Meta AI发布 Sapiens 视觉模型专门用来分析和理解图片或视频中的人和他们的动作

Meta Reality Labs开发一套名为“Sapiens”的人工智能模型。主要提供用于处理人类视觉任务的高分辨率模型，专门用来分析和理解图片或视频中的人和他们的动作。这些任务包括识别人类的姿势、分割身体部位、测量深度和判断物体表面的角度。模型在超过 3 亿张人类图像上进行了训练，能够在各种复杂的环境下表现出色。

2D姿态估计：识别和估计人类身体在二维图像中的姿势。
身体部位分割：将图像中的人类身体部分进行精确分割，例如识别和区分手、脚、头等不同部位。
深度估计：预测图像中物体的深度信息，这有助于理解三维空间中的距离和布局。
表面法线预测：推断图像中物体表面的方向，这对于更好地理解物体的形状和材质非常重要。

这些模型可以处理非常高分辨率的图像，并且能够在很少的标注数据甚至是完全合成的数据的情况下，仍然表现出色。这使得它们在实际应用中非常有用，尤其是在数据稀缺的情况下。

此外，Sapiens模型设计简单，易于扩展。当增加模型的参数数量时，其在各项任务中的性能会显著提升。在多个基于人类视觉的测试中，Sapiens模型已经超过了现有的基线模型，表现优异。

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应用场景

Sapiens模型主要应用于多个关键的人类视觉任务领域，其应用场景和用途包括：

1. 2D姿势估计

应用场景：在视频监控、虚拟现实、运动捕捉、医疗康复等领域，2D姿势估计是关键技术之一。它可以识别人类的姿势、动作和手势。
功能：Sapiens能够准确地检测并预测人体的关键点（如关节、面部特征等），即使在多人场景中也能良好地工作。这使得它在动作分析和人机交互中具有广泛的应用潜力。

2. 身体部位分割

应用场景：在医学图像分析、虚拟试衣、动画制作以及增强现实（AR）等领域，精确的人体部位分割是基础性技术。
功能：Sapiens模型能够将图像中的每个像素精确分类为身体的不同部位（例如上半身、下半身、面部细节等）。这有助于开发更精细化的虚拟服装试穿、医学诊断工具以及更加自然的虚拟人物动画。

3. 深度估计

应用场景：深度估计在自动驾驶、机器人导航、3D建模和虚拟现实中至关重要，帮助理解场景中的三维结构。
功能：Sapiens模型能够从单张图像中推测出场景的深度信息，特别是在人类场景中。通过生成高质量的深度图，它支持各种需要理解空间关系的应用，如自动驾驶中的障碍物检测和机器人路径规划。

4. 表面法线预测

应用场景：表面法线预测广泛应用于3D渲染、物理模拟、逆向工程和光照处理等领域。
功能：Sapiens模型可以推断图像中每个像素的表面法线方向，这对于生成高质量的3D模型和实现更真实的光照效果至关重要。在需要精确表面特征的应用中，如虚拟现实和数字内容创作中，这一功能显得尤为重要。

5. 通用人类视觉任务

应用场景：Sapiens模型可以应用于任何需要理解和分析人类图像的场景，包括社交媒体内容分析、安全监控、运动科学研究以及数字人类生成等。
功能：由于其在多个任务上的强大表现，Sapiens可以作为一个通用的基础模型，支持各种以人为中心的视觉任务，从而加速相关应用的开发。

6. 虚拟现实和增强现实

应用场景：虚拟现实（VR）和增强现实（AR）应用中，需要高度精确的人体姿势和结构理解，以实现沉浸式体验。
功能：Sapiens通过提供高分辨率、精确的人体姿势和部位分割，支持在虚拟环境中创建逼真的人类形象，并且能够动态适应用户的动作变化。

7. 医疗与健康

应用场景：在医疗成像和康复训练中，精确的姿势检测和人体分割可以用于病患监控、治疗跟踪和康复指导。
功能：Sapiens模型能够帮助医疗专业人士分析患者的姿势和运动情况，提供更个性化和有效的治疗方案。

技术方法

1. 数据集与预处理

Humans-300M数据集：Sapiens模型的预训练数据集为Humans-300M，一个包含3亿张“自然场景”（in-the-wild）人类图像的大规模数据集。数据集经过精心策划，去除了水印、文本、艺术描绘或不自然的元素。
数据筛选：使用预训练的边界框检测器筛选图像，仅保留检测分数高于0.9且边界框尺寸大于300像素的图像，从而确保数据质量。
多视图捕捉与标注：为精确捕捉人体姿势和部位，使用多视图捕捉技术获取图像，并手动标注了308个关键点和28个身体部位类别，生成高质量的标注数据。

2. 模型架构

视觉变换器（Vision Transformers, ViT）：Sapiens模型采用了Vision Transformers（ViT）架构，该架构在图像分类和理解任务中表现优异。通过将图像划分为固定大小的非重叠小块（patch），模型能够处理高分辨率输入，并进行细粒度的推理。
编码器-解码器架构：模型的基本架构为编码器-解码器。编码器负责从图像中提取特征，并初始化为预训练权重，解码器则是一个轻量级且任务特定的模块，随机初始化并与编码器一起进行微调。

3. 遮掩自编码器（Masked Autoencoder, MAE）预训练

遮掩策略：使用MAE方法进行模型预训练，模型通过观察部分遮掩的图像来重建原始图像。这种策略使模型能够学习到更加鲁棒的特征表示。
高分辨率输入：预训练时的输入图像分辨率设置为1024像素，相比于现有的视觉模型，这带来了4倍的计算复杂度，但同时也提高了模型的输出质量。
多任务学习：通过在高质量的标签数据上进行微调，Sapiens模型能够处理2D姿势估计、身体部位分割、深度估计和表面法线预测等多项任务。

4. 关键任务方法

2D姿势估计：采用自上而下的方法，从输入图像中检测K个关键点的位置。模型通过预测每个关键点的热图来确定它们的位置，训练过程中使用均方误差损失函数（MSE）优化模型。
身体部位分割：将输入图像中的每个像素分类为C个类别，采用加权交叉熵损失函数（WeightedCE）进行训练。模型支持标准的20类分割词汇表和扩展的28类词汇表。
深度估计：采用修改后的分割架构进行深度估计，输出通道为1（回归任务），使用合成数据生成的高分辨率深度图进行训练，损失函数为相对深度损失（Ldepth）。
表面法线预测：预测每个像素的法线向量的xyz分量，训练过程中使用的损失函数为Lnormal，包括L1损失和法线向量之间的点积损失。

5. 大规模预训练与微调

预训练规模：Sapiens模型在3亿张图像上进行大规模预训练，并在多达1024个A100 GPU上运行18天，使用PyTorch框架。
优化方法：采用AdamW优化器，并结合余弦退火（cosine annealing）和线性衰减（linear decay）学习率策略进行优化。不同层次使用差分学习率，以确保模型的泛化能力。
微调策略：在预训练的基础上进行微调，输入图像被调整为4:3的宽高比，并使用标准的数据增强方法（如裁剪、缩放、翻转和光度失真）。

实验结果：

2D姿势估计：
- Sapiens模型在2D姿势估计任务中表现优异，特别是在全身、面部、手部和足部的关键点检测上，显著超越了现有的最先进方法。
身体部位分割：
- Sapiens模型在身体部位分割任务中实现了更高的平均交并比（mIoU）和像素准确率（mAcc），在细节丰富的分割任务中表现尤为出色。
深度估计：
- Sapiens模型在深度估计任务中表现出色，尤其在人类场景中，其深度估计精度显著优于现有方法，特别是在多人的复杂场景中。
表面法线预测：
- 在表面法线预测任务中，Sapiens模型展现了更高的精度和一致性，在不同的场景下均表现出色，显著降低了平均角度误差。
预训练数据源：
- 以人为中心的预训练数据集对提升Sapiens模型在各项任务中的表现至关重要，证明了人类特定数据的重要性。
零样本泛化：
- Sapiens模型展示了广泛的零样本泛化能力，能够适应不同的场景、年龄段和视角，尽管训练数据有限。