Meta Sapiens 人体AI模型

Meta 一直是开发图像和视频模型的领导者，现在他们又增加了一个新东西：Meta Sapiens。和Homo sapiens一样，这个模型也是关于人类的。它旨在执行与人类相关的任务，例如理解身体姿势、识别身体部位、预测深度，甚至确定皮肤纹理等表面细节。

2023-2024 年，许多计算机视觉模型都专注于创建逼真的人类图像。虽然存在许多用于姿势估计和分割等任务的模型，但 Meta 的 Sapiens 模型是专门为与人类相关的任务而设计的。

本博客解释了 Meta 如何创建这个统一模型、优缺点以及它与其他模型的比较。

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1、Meta Sapiens 的三大支柱

Meta 声称，用于与人类相关的任务的模型应该满足以下三个关键品质：

泛化：这意味着该模型在许多不同情况下都能很好地工作。例如，它可以处理不同的光照条件、相机角度，甚至各种类型的衣服。
广泛适用：该模型可以做很多事情。它可以估计姿势、识别身体部位，甚至预测某物与相机的距离，所有这些都不需要进行大的改变。
高保真度：它可以创建高质量、详细的结果。例如，如果任务是生成一个人的 3D 模型，结果将看起来非常逼真，具有清晰的细节，如面部特征和身体形状。

Meta Sapiens 使用一些强大的技术来实现这些任务。让我们简单地看一下其中的一些：

MAE（蒙版自动编码器）：将其视为一种使用拼图进行有效学习的方法。该模型查看缺少一些部分的图像（如缺少部分的拼图），并尝试填补空白。这使模型更好地理解图像并节省训练时间。例如，如果模型在图像中看到一个人手臂的一部分缺失，它可以通过理解图像的其余部分来猜测手臂应该是什么样子。
使用关键点和分割：该模型识别人体上的 308 个点，包括手、脚、脸和躯干。它还知道大约 28 个不同的身体部位，从头发到嘴唇再到四肢，非常详细。为了训练模型，Meta 使用了真实的人体扫描和合成数据，这有助于它非常详细地了解人类。

2、2D 姿势估计 - 了解人体运动

这项任务就像给模型一张图片，并要求它猜测关键身体部位在哪里。该模型会寻找眼睛、肘部、膝盖等的位置。例如，如果您上传某人跑步的照片，该模型可以准确识别他们的手臂、腿和头部在图像中的位置。

该过程通过创建“热图”来工作，这些热图显示了身体部位在特定位置的可能性。该模型经过训练，通过调整直到其猜测（热图）与身体部位的实际位置紧密匹配，以最大限度地减少错误。

架构：

输入：图像（I ∈ R^H×W×3，其中 H 为高度，W 为宽度）。
步骤 1：重新缩放图像 — 输入图像被调整为固定高度 H 和宽度 W。这样做是为了在所有图像中标准化输入大小。
步骤 2：姿势估计变换器 (P) — 变换器模型处理图像以预测关键点位置。这涉及：a）边界框输入：在图像中的人周围提供一个边界框。b）关键点热图：该模型生成 K 个热图，其中每个热图代表关键点位于某个位置的概率。例如，一个热图代表右肘，另一个代表左膝，依此类推。
步骤 3：损失函数（均方误差） — 这里使用的损失函数是均方误差 (MSE)。该模型将预测的热图 ŷ ∈ R^H×W×K 与地面真实关键点 y 进行比较，并使用 MSE 计算差异： L_pose = MSE(y, ŷ)
步骤 4：编码器-解码器架构 - 姿势估计模型使用编码器-解码器设置。编码器使用预训练的权重初始化，而解码器则随机初始化。然后对整个系统进行微调以完成关键点预测任务。
关键点差异：与之前的模型（可能只能检测 68 个面部点）相比，Meta 的 Sapiens 模型可以检测多达 243 个面部关键点，捕捉眼睛、嘴唇、鼻子、耳朵等周围的更精细的细节。

2.1 代码实现

下载姿势模型的检查点并按照后续步骤操作：

TASK = 'pose'
VERSION = 'sapiens_1b'model_path = get_model_path(TASK, VERSION)
print(model_path)

使用“sapiens”模型函数定义姿势函数：

def get_pose(image, pose_estimator, input_shape=(3, 1024, 768), device="cuda"):# Preprocess the imageimg = preprocess_image(image, input_shape)# Run the modelwith torch.no_grad():heatmap = pose_estimator(img.to(device))# Post-process the outputkeypoints, keypoint_scores = udp_decode(heatmap[0].cpu().float().numpy(), input_shape[1:], (input_shape[1] // 4, input_shape[2] // 4))# Scale keypoints to original image sizescale_x = image.width / input_shape[2]scale_y = image.height / input_shape[1]keypoints[:, 0] *= scale_xkeypoints[:, 1] *= scale_y# Visualize the keypoints on the original imagepose_image = visualize_keypoints(image, keypoints, keypoint_scores)return pose_imagedef preprocess_image(image, input_shape):# Resize and normalize the imageimg = image.resize((input_shape[2], input_shape[1]))img = np.array(img).transpose(2, 0, 1)img = torch.from_numpy(img).float()img = img[[2, 1, 0], ...] # RGB to BGRmean = torch.tensor([123.675, 116.28, 103.53]).view(3, 1, 1)std = torch.tensor([58.395, 57.12, 57.375]).view(3, 1, 1)img = (img - mean) / stdreturn img.unsqueeze(0)def udp_decode(heatmap, img_size, heatmap_size):# This is a simplified version. You might need to implement the full UDP decode logich, w = heatmap_sizekeypoints = np.zeros((heatmap.shape[0], 2))keypoint_scores = np.zeros(heatmap.shape[0])for i in range(heatmap.shape[0]):hm = heatmap[i]idx = np.unravel_index(np.argmax(hm), hm.shape)keypoints[i] = [idx[1] * img_size[1] / w, idx[0] * img_size[0] / h]keypoint_scores[i] = hm[idx]return keypoints, keypoint_scoresdef visualize_keypoints(image, keypoints, keypoint_scores, threshold=0.3):draw = ImageDraw.Draw(image)for (x, y), score in zip(keypoints, keypoint_scores):if score > threshold:draw.ellipse([(x-2, y-2), (x+2, y+2)], fill='red', outline='red')return image

加载输入图像：

from utils.vis_utils import resize_image
pil_image = Image.open('path/to/input/image')if pil_image.mode == 'RGBA':pil_image = pil_image.convert('RGB')resized_pil_image = resize_image(pil_image, (640, 480))
resized_pil_image

输出：

from PIL import Image, ImageDrawoutput_pose = get_pose(resized_pil_image, model)

3、身体部位分割——了解人体形状

在此任务中，模型对图像中的每个像素进行分类，将其分解为手臂、腿或脸等身体部位。例如，如果你上传一张照片，模型可以将你的脸与头发分开，将你的手与手臂分开。这有助于虚拟试穿系统或动画角色等任务。

Meta 的 Sapiens 模型使用大量词汇表（28 个身体部位）来提供详细的结果。它不仅限于手臂和腿，还可以区分上下嘴唇、牙齿甚至手指。

架构：

输入：图像（I ∈ R^H×W×3），类似于姿势估计。
步骤 1：编码器-解码器架构——身体部位分割模型遵循与姿势估计相同的编码器-解码器设置。编码器从输入图像中提取特征，解码器将这些特征转换为逐像素预测。
步骤 2：像素分类 — 该模型将图像的每个像素分类为 C 个身体部位类别之一（例如，头部、手臂、躯干等）。例如，在标准分割中 C = 20，但 Meta 将其扩展为 C = 28，并提供了更详细的词汇，包括上/下嘴唇、牙齿和舌头等区别。
步骤 3：损失函数（加权交叉熵） — 该模型使用加权交叉熵损失进行微调，将预测的身体部位类别 p̂ 与地面真相 p 进行比较。 L_seg = WeightedCE(p, p̂)
步骤 4：扩展词汇表和分辨率 — Sapiens 模型使用高分辨率图像（4K 分辨率）并手动注释了超过 100K 张带有这些详细身体部位标签的图像。与之前的模型相比，分割词汇量要大得多，使其对人体部位有了更细致的了解。

注意：尽管 Meta Sapiens 在身体部位分割方面取得了进展，但它仍然没有达到与 SAM 或 SAM2 等基于掩模的分割模型相同的精度水平。这些模型提供了更准确、更详细的掩模，特别是对于细粒度的对象边界。

3.1 代码实现

加载分割权重并按照以下步骤操作：

def get_model_path(task, version):try:model_path = SAPIENS_LITE_MODELS_PATH[task][version]if not os.path.exists(model_path):print(f"Warning: The model file does not exist at {model_path}")return model_pathexcept KeyError as e:print(f"Error: Invalid task or version. {e}")return None# Example usage
TASK = 'seg' 
VERSION = 'sapiens_0.3b'model_path = get_model_path(TASK, VERSION)
print(model_path)

从“sapiens”模型实现分割函数：

def segment(image):input_tensor = transform_fn(image).unsqueeze(0).to("cuda")preds = run_model(input_tensor, height=image.height, width=image.width)mask = preds.squeeze(0).cpu().numpy()mask_image = Image.fromarray(mask.astype("uint8"))blended_image = visualize_mask_with_overlay(image, mask_image, LABELS_TO_IDS, alpha=0.5)return blended_image

加载输入图像：

pil_image = Image.open('sapiens2.jpg')if pil_image.mode == 'RGBA':pil_image = pil_image.convert('RGB')resized_pil_image = resize_image(pil_image, (640, 480))
resized_pil_image

元分割的输出结果并不令人满意，它没有清晰地显示人体分割；相反，Meta 的 SAM[分割任何模型] 可以更好地分割图像。

4、深度估计——有多远？

深度估计有助于模型了解图像不同部分的距离。这就像让模型能够分辨照片中哪些东西近，哪些东西远。例如，在一个人站在汽车旁边的照片中，模型可以估计这个人离汽车有多远，这对于增强现实等任务很重要。

架构：

输入：图像（ I ∈ R^H×W×3）。
步骤 1：编码器-解码器架构——与身体部位分割类似，编码器从图像中提取特征，解码器预测每个像素的深度。
步骤 2：单通道深度图——深度估计的关键区别在于输出通道设置为 1，从而生成深度图。此深度图（ d̂ ∈ R^H×W）预测图像中每个点与相机的距离。
步骤 3：损失函数（回归）——深度估计任务被视为回归问题。该模型将其预测的深度值 (d̂) 与地面实况 (d) 进行比较，并使用回归损失最小化差异： L_depth = ||d − d̂||1
步骤 4：在合成数据上进行训练——为了改进其深度预测，Meta Sapiens 使用合成人体数据，包括来自 RenderPeople 的 600 个高分辨率人体 3D 扫描。这使得模型即使在困难的情况下也能生成详细而逼真的深度估计。

4.1 代码实现

加载深度权重：

TASK = 'depth'
VERSION = 'sapiens_0.3b'model_path = get_model_path(TASK, VERSION)
print(model_path)

使用“sapiens”模型编写深度函数：

def get_depth(image, depth_model, input_shape=(3, 1024, 768), device="cuda"):# Preprocess the imageimg = preprocess_image(image, input_shape)# Run the modelwith torch.no_grad():result = depth_model(img.to(device))# Post-process the outputdepth_map = post_process_depth(result, (image.shape[0], image.shape[1]))# Visualize the depth mapdepth_image = visualize_depth(depth_map)return depth_image, depth_mapdef preprocess_image(image, input_shape):img = cv2.resize(image, (input_shape[2], input_shape[1]), interpolation=cv2.INTER_LINEAR).transpose(2, 0, 1)img = torch.from_numpy(img)img = img[[2, 1, 0], ...].float()mean = torch.tensor([123.5, 116.5, 103.5]).view(-1, 1, 1)std = torch.tensor([58.5, 57.0, 57.5]).view(-1, 1, 1)img = (img - mean) / stdreturn img.unsqueeze(0)def post_process_depth(result, original_shape):# Check the dimensionality of the resultif result.dim() == 3:result = result.unsqueeze(0)elif result.dim() == 4:passelse:raise ValueError(f"Unexpected result dimension: {result.dim()}")# Ensure we're interpolating to the correct dimensionsseg_logits = F.interpolate(result, size=original_shape, mode="bilinear", align_corners=False).squeeze(0)depth_map = seg_logits.data.float().cpu().numpy()# If depth_map has an extra dimension, squeeze itif depth_map.ndim == 3 and depth_map.shape[0] == 1:depth_map = depth_map.squeeze(0)return depth_mapdef visualize_depth(depth_map):# Normalize the depth mapmin_val, max_val = np.nanmin(depth_map), np.nanmax(depth_map)depth_normalized = 1 - ((depth_map - min_val) / (max_val - min_val))# Convert to uint8depth_normalized = (depth_normalized * 255).astype(np.uint8)# Apply colormapdepth_colored = cv2.applyColorMap(depth_normalized, cv2.COLORMAP_INFERNO)return depth_colored# You can add the surface normal calculation if needed
def calculate_surface_normal(depth_map):kernel_size = 7grad_x = cv2.Sobel(depth_map.astype(np.float32), cv2.CV_32F, 1, 0, ksize=kernel_size)grad_y = cv2.Sobel(depth_map.astype(np.float32), cv2.CV_32F, 0, 1, ksize=kernel_size)z = np.full(grad_x.shape, -1)normals = np.dstack((-grad_x, -grad_y, z))normals_mag = np.linalg.norm(normals, axis=2, keepdims=True)with np.errstate(divide="ignore", invalid="ignore"):normals_normalized = normals / (normals_mag + 1e-5)normals_normalized = np.nan_to_num(normals_normalized, nan=-1, posinf=-1, neginf=-1)normal_from_depth = ((normals_normalized + 1) / 2 * 255).astype(np.uint8)normal_from_depth = normal_from_depth[:, :, ::-1]  # RGB to BGR for cv2return normal_from_depth

加载输入图像：

from utils.vis_utils import resize_imagepil_image = Image.open('/home/user/app/assets/image.webp')# Load and process an image
image = cv2.imread('/home/user/app/assets/frame.png')
depth_image, depth_map = get_depth(image, model)

输出：

surface_normal = calculate_surface_normal(depth_map)
cv2.imwrite("output_surface_normal.jpg", surface_normal)
# Save the results
output_im = cv2.imwrite("output_depth_image2.jpg", depth_image)

5、表面法线估计——理解表面

此任务让模型找出人体的 3D 表面细节，例如每个点的表面角度或方向。例如，它可以理解一个人脸部的曲线或手臂和腿的角度。

架构：

输入：图像（ I ∈ R^H×W×3）。
步骤 1：编码器-解码器架构——与前面的任务一样，法线估计模型使用编码器-解码器框架。编码器从图像中提取特征，解码器针对法线预测进行调整。
步骤 2：表面法线的三通道输出——对于法线估计，解码器输出通道设置为 3，对应于法线矢量的 xyz 分量。每个像素都会获得一个 xyz 值，表示该点的表面朝向的方向。
步骤 3：损失函数（余弦相似度）——该模型使用 L1 损失和余弦相似度的组合来比较预测的法线向量 (n̂) 与地面真实法线 (n)。损失计算如下： L_normal = ||n − n̂||1 + (1 − n · n̂)
步骤 4：从合成数据进行监督——与深度估计一样，法线估计依赖于合成人体数据进行监督。这使得模型能够准确预测表面方向，即使在弯曲的身体部位或极端姿势等复杂情况下也是如此。

5.1 代码实现

加载法线权重：

TASK = 'normal'
VERSION = 'sapiens_0.3b'model_path = get_model_path(TASK, VERSION)
print(model_path)

从“智人”模型定义法线函数：

import torch
import torch.nn.functional as F
import numpy as np
import cv2def get_normal(image, normal_model, input_shape=(3, 1024, 768), device="cuda"):# Preprocess the imageimg = preprocess_image(image, input_shape)# Run the modelwith torch.no_grad():result = normal_model(img.to(device))# Post-process the outputnormal_map = post_process_normal(result, (image.shape[0], image.shape[1]))# Visualize the normal mapnormal_image = visualize_normal(normal_map)return normal_image, normal_mapdef preprocess_image(image, input_shape):img = cv2.resize(image, (input_shape[2], input_shape[1]), interpolation=cv2.INTER_LINEAR).transpose(2, 0, 1)img = torch.from_numpy(img)img = img[[2, 1, 0], ...].float()mean = torch.tensor([123.5, 116.5, 103.5]).view(-1, 1, 1)std = torch.tensor([58.5, 57.0, 57.5]).view(-1, 1, 1)img = (img - mean) / stdreturn img.unsqueeze(0)def post_process_normal(result, original_shape):# Check the dimensionality of the resultif result.dim() == 3:result = result.unsqueeze(0)elif result.dim() == 4:passelse:raise ValueError(f"Unexpected result dimension: {result.dim()}")# Ensure we're interpolating to the correct dimensionsseg_logits = F.interpolate(result, size=original_shape, mode="bilinear", align_corners=False).squeeze(0)normal_map = seg_logits.float().cpu().numpy().transpose(1, 2, 0)  # H x W x 3return normal_mapdef visualize_normal(normal_map):normal_map_norm = np.linalg.norm(normal_map, axis=-1, keepdims=True)normal_map_normalized = normal_map / (normal_map_norm + 1e-5)  # Add a small epsilon to avoid division by zero# Convert to 0-255 range and BGR format for visualizationnormal_map_vis = ((normal_map_normalized + 1) / 2 * 255).astype(np.uint8)normal_map_vis = normal_map_vis[:, :, ::-1]  # RGB to BGRreturn normal_map_visdef load_normal_model(checkpoint, use_torchscript=False):if use_torchscript:return torch.jit.load(checkpoint)else:model = torch.export.load(checkpoint).module()model = model.to("cuda")model = torch.compile(model, mode="max-autotune", fullgraph=True)return model

输入图像：

import cv2
import numpy as np# Load the model
normal_model = load_normal_model(model_path, use_torchscript='_torchscript')# Load the image
image = cv2.imread("/home/user/app/assets/image.webp")

输出图像：

6、结束语

尽管 Meta Sapiens 在理解与人类相关的任务方面表现出色，但它在更复杂的场景中也面临挑战。例如，当多个人站得很近（拥挤）或个人摆出不寻常或罕见的姿势时，模型很难准确估计姿势并分割身体部位。此外，严重的遮挡——当身体的某些部位被遮挡时——进一步增加了模型提供精确结果的能力。

Meta Sapiens 代表了以人为本的人工智能向前迈出的重要一步，在姿势估计、分割、深度预测和表面法线估计方面提供了强大的功能。然而，与许多模型一样，它仍然存在局限性，特别是在拥挤或高度复杂的场景中。随着人工智能的不断发展，像 Sapiens 这样的模型的未来迭代有望解决这些挑战，使我们更接近更准确、更可靠的以人为本的应用程序。

原文链接：Meta Sapiens 人体AI - BimAnt