MediaPipe实现手指关键点检测及追踪,人脸识别及追踪

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本文已参与「新人创作礼」活动,一起开启掘金创作之路。

MediaPipe实现手指关键点检测及追踪,人脸识别及追踪

OpenCV 是一个用于计算机视觉应用程序的库。在 OpenCV 的帮助下,我们可以构建大量实时运行更好的应用程序。主要用于图像和视频处理。

可以在此处获取有关 OpenCV 的更多信息 (opencv.org/)

除了 OpenCV,我们将使用 MediaPipe 库。

1.MediaPipe简介

MediaPipe是一个主要用于构建音频、视频或任何时间序列数据的框架。在 MediaPipe 框架的帮助下,我们可以为不同的媒体处理功能构建管道。

MediaPipe 的一些主要应用。

  • 多手追踪
  • 人脸检测
  • 对象检测和跟踪
  • Objection:3D 对象检测和跟踪
  • AutoFlip:自动视频裁剪管道等。

MediaPipe 使用单次手掌检测模型,一旦完成,它会对检测到的手部区域中的 21 个 3D 手掌坐标执行精确的关键点定位。

MediaPipe 管道使用多个模型,例如,从完整图像返回定向手边界框的手掌检测模型。裁剪后的图像区域被馈送到由手掌检测器定义的手部标志模型,并返回高保真 3D 手部关键点。

现在让我们实现手部跟踪模型。

安装所需的模块

–> pip install opencv-python

–> pip install mediapipe

注意:这里的python版本尽量在3.8以上,不然会报各种错误!!

首先,让我们检查网络摄像头的工作情况。

 import cv2
 import mediapipe as mp
 import time
 ​
 cap = cv2.VideoCapture(0)
 ​
 mpHands = mp.solutions.hands
 hands = mpHands.Hands(static_image_mode=False,
                       max_num_hands=2,
                       min_detection_confidence=0.5,
                       min_tracking_confidence=0.5)
 mpDraw = mp.solutions.drawing_utils
 ​
 pTime = 0
 cTime = 0
 ​
 while True:
     success, img = cap.read()
     img = cv2.flip(img, 1)
     imgRGB = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
     results = hands.process(imgRGB)
     #print(results.multi_hand_landmarks)
 ​
     if results.multi_hand_landmarks:
         for handLms in results.multi_hand_landmarks:
             for id, lm in enumerate(handLms.landmark):
                 #print(id,lm)
                 h, w, c = img.shape
                 cx, cy = int(lm.x *w), int(lm.y*h)
                 #if id ==0:
                 cv2.circle(img, (cx,cy), 3, (255,0,255), cv2.FILLED)
 ​
             mpDraw.draw_landmarks(img, handLms, mpHands.HAND_CONNECTIONS)
 ​
 ​
     cTime = time.time()
     fps = 1/(cTime-pTime)
     pTime = cTime
 ​
     cv2.putText(img,str(int(fps)), (10,70), cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, (255,0,255), 3)
 ​
     cv2.imshow("Image", img)
     cv2.waitKey(1)

结果见图示:

image-20211125121105554

2.mediapipe实现手掌拖拽屏幕中的方块

效果如示:

image-20211125122000091

image-20211125122027286

image-20211125122052025

源码如下:

 """
 功能:手势虚拟拖拽
 1、使用OpenCV读取摄像头视频流;
 2、识别手掌关键点像素坐标;
 3、根据食指和中指指尖的坐标,利用勾股定理计算距离,当距离较小且都落在矩形内,则触发拖拽(矩形变色);
 4、矩形跟着手指动;
 5、两指放开,则矩形停止移动
 """
 ​
 ​
 # 导入OpenCV
 import cv2
 # 导入mediapipe
 import mediapipe as mp
 ​
 # 导入其他依赖包
 import time
 import math
 ​
 ​
 ​
 ​
 # 方块管理类
 class SquareManager:
     def __init__(self, rect_width):
         
         
         # 方框长度
         self.rect_width = rect_width
         
         # 方块list
         self.square_count = 0
         self.rect_left_x_list = []
         self.rect_left_y_list = []
         self.alpha_list = []
 ​
         # 中指与矩形左上角点的距离
         self.L1 = 0
         self.L2 = 0
 ​
         # 激活移动模式
         self.drag_active = False
 ​
         # 激活的方块ID
         self.active_index = -1
         
     
     # 创建一个方块,但是没有显示
     def create(self,rect_left_x,rect_left_y,alpha=0.4):
         self.rect_left_x_list.append(rect_left_x)
         self.rect_left_y_list.append(rect_left_y)
         self.alpha_list.append(alpha)
         self.square_count+=1
         
 ​
     # 更新位置
     def display(self,class_obj):
         for i in range(0,self.square_count):
             x= self.rect_left_x_list[i]
             y= self.rect_left_y_list[i]
             alpha  = self.alpha_list[i]
 ​
             overlay = class_obj.image.copy()
 ​
             if(i == self.active_index):
                 cv2.rectangle(overlay,(x,y),(x+self.rect_width,y+self.rect_width),(255, 0, 255),-1)
             else:
                 cv2.rectangle(overlay,(x,y),(x+self.rect_width,y+self.rect_width),(255, 0, 0),-1)
             
             # Following line overlays transparent rectangle over the self.image
             class_obj.image = cv2.addWeighted(overlay, alpha, class_obj.image, 1 - alpha, 0)
             
 ​
 ​
     # 判断落在哪个方块上,返回方块的ID
     def checkOverlay(self,check_x,check_y):
         for i in range(0,self.square_count):
             x= self.rect_left_x_list[i]
             y= self.rect_left_y_list[i]
 ​
             if (x <  check_x < (x+self.rect_width) ) and ( y < check_y < (y+self.rect_width)):
                 
                 # 保存被激活的方块ID
                 self.active_index = i
 ​
                 return i
         
         return -1
 ​
     # 计算与指尖的距离
     def setLen(self,check_x,check_y):
         # 计算距离
         self.L1 = check_x - self.rect_left_x_list[self.active_index] 
         self.L2 = check_y - self.rect_left_y_list[self.active_index]
 ​
     # 更新方块    
     def updateSquare(self,new_x,new_y):
         # print(self.rect_left_x_list[self.active_index])
         self.rect_left_x_list[self.active_index] = new_x - self.L1 
         self.rect_left_y_list[self.active_index] = new_y - self.L2
 ​
 ​
 # 识别控制类
 class HandControlVolume:
     def __init__(self):
         # 初始化medialpipe
         self.mp_drawing = mp.solutions.drawing_utils
         self.mp_drawing_styles = mp.solutions.drawing_styles
         self.mp_hands = mp.solutions.hands
 ​
         
         # 中指与矩形左上角点的距离
         self.L1 = 0
         self.L2 = 0
 ​
         # image实例,以便另一个类调用
         self.image=None
 ​
         
 ​
     # 主函数
     def recognize(self):
         # 计算刷新率
         fpsTime = time.time()
 ​
         # OpenCV读取视频流
         cap = cv2.VideoCapture(0)
         # 视频分辨率
         resize_w = 1280
         resize_h = 720
 ​
         # 画面显示初始化参数
         rect_percent_text = 0
 ​
 ​
         # 初始化方块管理器
         squareManager = SquareManager(150)
 ​
         # 创建多个方块
         for i in range(0, 7):
             squareManager.create(180*i+20, 180, 0.3) ##原来是0.6
 ​
 ​
         with self.mp_hands.Hands(min_detection_confidence=0.7,
                                  min_tracking_confidence=0.5,
                                  max_num_hands=2) as hands:
             while cap.isOpened():
 ​
                 # 初始化矩形
                 success, self.image = cap.read()
                 self.image = cv2.resize(self.image, (resize_w, resize_h))
 ​
                 if not success:
                     print("空帧.")
                     continue
 ​
                 # 提高性能
                 self.image.flags.writeable = False
                 # 转为RGB
                 self.image = cv2.cvtColor(self.image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
                 # 镜像
                 self.image = cv2.flip(self.image, 1)
                 # mediapipe模型处理
                 results = hands.process(self.image)
 ​
                 self.image.flags.writeable = True
                 self.image = cv2.cvtColor(self.image, cv2.COLOR_RGB2BGR)
                 # 判断是否有手掌
                 if results.multi_hand_landmarks:
                     # 遍历每个手掌
                     for hand_landmarks in results.multi_hand_landmarks:
                         # 在画面标注手指
                         self.mp_drawing.draw_landmarks(
                             self.image,
                             hand_landmarks,
                             self.mp_hands.HAND_CONNECTIONS,
                             self.mp_drawing_styles.get_default_hand_landmarks_style(),
                             self.mp_drawing_styles.get_default_hand_connections_style())
 ​
 ​
                         # 解析手指,存入各个手指坐标
                         landmark_list = []
 ​
                         # 用来存储手掌范围的矩形坐标
                         paw_x_list = []
                         paw_y_list = []
                         for landmark_id, finger_axis in enumerate(
                                 hand_landmarks.landmark):
                             landmark_list.append([
                                 landmark_id, finger_axis.x, finger_axis.y,
                                 finger_axis.z
                             ])
                             paw_x_list.append(finger_axis.x)
                             paw_y_list.append(finger_axis.y)
                         if landmark_list:
                             # 比例缩放到像素
                             ratio_x_to_pixel = lambda x: math.ceil(x * resize_w)
                             ratio_y_to_pixel = lambda y: math.ceil(y * resize_h)
                             
                             # 设计手掌左上角、右下角坐标
                             paw_left_top_x,paw_right_bottom_x = map(ratio_x_to_pixel,[min(paw_x_list),max(paw_x_list)])
                             paw_left_top_y,paw_right_bottom_y = map(ratio_y_to_pixel,[min(paw_y_list),max(paw_y_list)])
 ​
                             # 给手掌画框框
                             cv2.rectangle(self.image,(paw_left_top_x-30,paw_left_top_y-30),(paw_right_bottom_x+30,paw_right_bottom_y+30),(0, 255,0),2)
 ​
                             # 获取中指指尖坐标
                             middle_finger_tip = landmark_list[12]
                             middle_finger_tip_x =ratio_x_to_pixel(middle_finger_tip[1])
                             middle_finger_tip_y =ratio_y_to_pixel(middle_finger_tip[2])
 ​
                             # 获取食指指尖坐标
                             index_finger_tip = landmark_list[8]
                             index_finger_tip_x =ratio_x_to_pixel(index_finger_tip[1])
                             index_finger_tip_y =ratio_y_to_pixel(index_finger_tip[2])
                             # 中间点
                             between_finger_tip = (middle_finger_tip_x+index_finger_tip_x)//2, (middle_finger_tip_y+index_finger_tip_y)//2
                             # print(middle_finger_tip_x)
                             thumb_finger_point = (middle_finger_tip_x,middle_finger_tip_y)
                             index_finger_point = (index_finger_tip_x,index_finger_tip_y)
                             # 画指尖2点
                             circle_func = lambda point: cv2.circle(self.image,point,10,(255,0,255),-1)
                             self.image = circle_func(thumb_finger_point)
                             self.image = circle_func(index_finger_point)
                             self.image = circle_func(between_finger_tip)
                             # 画2点连线
                             self.image = cv2.line(self.image,thumb_finger_point,index_finger_point,(255,0,255),5)
                             # 勾股定理计算长度
                             line_len = math.hypot((index_finger_tip_x-middle_finger_tip_x),(index_finger_tip_y-middle_finger_tip_y))
                             # 将指尖距离映射到文字
                             rect_percent_text = math.ceil(line_len)
 ​
                             # 激活模式,需要让矩形跟随移动
                             if squareManager.drag_active:
                                 # 更新方块
                                 squareManager.updateSquare(between_finger_tip[0],between_finger_tip[1])
                                 if(line_len>100):
                                     # 取消激活
                                     squareManager.drag_active =False
                                     squareManager.active_index = -1
 ​
                             elif (line_len<100) and (squareManager.checkOverlay(between_finger_tip[0],between_finger_tip[1]) != -1 )and( squareManager.drag_active  == False):
                                     # 激活
                                     squareManager.drag_active =True
                                     # 计算距离
                                     squareManager.setLen(between_finger_tip[0],between_finger_tip[1])
 ​
                 # 显示方块,传入本实例,主要为了半透明的处理
                 squareManager.display(self)
                 
                 # 显示距离
                 cv2.putText(self.image, "Distance:"+str(rect_percent_text), (10, 120),cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, (255, 0, 0), 3)
 ​
                 # 显示当前激活
                 cv2.putText(self.image, "Active:"+( "None" if squareManager.active_index == -1 else str(squareManager.active_index)), (10, 170),cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, (255, 0, 0), 3)
 ​
                 # 显示刷新率FPS
                 cTime = time.time()
                 fps_text = 1/(cTime-fpsTime)
                 fpsTime = cTime
                 cv2.putText(self.image, "FPS: " + str(int(fps_text)), (10, 70),
                             cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, (255, 0, 0), 3)
                 # 显示画面
                 # self.image = cv2.resize(self.image, (resize_w//2, resize_h//2))
                 cv2.imshow('virtual drag and drop', self.image)
                 
                 if cv2.waitKey(5) & 0xFF == 27:
                     break
             cap.release()
 ​
 ​
 ​
 # 开始程序
 control = HandControlVolume()
 control.recognize()
 ​
 ​

3.mediapipe实现手势控制音量大小

效果如示:

image-20211125122351771

image-20211125122411531

源码如下:

 """
 功能:手势操作电脑音量
 1、使用OpenCV读取摄像头视频流;
 2、识别手掌关键点像素坐标;
 3、根据拇指和食指指尖的坐标,利用勾股定理计算距离;
 4、将距离等比例转为音量大小,控制电脑音量
 """
 ​
 ​
 # 导入OpenCV
 import cv2
 # 导入mediapipe
 import mediapipe as mp
 # 导入电脑音量控制模块
 from ctypes import cast, POINTER
 from comtypes import CLSCTX_ALL
 from pycaw.pycaw import AudioUtilities, IAudioEndpointVolume
 ​
 # 导入其他依赖包
 import time
 import math
 import numpy as np
 ​
 class HandControlVolume:
     def __init__(self):
         # 初始化medialpipe
         self.mp_drawing = mp.solutions.drawing_utils
         self.mp_drawing_styles = mp.solutions.drawing_styles
         self.mp_hands = mp.solutions.hands
 ​
         # 获取电脑音量范围
         devices = AudioUtilities.GetSpeakers()
         interface = devices.Activate(
             IAudioEndpointVolume._iid_, CLSCTX_ALL, None)
         self.volume = cast(interface, POINTER(IAudioEndpointVolume))
         self.volume_range = self.volume.GetVolumeRange()
 ​
     # 主函数
     def recognize(self):
         # 计算刷新率
         fpsTime = time.time()
 ​
         # OpenCV读取视频流
         cap = cv2.VideoCapture(0)
         # 视频分辨率
         resize_w = 640
         resize_h = 480
 ​
         # 画面显示初始化参数
         rect_height = 0
         rect_percent_text = 0
 ​
         with self.mp_hands.Hands(min_detection_confidence=0.7,
                                  min_tracking_confidence=0.5,
                                  max_num_hands=2) as hands:
             while cap.isOpened():
                 success, image = cap.read()
                 image = cv2.resize(image, (resize_w, resize_h))
 ​
                 if not success:
                     print("空帧.")
                     continue
 ​
                 # 提高性能
                 image.flags.writeable = False
                 # 转为RGB
                 image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_BGR2RGB)
                 # 镜像
                 image = cv2.flip(image, 1)
                 # mediapipe模型处理
                 results = hands.process(image)
 ​
                 image.flags.writeable = True
                 image = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_RGB2BGR)
                 # 判断是否有手掌
                 if results.multi_hand_landmarks:
                     # 遍历每个手掌
                     for hand_landmarks in results.multi_hand_landmarks:
                         # 在画面标注手指
                         self.mp_drawing.draw_landmarks(
                             image,
                             hand_landmarks,
                             self.mp_hands.HAND_CONNECTIONS,
                             self.mp_drawing_styles.get_default_hand_landmarks_style(),
                             self.mp_drawing_styles.get_default_hand_connections_style())
 ​
                         # 解析手指,存入各个手指坐标
                         landmark_list = []
                         for landmark_id, finger_axis in enumerate(
                                 hand_landmarks.landmark):
                             landmark_list.append([
                                 landmark_id, finger_axis.x, finger_axis.y,
                                 finger_axis.z
                             ])
                         if landmark_list:
                             # 获取大拇指指尖坐标
                             thumb_finger_tip = landmark_list[4]
                             thumb_finger_tip_x = math.ceil(thumb_finger_tip[1] * resize_w)
                             thumb_finger_tip_y = math.ceil(thumb_finger_tip[2] * resize_h)
                             # 获取食指指尖坐标
                             index_finger_tip = landmark_list[8]
                             index_finger_tip_x = math.ceil(index_finger_tip[1] * resize_w)
                             index_finger_tip_y = math.ceil(index_finger_tip[2] * resize_h)
                             # 中间点
                             finger_middle_point = (thumb_finger_tip_x+index_finger_tip_x)//2, (thumb_finger_tip_y+index_finger_tip_y)//2
                             # print(thumb_finger_tip_x)
                             thumb_finger_point = (thumb_finger_tip_x,thumb_finger_tip_y)
                             index_finger_point = (index_finger_tip_x,index_finger_tip_y)
                             # 画指尖2点
                             image = cv2.circle(image,thumb_finger_point,10,(255,0,255),-1)
                             image = cv2.circle(image,index_finger_point,10,(255,0,255),-1)
                             image = cv2.circle(image,finger_middle_point,10,(255,0,255),-1)
                             # 画2点连线
                             image = cv2.line(image,thumb_finger_point,index_finger_point,(255,0,255),5)
                             # 勾股定理计算长度
                             line_len = math.hypot((index_finger_tip_x-thumb_finger_tip_x),(index_finger_tip_y-thumb_finger_tip_y))
 ​
                             # 获取电脑最大最小音量
                             min_volume = self.volume_range[0]
                             max_volume = self.volume_range[1]
                             # 将指尖长度映射到音量上
                             vol = np.interp(line_len,[50,300],[min_volume,max_volume])
                             # 将指尖长度映射到矩形显示上
                             rect_height = np.interp(line_len,[50,300],[0,200])
                             rect_percent_text = np.interp(line_len,[50,300],[0,100])
 ​
                             # 设置电脑音量
                             self.volume.SetMasterVolumeLevel(vol, None)
 ​
                 # 显示矩形
                 cv2.putText(image, str(math.ceil(rect_percent_text))+"%", (10, 350),
                             cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, (255, 0, 0), 3)
                 image = cv2.rectangle(image,(30,100),(70,300),(255, 0, 0),3)
                 image = cv2.rectangle(image,(30,math.ceil(300-rect_height)),(70,300),(255, 0, 0),-1)
 ​
                 # 显示刷新率FPS
                 cTime = time.time()
                 fps_text = 1/(cTime-fpsTime)
                 fpsTime = cTime
                 cv2.putText(image, "FPS: " + str(int(fps_text)), (10, 70),
                             cv2.FONT_HERSHEY_PLAIN, 3, (255, 0, 0), 3)
                 # 显示画面
                 cv2.imshow('MediaPipe Hands', image)
                 if cv2.waitKey(5) & 0xFF == 27:
                     break
             cap.release()
 ​
 # 开始程序
 control = HandControlVolume()
 control.recognize()
 ​
 ​
 ​
 ​
reference:

使用 Python+OpenCV 构建手部跟踪系统 - 知乎 (zhihu.com)

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