Minimal-Hand：单目实时手部位姿估计

Xsens动作捕捉 2023-04-15 4876

1.简介

Monocular Real-time Hand Shape and Motion Capture using Multi-modal Data^[1]，CVPR2020的一篇论文，从单目图像中估计手部的shape和pose。它可以利用所有来源的手部训练数据：2D或3D标注的图片数据，以及没有对应图片的3D动捕数据。

以前方法的两个问题：

1.没有充分利用所有形态的训练数据。受限于动作捕捉设备，有3D标注的数据较少。有一些生成的数据集，但在生成数据上训练的网络泛化能力往往很差。注意到有一种数据被之前所有的工作都忽视了，mocap data。这种数据有多样的动作，但是缺乏对应的图片，由于它们通常由手套或者3D scanner获取。因此之前的方法没办法用它们学习图片到pose的映射。

2.大多数方法聚焦于预测3D joints，但是在驱动模型的时候更需要获得关节的旋转信息。一些方法通过将手部模型拟合到稀疏的关键点上来解决这个问题，但是迭代优化耗时且易陷入局部最优。另一些方法直接回归joint的旋转角度（比如回归MANO的参数）。这些方法都采取了弱监督的训练方案，因为缺乏成对的图片和关节旋转标注，因此无法保证pose的合理性。

因此本文提出了新方法，用于利用所有上述数据模式，包括带有2D和/或3D注释的合成和真实图像数据集以及非图像MoCap数据，以最大限度地提高准确性和稳定性。

本文提出的方法包含两个模块，DetNet和IKNet。

DetNet预测2D关节点和3D关节点位置。2D监督让模型学习如何从真实图像中提取特征，3D关节点位置的学习可以使用生成的数据。

IKNet预测关节的旋转，解决反向运动学问题，输入预测的3D关节点，回归旋转信息。IKNet通过一次前向推理就可以快速预测出运动学参数，避免了复杂和耗时的模型拟合。训练时，Mocap数据提供直接的旋转监督，3D关节点位置数据可以提供弱监督，来学习姿势先验从而纠正DetNet中错误的预测。

贡献：

提出了一种新的单目手部位姿估计方法，可以同时利用2D/3D标注图片数据和Mocap数据。
提出IKNet，可以将预测出的3D关节点位置映射到关节的旋转。

2. 算法原理

2.1 整体框架

Minimal-Hand包括两个模块：DetNet和IKNet。

DetNet从RGB图像中预测出2D和3D的手部关节点位置，然后通过将一个手部模型拟合到预测的3D关节点上可以检索出手的形状。

IKNet接受3D关节点并将其转换为关节的旋转（MANO的pose参数）。

2.2 DetNet

输入单张RGB图像，DetNet输出3D手部关节点位置（相对于根节点的尺度归一化的）和2D关节点位置（图像空间中）。DetNet可以分成三部分：特征提取器（feature extractor），2D关节点检测器（2D detector），3D关节点检测器（3D detector）。

Feature Extractor：使用res50作为backbone，输入128*128的图像，输出32*32*256的特征图 $F$ F 。

2D Detector：一个2层的CNN。输入上面提取到的特征图 $F$ F ，输出2D heatmap $H_{j}$ H_j ， $H_{j}$ H_j 上每个pixel的值表示第j个joint位于此处的置信度。这部分通过2D标注的ground truth监督。

3D Detector：输出3D手部关节点的location map $L_{j}$ L_j 。这部分参考了Vnect^[2]。对于第j个关节， $L_{j}$ L_j 和2D heatmap $H_{j}$ H_j 有一样的分辨率，上面每个像素的值代表关节的3D坐标。类似于 $L$ L ，minnimal-hand还估计了delta maps $D$ D ， $D_{b}$ D_b 上的每个pixel编码了骨骼b的方向，用从父节点到子节点的3D vector表示。3D detector首先从图像特征 $F$ F 和2D heatmap $H$ H 中估计出delta maps $D$ D ，然后再将 $F$ F 、 $H$ H 和 $D$ D concat到一起，送入另一个2层的CNN中得到最后的location map $L$ L 。在推理时，根据 $H_{j}$ H_j 中的最大值的坐标去XYZ的location map中分别取得 $X_{j}$ X_j 、 $Y_{j}$ Y_j 和 $Z_{j}$ Z_j 。为了缓解单目视觉的深度歧义性，预测的坐标是相对于根节点的，并根据一个参考骨骼（本文选的是中掌指骨）的长度进行归一化。

DetNet的损失函数：

2D heatmap loss：

location map loss：

delta map loss：

Ground truth $L^{G T}$ L^{GT} 和 $D^{G T}$ D^{GT} 是将标注的关节点位置和骨骼方向平铺到heatmap的尺度。 $⊙$ \odot 表示element-wise矩阵乘法。

最后一项L2为正则化。

当已知相机内参 $K$ K 和参考骨骼长度 $l_{r e f}$ l_{ref} 时，可以由下面的公式计算出根节点的绝对深度 $z_{r}$ z_r 。

2.2 Shape Estimation

得到3D关节点位置后计算出shape参数。minimal hand并没有采用直接回归shape参数的方法，而是通过最小化一个损失函数来计算出 $β$ \beta ：

本文使用LM算法对此进行优化。

2.3 IKNet

用网络从joint locations回归joint rotations。

IKNet的训练使用了两种数据集。一种是mocap data，即3D关节点位置和对应的关节旋转角。本文使用了MANO模型中扫描的1554个人手姿态，并通过插值对数据进行了扩充。由于DetNet预测出的3D关节存在噪声和误差，而动捕设备获得的mocap data本身的噪声是比较小的，只使用mocap data会导致对会导致鲁棒性不够好，所以本文还使用了有3D标注的图像数据。对于所有的训练样本，先使用DetNet预测其3D joints作为IKNet的输出，估计出joints rotation（采用了四元数形式）后通过FK得到重建的3D joints，然后用ground truth进行监督。

IKNet整体的损失函数：