头部姿态估计

概括

通过Dlib获得当前人脸的特征点，然后通过旋转平移标准模型的特征点进行拟合，计算标准模型求得的特征点与Dlib获得的特征点之间的差，使用Ceres不断迭代优化，最终得到最佳的旋转和平移参数。

Android版本在原理上同C++版本：头部姿态估计 - OpenCV/Dlib/Ceres。

主要介绍在移植过程中遇到的问题。

使用环境

系统环境：Ubuntu 18.04

Java环境：JRE 1.8.0

使用语言：C++(clang), Java

编译工具：Android Studio 3.4.1

• CMake 3.10.2
• LLDB
• NDK 20.0

上述工具在Android Studio中SDK的管理工具里下载即可。

第三方工具

Dlib：用于获得人脸特征点
Ceres：用于进行非线性优化

源代码

https://github.com/Great-Keith/head-pose-estimation/tree/master/android/landmark-fitting

准备工作

第三方库的Android接口

Dlib

使用的GitHub上提供的现成接口：https://github.com/tzutalin/dlib-android

该项目还提供了具体的app样例：https://github.com/tzutalin/dlib-android-app/

我们所做的app就是建立在该app样例之上。

Ceres

具体使用可以参见前一篇随笔：Android平台使用Ceres Solver

总之最后我们整合Dlib和Ceres得到了我们app的基本框架：https://github.com/Great-Keith/dlib-android-app

增加前置摄像头转换

增设转换按钮

最初的样例dlib-android-app仅提供了后置摄像头，这对于单人测试很不方便，因此我们修改代码来实现一个切换前后摄像头的按钮。

首先找到相机视图res/layout/camera_connection_fragment.xml，在其右上角增加 Switch 按钮。

最后我们找到该app的实现细节，是通过自己新建一个CameraConnectionFragment类来替换原本的Fragment，从而实现的一系列操作。该类中setUpCameraOutputs方法实现了对相机的选择，其会便利移动设备上可用的所有相机，优先选择后置摄像头。

给该方法增加一个boolean b参数，用于选择摄像头：

if(b) {
	// 只使用后置摄像头
	// If facing back camera or facing external camera exist, we won't use facing front camera
	if (num_facing_back_camera != null && num_facing_back_camera > 0) {
	// 前置摄像头跳过(如果有后置摄像头)
	// We don't use a front facing camera in this sample if there are other camera device facing types
        if (facing != null && facing == CameraCharacteristics.LENS_FACING_FRONT) {
            continue;
        }
	}
} else {
    // 只使用前置摄像头
    if (num_facing_front_camera != null && num_facing_front_camera > 0) {
    // 前置摄像头跳过(如果有后置摄像头)
    // We don't use a front facing camera in this sample if there are other camera device facing types
        if (facing != null && facing == CameraCharacteristics.LENS_FACING_BACK) {
      	  continue;	
        }
    }
}

然后在初始化的过程中关联上我们的Switch按钮：

        switchBtn = view.findViewById(R.id.cameraSwitch);
        switchBtn.setOnCheckedChangeListener(new CompoundButton.OnCheckedChangeListener() {
            @Override
            public void onCheckedChanged(CompoundButton compoundButton, boolean b) {
                closeCamera();
                openCamera(textureView.getWidth(), textureView.getHeight(), b);
            }
        });

[NOTE] 通过openCamera将参数b传输给setUpCameraOutputs。

修复前置摄像头倒转

修改完后我们运行程序，会发现出现预显示窗口倒转的情况，因此我们需要对预显示窗口的显示进行翻转。

找到相机类处理捕捉到的画面的监听器OnGetImageListener，其中对捕捉到的画面进行处理的函数即为drawResizedBitmap，在最终绘制之前，增加矩阵翻转。

/* If using front camera, matrix should rotate 180 */
if(!switchBtn.isChecked()) {
    matrix.postTranslate(-dst.getWidth() / 2.0f, -dst.getHeight() / 2.0f);
    matrix.postRotate(180);
    matrix.postTranslate(dst.getWidth() / 2.0f, dst.getHeight() / 2.0f);
}
final Canvas canvas = new Canvas(dst);
canvas.drawBitmap(src, matrix, null);

[NOTE] 在该类中没有办法直接获取CameraId来判断当前使用的相机是前置还是后置，因此我们通过之前的Switch按钮来进行判断。查阅可能可以使用的Camera类在API 21以后淘汰使用了。

主要过程

还是在相机的监听器当中，我们可以看到dlib获得的特征点数据，并进行绘制。

mInferenceHandler.post(
                new Runnable() {
                    @Override
                    public void run() {
                        // ...

                        long startTime = System.currentTimeMillis();
                        List<VisionDetRet> results;
                        synchronized (OnGetImageListener.this) {
                            results = mFaceDet.detect(mCroppedBitmap);
                        }
                        long endTime = System.currentTimeMillis();
                        mTransparentTitleView.setText("Time cost: " + String.valueOf((endTime - startTime) / 1000f) + " sec");
                        // Draw on bitmap
                        if (results != null) {
                            for (final VisionDetRet ret : results) {
                                // 绘制人脸框和特征点
                                // ...
                                }
                            }
                        }
                        mWindow.setRGBBitmap(mCroppedBitmap);
                        mIsComputing = false;
                    }
                });

我们选择在绘制人脸框和特征点的for循环中增加优化。

首先将特征点复制一份Point数组，用于作为传入参数。

/* Transform landmarks to array, which is needed by JNI */
Point[] tmp = landmarks.toArray(new Point[0]);

初始化好double x[]随后我们可以调用我们的CeresSolver类来进行处理，得到的最优解通过指针x返回。

CeresSolver.solve(x, tmp);

最后我们再调用两个方法来进行将三维特征点转化为二维的映射。

Point3f[] points3f = CeresSolver.transform(x);
Point[] points2d = CeresSolver.transformTo2d(points3f);

[NOTE] 项目中的二维点使用android.graphics.Point（对应C++中使用的dlib::point），而三维点使用我们自己建的一个类Point3f（对应C++中使用的dlib::vector<double, 3>）。

综上，我们实际上要实现的是一个提供Ceres支持的工具类CeresSolver，下面具体描述。

CeresSolver类与其JNI接口

初始化

我们需要读取标准模型特征点的三维坐标，该坐标存储于landmarks.txt文件中。对于Android工程，我们将该文件放在assets目录下。在CameraActivity初始化onCreate的时候顺带进行初始化：

CeresSolver.init(getResources().getAssets().open("landmarks.txt"));

该初始化具体过程如下：

public static void init(InputStream in) {
    try {
        InputStreamReader inputReader = new InputStreamReader(in);
        BufferedReader bufReader = new BufferedReader(inputReader);
        String line;
        int i = 0;
        while((line = bufReader.readLine()) != null) {
            String[] nums = line.split(" ");
            modelLandmarks[i] = new Point3f(Double.valueOf(nums[0]),
                                            Double.valueOf(nums[1]),
                                            Double.valueOf(nums[2]));
            i++;
        }
    } catch (Exception e) {
        Log.e(TAG, "Loading model landmarks from file failed.");
        e.printStackTrace();
    }
    Log.i(TAG, "Loading model landmarks from file succeed.");
    init_();
}

init_是一个JNI的函数，用于将CeresSolver类中读取的modelLandmark数据读取到本地变量｀｀model_landmark，并提前读取一些jmethodID和jfieldID。

[NOTE] 其实也可以通过调用jmethodID或者jfieldID来获得Java类中的modelLandmark，但我目前不是很清楚两种方法之间在效率上的差异。

[NOTE] 将这些数据提前在cpp文件中读取并保存成静态变量，这个过程有一些问题，由于Java的垃圾回收机制，JNI中的静态类型，有些会失去关联（可能是指针？）。比如jfieldID的调用往往没有问题，但是jclass就会失效，因此jclass类型无法提前先初始化好。

解决最小二乘

同C++一样，提前定义好CostFunctor:

struct CostFunctor {
public:
    explicit CostFunctor(JNIEnv *_env, jobjectArray _shape){
        env = _env;
        shape = _shape; }
    bool operator()(const double* const x, double* residual) const {
        /* Init landmarks to be transformed */
        fitting_landmarks.clear();
        for (auto &model_landmark : model_landmarks)
            fitting_landmarks.push_back(model_landmark);
        transform(fitting_landmarks, x);
        std::vector<Point2d> model_landmarks_2d;
        landmarks_3d_to_2d(fitting_landmarks, model_landmarks_2d);

        /* Calculate the energe (Euclid distance from two points) */
        for(unsigned long i=0; i<LANDMARK_NUM; i++) {
            jobject point = env->GetObjectArrayElement(shape, static_cast<jsize>(i));
            long tmp1 = env->GetIntField(point, getX2d) - model_landmarks_2d.at(i).x;
            long tmp2 = env->GetIntField(point, getY2d) - model_landmarks_2d.at(i).y;
            residual[i] = sqrt(tmp1 * tmp1 + tmp2 * tmp2);
        }
        return true;
    }
private:
    JNIEnv *env;
    jobjectArray shape;	/* 3d landmarks coordinates got from dlib */
};

基本与C++相同，唯一不同的地方是shape的类型直接使用的JNI中的类型jobjectArray，并且需要使用到调用，因此需要在初始化的时候导入JNIEnv环境。

其余在调用部分就和C++部分基本相同，所有的JNI函数都需要注意在参数传入和传出的时候进行类型的转变。

坐标转化

涉及三维点旋转和平移的转化以及三维点转二维点的转化，同C++中的涉及。

需要另外提供JNI接口给Java中的类使用，主要涉及jobject的方法调用、成员访问等等。当然，也可以在Java中实现这些方法，感觉效率会更高一些。这一部分具体可以看源代码，其中有详细的注释。

信息打印（Debug）

在Android项目中，输出的消息很多，debug的难度是比较大的，因此需要灵活使用打印信息来获得所需要的信息。其中Java程序中可以使用android.util.Log来进行输出，可以在logcat或者run中进行查看。具体比如：

Log.i(TAG, String.format("After Solve x: %f %f %f %f %f %f", 
                          x[0], x[1], x[2], x[3], x[4], x[5]));

在JNI的cpp文件中，定义如下宏定义来进行输出：

#define TAG        "CERES-CPP"
#define LOGD(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_DEBUG, TAG,__VA_ARGS__)
#define LOGI(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_INFO,  TAG,__VA_ARGS__)
#define LOGW(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_WARN,  TAG,__VA_ARGS__)
#define LOGE(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_ERROR, TAG,__VA_ARGS__)
#define LOGF(...)  __android_log_print(ANDROID_LOG_FATAL, TAG,__VA_ARGS__)

使用该Log需要在CMakeLists.txt中需要链接log库。

结果测试

进入相机界面，并进行摄像头的切换。

这边可以看到，刚打开的时候，这个求解得到的点是非常混乱的，这是由于初始值没有设置好，在经过一段时间后就会进入正常状态。
*[NOTE] 后来我在读入的模型特征点的时候加入一个缩放系数（1/100），效果得到很好的改善。

实时效果

总结

因为整体逻辑在C++已经实现了，所以复制这个逻辑的过程并不困难。难点主要是在JNI的使用上，没有接触过NDK的我在将Ceres移植到安卓平台上花费了大量的时间，最后写了Android平台使用Ceres Solver总结了这个过程。当这一部分完成之后，后面的过程就快了起来，但关于JNI的很多特性，跟Java息息相关，还需要更多的摸索。

进一步可以优化

• 初始值选择问题；
• 去除app中的识别行人模块；
• 优化使用Ceres求解最小二乘的过程；
• 前后摄像头显示区别；
• 优化接口，使其更据扩展性。