch [%d/%d], Iter [%d/%d] Losses: Yaw %.4f, Pitch %.4f, Roll %.4f'
       % (epoch + 1, num_epochs, i + 1, len(pose_dataset) // batch_size, loss_yaw.item(),
          loss_pitch.item(), loss_roll.item()))

运行就没啥问题了
但是這個後面得看一下，爲什麼loss會突然增到這麼大。。。

四、测试结果

因为这个算法的流程是要先进行人脸检测，然后在人脸检测框四周扩充一定的范围后进行头部姿态估计的，按照上述的方法，经过测试，确实效果还可以，但是如果是一整张大图，直接回归出头部姿态，这个结果就是非常不准确的了，下面我们来看下代码，看看是否有值得借鉴的信息。

五、代码部分

5.1 训练代码

我们就以train_hopenet.py为例，其他只是换了backbone，原理都是一样的，当然LZ还是小小改动了一下源码

• 一些常规设置

def parse_args():
    """Parse input arguments."""
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Head pose estimation using the Hopenet network.')
    parser.add_argument('--gpu', dest='gpu_id', help='GPU device id to use [0]',
                        default=0, type=int)
    parser.add_argument('--num_epochs', dest='num_epochs', help='Maximum number of training epochs.',
                        default=5, type=int)
    parser.add_argument('--batch_size', dest='batch_size', help='Batch size.',
                        default=16, type=int)
    parser.add_argument('--lr', dest='lr', help='Base learning rate.',
                        default=0.001, type=float)
    parser.add_argument('--dataset', dest='dataset', help='Dataset type.', default='Pose_300W_LP', type=str)
    parser.add_argument('--data_dir', dest='data_dir', help='Directory path for data.',
                        default='', type=str)
    parser.add_argument('--filename_list', dest='filename_list',
                        help='Path to text file containing relative paths for every example.',
                        default='', type=str)
    parser.add_argument('--output_string', dest='output_string', help='String appended to output snapshots.',
                        default='', type=str)
    parser.add_argument('--alpha', dest='alpha', help='Regression loss coefficient.',
                        default=0.001, type=float)
    parser.add_argument('--snapshot', dest='snapshot', help='Path of model snapshot.',
                        default='', type=str)

    args = parser.parse_args()
    return args

• 主函数

5.2 Hopenet部分

class Hopenet(nn.Module):
    # Hopenet with 3 output layers for yaw, pitch and roll
    # Predicts Euler angles by binning and regression with the expected value
    def __init__(self, block, layers, num_bins):
        self.inplanes = 64
        super(Hopenet, self).__init__()
        self.conv1 = nn.Conv2d(3, 64, kernel_size=7, stride=2, padding=3,
                               bias=False)
        self.bn1 = nn.BatchNorm2d(64)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.maxpool = nn.MaxPool2d(kernel_size=3, stride=2, padding=1)
        self.layer1 = self._make_layer(block, 64, layers[0])
        self.layer2 = self._make_layer(block, 128, layers[1], stride=2)
        self.layer3 = self._make_layer(block, 256, layers[2], stride=2)
        self.layer4 = self._make_layer(block, 512, layers[3], stride=2)
        self.avgpool = nn.AvgPool2d(7)
        self.fc_yaw = nn.Linear(512 * block.expansion, num_bins)
        self.fc_pitch = nn.Linear(512 * block.expansion, num_bins)
        self.fc_roll = nn.Linear(512 * block.expansion, num_bins)

        # Vestigial layer from previous experiments
        self.fc_finetune = nn.Linear(512 * block.expansion + 3, 3)

        for m in self.modules():
            if isinstance(m, nn.Conv2d):
                n = m.kernel_size[0] * m.kernel_size[1] * m.out_channels
                m.weight.data.normal_(0, math.sqrt(2. / n))
            elif isinstance(m, nn.BatchNorm2d):
                m.weight.data.fill_(1)
                m.bias.data.zero_()

    def _make_layer(self, block, planes, blocks, stride=1):
        downsample = None
        if stride != 1 or self.inplanes != planes * block.expansion:
            downsample = nn.Sequential(
                nn.Conv2d(self.inplanes, planes * block.expansion,
                          kernel_size=1, stride=stride, bias=False),
                nn.BatchNorm2d(planes * block.expansion),
            )

        layers = []
        layers.append(block(self.inplanes, planes, stride, downsample))
        self.inplanes = planes * block.expansion
        for i in range(1, blocks):
            layers.append(block(self.inplanes, planes))

        return nn.Sequential(*layers)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = self.bn1(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.maxpool(x)

        x = self.layer1(x)
        x = self.layer2(x)
        x = self.layer3(x)
        x = self.layer4(x)

        x = self.avgpool(x)
        x = x.view(x.size(0), -1)
        pre_yaw = self.fc_yaw(x)
        pre_pitch = self.fc_pitch(x)
        pre_roll = self.fc_roll(x)

        return pre_yaw, pre_pitch, pre_roll

5.3 datasets部分

这里LZ就选择其中的一个数据集Pose_300W_LP来进行解释

class Pose_300W_LP(Dataset):
    # Head pose from 300W-LP dataset
    def __init__(self, data_dir, filename_path, transform, img_ext='.jpg', annot_ext='.mat', image_mode='RGB'):
        self.data_dir = data_dir
        self.transform = transform
        self.img_ext = img_ext
        self.annot_ext = annot_ext

        filename_list = get_list_from_filenames(filename_path)

        self.X_train = filename_list
        self.y_train = filename_list
        self.image_mode = image_mode
        self.length = len(filename_list)

    def __getitem__(self, index):
    	#这个比较重要的是数据处理部分
        img = Image.open(os.path.join(self.data_dir, self.X_train[index] + self.img_ext)) 
        img = img.convert(self.image_mode)
        mat_path = os.path.join(self.data_dir, self.y_train[index] + self.annot_ext)

        # Crop the face loosely
        pt2d = utils.get_pt2d_from_mat(mat_path) #这个是从mat中得到对应的68个关键点的坐标
        x_min = min(pt2d[0, :])
        y_min = min(pt2d[1, :])
        x_max = max(pt2d[0, :])
        y_max = max(pt2d[1, :])

        # k = 0.2 to 0.40
        k = np.random.random_sample() * 0.2 + 0.2
        x_min -= 0.6 * k * abs(x_max - x_min)
        y_min -= 2 * k * abs(y_max - y_min)
        x_max += 0.6 * k * abs(x_max - x_min)
        y_max += 0.6 * k * abs(y_max - y_min)
        img = img.crop((int(x_min), int(y_min), int(x_max), int(y_max)))

        # We get the pose in radians
        pose = utils.get_ypr_from_mat(mat_path)
        # And convert to degrees.
        pitch = pose[0] * 180 / np.pi
        yaw = pose[1] * 180 / np.pi
        roll = pose[2] * 180 / np.pi

        # Flip?
        rnd = np.random.random_sample()
        if rnd < 0.5:
            yaw = -yaw
            roll = -roll
            img = img.transpose(Image.FLIP_LEFT_RIGHT)

        # Blur?
        rnd = np.random.random_sample()
        if rnd < 0.05:
            img = img.filter(ImageFilter.BLUR)

        # Bin values
        bins = np.array(range(-99, 102, 3))
        binned_pose = np.digitize([yaw, pitch, roll], bins) - 1

        # Get target tensors
        labels = binned_pose
        cont_labels = torch.FloatTensor([yaw, pitch, roll])

        if self.transform is not None:
            img = self.transform(img)

        return img, labels, cont_labels, self.X_train[index]

    def __len__(self):
        # 122,450
        return self.length

数据集中的mat主要包含这几个部分：