人像抠图：算法概述及工程实现（二）

人像抠图：算法概述及工程实现（一）

Pytorch->Caffe模型转换

上一篇概述了人像抠图现有的算法，平衡速度与精度选择了MODNet作为baseline，本文将重点阐述工程实现、优化改进的细节。

本项目的最终目的是在HiLens Kit硬件上落地实现实时视频读入与背景替换，开发环境为HiLens配套在线开发环境HiLens Studio，先上一下对比baseline的改进效果：

使用modnet预训练模型modnet_photographic_portrait_matting.ckpt进行测试结果如下：

可以看到由于场景较为陌生、逆光等原因会导致抠图结果有些闪烁，虽然modnet可以针对特定视频进行自监督finetune，但我们的目的是在普遍意义上效果更好，因此没有对本视频进行自监督学习。

优化后的模型效果如下：

注：原视频来自Human-centric video matting发布的数据集

本视频并没有作为训练数据。可以看到，抠图的闪烁情况减少了很多，毛发等细节也基本没有损失。

工程落地

为了测试baseline效果，首先我们要在使用场景下对baseline进行工程落地。根据文档导入/转换本地开发模型可知

昇腾310 AI处理器支持模型格式为".om"，对于Pytorch模型来说可以通过"Pytorch->Caffe->om"或"Pytorch->onnx->om"（新版本）的转换方式得到，这里我选择的是第一种。Pytorch->Caffe模型转换方法与注意事项在之前的博客中有具体阐述过，这里不赘述。转换得到Caffe模型后，可以在HiLens Studio中直接转为om模型，非常方便。

首先在HiLens Studio中新建一个技能，此处选择了空模板，只需要修改一下技能名称就可以。

将Caffe模型上传到model文件夹下：

在控制台中运行模型转换命令即可得到可以运行的om模型：

/opt/ddk/bin/aarch64-linux-gcc7.3.0/omg --model=./modnet_portrait_320.prototxt --weight=./modnet_portrait_320.caffemodel --framework=0 --output=./modnet_portrait_320 --insert_op_conf=./aipp.cfg

接下来完善demo代码。在测试时HiLens Studio可以在工具栏选择使用视频模拟摄像头输入，或连接手机使用手机进行测试：

具体的demo代码如下：

# -*- coding: utf-8 -*-
# !/usr/bin/python3
# HiLens Framework 0.2.2 python demo
​
import cv2
import os
import hilens
import numpy as np
from utils import preprocess
import time
​
​
def run(work_path):
    hilens.init("hello")  # 与创建技能时的校验值一致
​
    camera = hilens.VideoCapture('test/camera0_2.mp4')  # 模拟输入的视频路径
    display = hilens.Display(hilens.HDMI)
​
    # 初始化模型
    model_path = os.path.join(work_path, 'model/modnet_portrait_320.om') # 模型路径
    model = hilens.Model(model_path)
​
    while True:
        try:
            input_yuv = camera.read()
            input_rgb = cv2.cvtColor(input_yuv, cv2.COLOR_YUV2RGB_NV21)
            # 抠图后替换的背景
            bg_img = cv2.cvtColor(cv2.imread('data/tiantan.jpg'), cv2.COLOR_BGR2RGB) 
            crop_img, input_img = preprocess(input_rgb)  # 预处理
            s = time.time()
            matte_tensor = model.infer([input_img.flatten()])[0]
            print('infer time:', time.time() - s)
            matte_tensor = matte_tensor.reshape(1, 1, 384, 384)
​
            alpha_t = matte_tensor[0].transpose(1, 2, 0)
            matte_np = cv2.resize(np.tile(alpha_t, (1, 1, 3)), (640, 640))
            fg_np = matte_np * crop_img + (1 - matte_np) * bg_img  # 替换背景
            view_np = np.uint8(np.concatenate((crop_img, fg_np), axis=1))
            print('all time:', time.time() - s)
​
            output_nv21 = hilens.cvt_color(view_np, hilens.RGB2YUV_NV21)
            display.show(output_nv21)
​
        except Exception as e:
            print(e)
            break
​
    hilens.terminate()

其中预处理部分的代码为：

import cv2
import numpy as np
​
​
TARGET_SIZE = 640
MODEL_SIZE = 384
​
​
def preprocess(ori_img):
    ori_img = cv2.flip(ori_img, 1)
    H, W, C = ori_img.shape
    x_start = max((W - min(H, W)) // 2, 0)
    y_start = max((H - min(H, W)) // 2, 0)
    crop_img = ori_img[y_start: y_start + min(H, W), x_start: x_start + min(H, W)]
    crop_img = cv2.resize(crop_img, (TARGET_SIZE, TARGET_SIZE))
    input_img = cv2.resize(crop_img, (MODEL_SIZE, MODEL_SIZE))
​
    return crop_img, input_img

demo部分的代码非常简单，点击运行即可在模拟器中看到效果：

模型推理耗时44ms左右，端到端运行耗时60ms左右，达到了我们想要的实时的效果。

效果改进

预训练模型在工程上存在着时序闪烁的问题，原论文中提出了一种使视频结果在时间上更平滑的后处理方式OFD，即用前后两帧平均误差大的中间帧。但这种办法只适合慢速运动，同时会导致一帧延迟，而我们希望可以对摄像头输入进行实时、普适的时序处理，因此OFD不适合我们的应用场景。

在Video Object Segmentation任务中有一些基于Memory Network的方法（如STM），抠图领域也有新论文如DVM考虑引入时序记忆单元使抠图结果在时序上更稳定，但这些方法普遍需要前后n帧信息，在资源占用、推理实时性、适用场景上都与我们希望的场景不符合。

考虑到资源消耗与效果的平衡，我们采用将前一帧的alpha结果cat到当前帧RGB图像后共同作为输入的方法来使网络在时序上更稳定。

网络上的修改非常简单，只需在模型初始化时指定in_channels = 4：

modnet = MODNet(in_channels=4, backbone_pretrained=False)

训练数据方面，我们选择一些VideoMatting的数据集：VideoMatte240K、ConferenceVideoSegmentationDataset。

最初，我们尝试将前一帧alpha作为输入、缺失前帧时补零这种简单的策略对模型进行训练：

if os.path.exists(os.path.join(self.alpha_path, alpha_pre_path)):
    alpha_pre = cv2.imread(os.path.join(self.alpha_path, alpha_pre_path))
else:
    alpha_pre = np.zeros_like(alpha)
    
net_input = torch.cat([image, alpha_pre], dim=0)

收敛部署后发现，在场景比较稳定时模型效果提升较大，而在人进、出画面时模型适应较差，同时如果某一帧结果较差，将对后续帧产生很大影响。针对这些问题，考虑制定相应的数据增强的策略来解决问题。

• 人进、出画面时模型适应较差：数据集中空白帧较少，对人物入画出画学习不够，因此在数据处理时增加空白帧概率：

  if os.path.exists(os.path.join(self.alpha_path, alpha_pre_path)) and random.random() < 0.7:
      alpha_pre = cv2.imread(os.path.join(self.alpha_path, alpha_pre_path))
  else:
      alpha_pre = np.zeros_like(alpha)

• 某一帧结果较差，将对后续帧产生很大影响：目前的结果较为依赖前一帧alpha，没有学会抛弃错误结果，因此在数据处理时对alpha_pre进行一定概率的仿射变换，使网络学会忽略偏差较大的结果；

• 此外，光照问题仍然存在，在背光或光线较强处抠图效果较差：对图像进行光照增强，具体的，一定概率情况下模拟点光源或线光源叠加到原图中，使网络对光照更鲁棒。光照数据增强有两种比较常用的方式，一种是通过opencv进行简单的模拟，具体可以参考augmentation.py，另外还有通过GAN生成数据，我们使用opencv进行模拟。

重新训练后，我们的模型效果已经可以达到前文展示的效果，在16T算力的HiLens Kit上完全达到了实时、优雅的效果。进一步的，我还想要模型成为耗时更少、效果更好的优秀模型~目前在做的提升方向是：

• 更换backbone：针对应用硬件选择合适的backbone一向是提升模型性价比最高的方法，直接根据耗时与资源消耗针对硬件搜一个模型出来最不错，目前搜出来的模型转为onnx测试结果（输入192x192）：

  GPU:
  Average Performance excluding first iteration. Iterations 2 to 300. (Iterations greater than 1 only bind and evaluate)
    Average Bind: 0.124713 ms
    Average Evaluate: 16.0683 ms
  ​
    Average Working Set Memory usage (bind): 6.53219e-05 MB
    Average Working Set Memory usage (evaluate): 0.546117 MB
  ​
    Average Dedicated Memory usage (bind): 0 MB
    Average Dedicated Memory usage (evaluate): 0 MB
  ​
    Average Shared Memory usage (bind): 0 MB
    Average Shared Memory usage (evaluate): 0.000483382 MB
    
  CPU:
  Average Performance excluding first iteration. Iterations 2 to 300. (Iterations greater than 1 only bind and evaluate)
    Average Bind: 0.150212 ms
    Average Evaluate: 13.7656 ms
  ​
    Average Working Set Memory usage (bind): 9.14507e-05 MB
    Average Working Set Memory usage (evaluate): 0.566746 MB
  ​
    Average Dedicated Memory usage (bind): 0 MB
    Average Dedicated Memory usage (evaluate): 0 MB
  ​
    Average Shared Memory usage (bind): 0 MB
    Average Shared Memory usage (evaluate): 0 MB

• 模型分支：在使用的观察中发现，大部分较为稳定的场景可以使用较小的模型得到不错的结果，所有考虑finetune LRBranch处理简单场景，HRBranch与FusionBranch依旧用来处理复杂场景，这项工作还在进行中。

后续还会进行一些量化蒸馏的优化尝试，期待更好更快的结果。