笔尖笔帽检测3：Android实现笔尖笔帽检测算法(含源码 可是实时检测)

企业开发 2023-12-17 13:26:05 阅读次数: 0

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1. 前言

2.笔尖笔帽检测方法

(1)Top-Down(自上而下)方法

(2)Bottom-Up(自下而上)方法：

3.笔尖笔帽关键点检测模型训练

4.笔尖笔帽关键点检测模型Android部署

（1） 将Pytorch模型转换ONNX模型

（2） 将ONNX模型转换为TNN模型

（3） Android端上部署模型

（4） Android测试效果 

（5） 运行APP闪退：dlopen failed: library "libomp.so" not found

5.Android项目源码下载

6.C++实现笔尖笔帽关键点检测

7.特别版: 笔尖指尖检测

1. 前言

目前在AI智慧教育领域，有一个比较火热的教育产品，即指尖点读或者笔尖点读功能，其核心算法就是通过深度学习的方法获得笔尖或者指尖的位置，在通过OCR识别文本，最后通过TTS（TextToSpeech）将文本转为语音；其中OCR和TTS算法都已经研究非常成熟了，而指尖或者笔尖检测的方法也有一些开源的项目可以参考实现。本项目将实现笔尖笔帽关键点检测算法，其中使用YOLOv5模型实现手部检测（手握着笔目标检测），使用HRNet，LiteHRNet和Mobilenet-v2模型实现笔尖笔帽关键点检测。项目分为数据标注，模型训练和Android部署等多个章节，本篇是项目《笔尖笔帽检测》系列文章之Android实现笔尖笔帽检测算法；为了方便后续模型工程化和Android平台部署，项目支持高精度HRNet检测模型，轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet模型训练和测试，并提供Python/C++/Android多个版本；

轻量化Mobilenet-v2模型在普通Android手机上可以达到实时的检测效果，CPU(4线程)约50ms左右，GPU约30ms左右 ，基本满足业务的性能需求。下表格给出HRNet，以及轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet的计算量和参数量，以及其检测精度。

模型 input-size params(M) GFLOPs AP
HRNet-w32 192×192 28.48M 5734.05M 0.8418
LiteHRNet18 192×192 1.10M 182.15M 0.7469
Mobilenet-v2 192×192 2.63M 529.25M 0.7531

【尊重原创，转载请注明出处】https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/134070497

Android笔尖笔帽关键点检测APP Demo体验(下载)：

https://download.csdn.net/download/guyuealian/88535143

    

更多项目《笔尖笔帽检测》系列文章请参考：

 

2.笔尖笔帽检测方法

笔尖笔帽目标较小，如果直接使用目标检测，很难达到像素级别的检测精度；一般建议使用类似于人体关键点检测的方案。目前主流的关键点方法主要两种：一种是Top-Down（自上而下）方法，另外一种是Bottom-Up（自下而上）方法；

(1)Top-Down(自上而下)方法

将手部检测（手握笔的情况）和笔尖笔帽关键点检测分离，在图像上首先进行手部目标检测，定位手部位置；然后crop每一个手部图像，再估计笔尖笔帽关键点；这类方法往往比较慢，但姿态估计准确度较高。目前主流模型主要有CPN，Hourglass，CPM，Alpha Pose，HRNet等。

(2)Bottom-Up(自下而上)方法：

先估计图像中所有笔尖笔帽关键点，然后在通过Grouping的方法组合成一个一个实例；因此这类方法在测试推断的时候往往更快速，准确度稍低。典型就是COCO2016年人体关键点检测冠军Open Pose。

通常来说，Top-Down具有更高的精度，而Bottom-Up具有更快的速度；就目前调研而言， Top-Down的方法研究较多，精度也比Bottom-Up（自下而上）方法高。

本项目采用Top-Down(自上而下)方法，使用YOLOv5模型实现手部检测（手握笔检测），使用HRNet进行笔尖笔帽关键点检测；也可以简单理解为，先使用YOLOv5定位手握笔的区域位置，再使用HRNet进行笔尖笔帽精细化位置定位。

本项目基于开源的HRNet进行改进，关于HRNet项目请参考GitHub

HRNet: https://github.com/leoxiaobin/deep-high-resolution-net.pytorch

3.笔尖笔帽关键点检测模型训练

本项目采用Top-Down(自上而下)方法，使用YOLOv5模型实现手部检测（手笔检测），并基于开源的HRNet进行改进实现笔尖笔帽关键点检测；为了方便后续模型工程化和Android平台部署，项目支持轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet模型训练和测试，并提供Python/C++/Android多个版本；轻量化Mobilenet-v2模型在普通Android手机上可以达到实时的检测效果，CPU(4线程)约50ms左右，GPU约30ms左右 ，基本满足业务的性能需求

本篇博文主要分享C++版本的模型部署，不包含Python版本的训练代码和相关数据集，关于笔尖笔帽关键点检测的训练方法和数据集说明，可参考 :

笔尖笔帽检测2：Pytorch实现笔尖笔帽检测算法(含训练代码和数据集)

下表格给出HRNet，以及轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet的计算量和参数量，以及其检测精度AP； 高精度检测模型HRNet-w32，AP可以达到0.8418，但其参数量和计算量比较大，不合适在移动端部署；LiteHRNet18和Mobilenet-v2参数量和计算量比较少，合适在移动端部署；虽然LiteHRNet18的理论计算量和参数量比Mobilenet-v2低，但在实际测试中，发现Mobilenet-v2运行速度更快。轻量化Mobilenet-v2模型在普通Android手机上可以达到实时的检测效果，CPU(4线程)约50ms左右，GPU约30ms左右 ，基本满足业务的性能需求

模型 input-size params(M) GFLOPs AP
HRNet-w32 192×192 28.48M 5734.05M 0.8418
LiteHRNet18 192×192 1.10M 182.15M 0.7469
Mobilenet-v2 192×192 2.63M 529.25M 0.7531

HRNet-w32参数量和计算量太大，不适合在Android手机部署，本项目Android版本只支持部署LiteHRNet和Mobilenet-v2模型；C++版本可支持部署HRNet-w32，LiteHRNet和Mobilenet-v2模型 

4.笔尖笔帽关键点检测模型Android部署

目前CNN模型有多种部署方式，可以采用TNN，MNN,NCNN，以及TensorRT等部署工具，鄙人采用TNN进行Android端上部署。部署流程可分为四步：训练模型->将模型转换ONNX模型->将ONNX模型转换为TNN模型->Android端上部署TNN模型。

（1） 将Pytorch模型转换ONNX模型

训练好Pytorch模型后，我们需要先将模型转换为ONNX模型，以便后续模型部署。

  • 原始Python项目提供转换脚本，你只需要修改model_file和config_file为你模型路径即可
  •  convert_torch_to_onnx.py实现将Pytorch模型转换ONNX模型的脚本
python libs/convert_tools/convert_torch_to_onnx.py
"""
This code is used to convert the pytorch model into an onnx format model.
"""
import os
import torch.onnx
from pose.inference import PoseEstimation
from basetrainer.utils.converter import pytorch2onnx


def load_model(config_file, model_file, device="cuda:0"):
    pose = PoseEstimation(config_file, model_file, device=device)
    model = pose.model
    config = pose.config
    return model, config


def convert2onnx(config_file, model_file, device="cuda:0", onnx_type="kp"):
    """
    :param model_file:
    :param input_size:
    :param device:
    :param onnx_type:
    :return:
    """
    model, config = load_model(config_file, model_file, device=device)
    model = model.to(device)
    model.eval()
    model_name = os.path.basename(model_file)[:-len(".pth")]
    onnx_file = os.path.join(os.path.dirname(model_file), model_name + ".onnx")
    # dummy_input = torch.randn(1, 3, 240, 320).to("cuda")
    input_size = tuple(config.MODEL.IMAGE_SIZE)  # w,h
    input_shape = (1, 3, input_size[1], input_size[0])
    pytorch2onnx.convert2onnx(model,
                              input_shape=input_shape,
                              input_names=['input'],
                              output_names=['output'],
                              onnx_file=onnx_file,
                              opset_version=11)


if __name__ == "__main__":
    config_file = "../../work_space/pen/mobilenet_v2_2_192_192_custom_coco_20231114_000651_3262/mobilenetv2_192_192.yaml"
    model_file = "../../work_space/pen/mobilenet_v2_2_192_192_custom_coco_20231114_000651_3262/model/model_199_0.7518.pth"
    convert2onnx(config_file, model_file)

（2） 将ONNX模型转换为TNN模型

目前CNN模型有多种部署方式，可以采用TNN，MNN,NCNN，以及TensorRT等部署工具，鄙人采用TNN进行Android端上部署

TNN转换工具：

​​

（3） Android端上部署模型

项目实现了Android版本的手部检测（手握着笔）和笔尖笔帽关键点检测Demo，部署框架采用TNN，支持多线程CPU和GPU加速推理，在普通手机上可以实时处理。项目Android源码，核心算法均采用C++实现，上层通过JNI接口调用。

如果你想在这个Android Demo部署你自己训练的分类模型，你可将训练好的Pytorch模型转换ONNX ，再转换成TNN模型，然后把TNN模型代替你模型即可。 

HRNet-w32参数量和计算量太大，不适合在Android手机部署，本项目Android版本只支持部署LiteHRNet和Mobilenet-v2模型；C++版本可支持部署HRNet-w32，LiteHRNet和Mobilenet-v2模型 

  • 这是项目Android源码JNI接口 ，Java部分
package com.cv.tnn.model;

import android.graphics.Bitmap;

public class Detector {

    static {
        System.loadLibrary("tnn_wrapper");
    }


    /***
     * 初始化检测模型
     * @param dets_model： 检测模型（不含后缀名）
     * @param pose_model： 识别模型（不含后缀名）
     * @param root：模型文件的根目录，放在assets文件夹下
     * @param model_type：模型类型
     * @param num_thread：开启线程数
     * @param useGPU：是否开启GPU进行加速
     */
    public static native void init(String dets_model, String pose_model, String root, int model_type, int num_thread, boolean useGPU);

    /***
     * 返回检测和识别结果
     * @param bitmap 图像（bitmap），ARGB_8888格式
     * @param score_thresh：置信度阈值
     * @param iou_thresh：  IOU阈值
     * @param pose_thresh：  关键点阈值
     * @return
     */
    public static native FrameInfo[] detect(Bitmap bitmap, float score_thresh, float iou_thresh, float pose_thresh);
}
  • 这是Android项目源码JNI接口 ，C++部分
#include <jni.h>
#include <string>
#include <fstream>
#include "src/yolov5.h"
#include "src/pose_detector.h"
#include "src/Types.h"
#include "debug.h"
#include "android_utils.h"
#include "opencv2/opencv.hpp"
#include "file_utils.h"

using namespace dl;
using namespace vision;

static YOLOv5 *detector = nullptr;
static PoseDetector *pose = nullptr;

JNIEXPORT jint JNI_OnLoad(JavaVM *vm, void *reserved) {
    return JNI_VERSION_1_6;
}

JNIEXPORT void JNI_OnUnload(JavaVM *vm, void *reserved) {

}


extern "C"
JNIEXPORT void JNICALL
Java_com_cv_tnn_model_Detector_init(JNIEnv *env,
                                    jclass clazz,
                                    jstring dets_model,
                                    jstring pose_model,
                                    jstring root,
                                    jint model_type,
                                    jint num_thread,
                                    jboolean use_gpu) {
    if (detector != nullptr) {
        delete detector;
        detector = nullptr;
    }
    std::string parent = env->GetStringUTFChars(root, 0);
    std::string dets_model_ = env->GetStringUTFChars(dets_model, 0);
    std::string pose_model_ = env->GetStringUTFChars(pose_model, 0);
    string dets_model_file = path_joint(parent, dets_model_ + ".tnnmodel");
    string dets_proto_file = path_joint(parent, dets_model_ + ".tnnproto");
    string pose_model_file = path_joint(parent, pose_model_ + ".tnnmodel");
    string pose_proto_file = path_joint(parent, pose_model_ + ".tnnproto");
    DeviceType device = use_gpu ? GPU : CPU;
    LOGW("parent     : %s", parent.c_str());
    LOGW("useGPU     : %d", use_gpu);
    LOGW("device_type: %d", device);
    LOGW("model_type : %d", model_type);
    LOGW("num_thread : %d", num_thread);
    YOLOv5Param model_param = YOLOv5s05_320;//模型参数
    detector = new YOLOv5(dets_model_file,
                          dets_proto_file,
                          model_param,
                          num_thread,
                          device);

    PoseParam pose_param = POSE_MODEL_TYPE[model_type];//模型类型
    pose = new PoseDetector(pose_model_file,
                            pose_proto_file,
                            pose_param,
                            num_thread,
                            device);
}

extern "C"
JNIEXPORT jobjectArray JNICALL
Java_com_cv_tnn_model_Detector_detect(JNIEnv *env, jclass clazz, jobject bitmap,
                                      jfloat score_thresh, jfloat iou_thresh, jfloat pose_thresh) {
    cv::Mat bgr;
    BitmapToMatrix(env, bitmap, bgr);
    int src_h = bgr.rows;
    int src_w = bgr.cols;
    // 检测区域为整张图片的大小
    FrameInfo resultInfo;
    // 开始检测
    if (detector != nullptr) {
        detector->detect(bgr, &resultInfo, score_thresh, iou_thresh);
    } else {
        ObjectInfo objectInfo;
        objectInfo.x1 = 0;
        objectInfo.y1 = 0;
        objectInfo.x2 = (float) src_w;
        objectInfo.y2 = (float) src_h;
        objectInfo.label = 0;
        resultInfo.info.push_back(objectInfo);
    }

    int nums = resultInfo.info.size();
    LOGW("object nums: %d\n", nums);
    if (nums > 0) {
        // 开始检测
        pose->detect(bgr, &resultInfo, pose_thresh);
        // 可视化代码
        //classifier->visualizeResult(bgr, &resultInfo);
    }
    //cv::cvtColor(bgr, bgr, cv::COLOR_BGR2RGB);
    //MatrixToBitmap(env, bgr, dst_bitmap);
    auto BoxInfo = env->FindClass("com/cv/tnn/model/FrameInfo");
    auto init_id = env->GetMethodID(BoxInfo, "<init>", "()V");
    auto box_id = env->GetMethodID(BoxInfo, "addBox", "(FFFFIF)V");
    auto ky_id = env->GetMethodID(BoxInfo, "addKeyPoint", "(FFF)V");
    jobjectArray ret = env->NewObjectArray(resultInfo.info.size(), BoxInfo, nullptr);
    for (int i = 0; i < nums; ++i) {
        auto info = resultInfo.info[i];
        env->PushLocalFrame(1);
        //jobject obj = env->AllocObject(BoxInfo);
        jobject obj = env->NewObject(BoxInfo, init_id);
        // set bbox
        //LOGW("rect:[%f,%f,%f，%f] label:%d,score:%f \n", info.rect.x,info.rect.y, info.rect.w, info.rect.h, 0, 1.0f);
        env->CallVoidMethod(obj, box_id, info.x1, info.y1, info.x2 - info.x1, info.y2 - info.y1,
                            info.label, info.score);
        // set keypoint
        for (const auto &kps : info.keypoints) {
            //LOGW("point:[%f,%f] score:%f \n", lm.point.x, lm.point.y, lm.score);
            env->CallVoidMethod(obj, ky_id, (float) kps.point.x, (float) kps.point.y,
                                (float) kps.score);
        }
        obj = env->PopLocalFrame(obj);
        env->SetObjectArrayElement(ret, i, obj);
    }
    return ret;
}

（4） Android测试效果 

Android Demo在普通手机CPU/GPU上可以达到实时检测效果；CPU(4线程)约50ms左右，GPU约30ms左右 ，基本满足业务的性能需求。

Android笔尖笔帽关键点检测APP Demo体验(下载)：

https://download.csdn.net/download/guyuealian/88535143

       

     

（5） 运行APP闪退：dlopen failed: library "libomp.so" not found

参考解决方法：
解决dlopen failed: library “libomp.so“ not found_PKing666666的博客-CSDN博客_dlopen failed

 Android SDK和NDK相关版本信息，请参考： 

 

5.Android项目源码下载

Android项目源码下载地址：Android实现笔尖笔帽检测算法(含源码 可是实时检测)

整套Android项目源码内容包含：

  1. Android Demo源码支持YOLOv5手部检测(手握笔检测)
  2. Android Demo源码支持轻量化模型LiteHRNet和Mobilenet-v2笔尖笔帽关键点检测
  3. Android Demo在普通手机CPU/GPU上可以实时检测，CPU约50ms，GPU约30ms左右
  4. Android Demo支持图片，视频，摄像头测试
  5. 所有依赖库都已经配置好，可直接build运行，若运行出现闪退，请参考dlopen failed: library “libomp.so“ not found 解决。

6.C++实现笔尖笔帽关键点检测

7.特别版: 笔尖指尖检测

碍于篇幅，本文章只实现了笔尖笔帽关键点检测；实质上，要实现指尖点读或者笔尖点读功能，我们可能并不需要笔帽检测，而是需要实现笔尖+指尖检测功能；其实现方法与笔尖笔帽关键点检测类似。

下面是成功产品落地应用的笔尖+指尖检测算法Demo，其检测精度和速度性能都比笔尖笔帽检测的效果要好。

如果你需要笔尖+指尖检测算法，可在公众号咨询联系

指尖笔尖Android Demo体检：https://download.csdn.net/download/guyuealian/88558414

指尖笔尖检测Demo01

指尖笔尖检测Demo02

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转载自blog.csdn.net/guyuealian/article/details/134070497
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