AI时代咱用脸玩“飞机大战”，PaddleHub让你秒变“脸控”游戏达人

用户1386409

修改于 2023-09-21 19:03:23

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修改于 2023-09-21 19:03:23

文章被收录于专栏：PaddlePaddlePaddlePaddle

AI时代还拿着手机打飞机游戏是不是out了？飞桨PaddleHub带你体验不一样的游戏玩法。

从世界上第一款游戏诞生开始，电玩都需要依赖手柄和按键进行，无论是PC游戏，还是 XBOX 、PS 这类主机游戏，控制器和手柄都是不可缺少的。

直到2009年微软发布了第一代 Kinect，将人体检测作为游戏控制，彻底颠覆了游戏的单一操作，开创了解放双手的先河，使人机互动的理念更加彻底地展现出来。但是之后，2018 年微软彻底弃用了 Kinect 实在让人惋惜！

大众流行的游戏文化中，人机互动的主流方式还是离不开手柄，即使到了手机和Pad 横行的移动时代，大多数的主流游戏依然利用的是虚拟键盘和虚拟手柄的交互方式。

人类发展的动力其实很大一部分来自于人类“懒惰”的天性，所以对我而言，如果能通过更简单、自由的交互方式玩游戏，将是非常有意思的事情。虽然我们离脑机接口和思维控制还有很长的路要走，但是随着深度学习的发展，相信不久的将来，交互方式也会产生天翻地覆的变化。

基于此，我尝试做了人脸打飞机的游戏项目！

效果展示

使用普通电脑自带的摄像头捕捉人体动作（这里主要是头部），进而转化为对于游戏的控制。

http://mpvideo.qpic.cn/0bf2iiaaoaaaqiamij6mafpfaqwda5baabya.f10002.mp4?dis_k=c3a7892a5557c4677c0825cc609a0e8e&dis_t=1590739324

左转头部：飞机往左飞

右转头部：飞机往右飞

抬头：飞机向上

低头：飞机向下

张嘴：丢炸弹！

操作简单欢乐，据说还能治好程序猿们的颈椎病～～

而这一切的实现非常简单，只要使用飞桨PaddleHub 封装好的深度学习模型即可，由此获得头部的角度检测，然后链接到游戏控制即可！

无需人工智能的高深技术理念，绝对小白同学也可以轻松搞定！！！

实现方法

打飞机游戏的实现需要完成分如下三个步骤：

使用PaddleHub中的 facelandmarklocalization 模型实现头部运动监测。
使用Pygame实现打飞机游戏主体程序。（这里用了最简单易上手，通常用来做 Python 入门初体验的 Pygame）
将头部运动监测模块加入游戏中。

下面我给大家详细介绍一下具体的代码实现。

安装 PaddleHub

安装飞桨。
安装Paddlehub。

pip install paddlehub

在这个游戏中使用的是 PaddleHub 中的 facelandmarklocalization 模型，安装好 PaddleHub 以后就可以直接调用了！

模型的详细介绍参考：

https://www.paddlepaddle.org.cn/hubdetail?name=face_landmark_localization&en_category=KeyPointDetection

实现游戏主体程序

这里我使用的是自己初学 Python 时，用 Pygame 制作的打飞机游戏。素材上，无论图片、飞机模型还是背景音乐网上非常多，非常容易获取（因为是入门款嘛～）

pip install pygame

具体的文件和素材请参考AI Studio：

https://aistudio.baidu.com/aistudio/projectdetail/405645

文件夹中分别存放了图片，音乐和字体素材。通过pygame的各种模块和函数来定义各项游戏内容的参数，比如敌机出现的时间、运动的方向、运动速度、碰撞等事件监测等，这里就不一一赘述了。

然后开始实现最重要的游戏主体文件，定义整个游戏如何开始，如何循环，如何操作，如何结束。

原程序中，我是用空格键、上下左右键来控制飞机，对应的程序片段如下：

if bomb_num and event.key == K_SPACE:
    bomb_sound_use.play()
    bomb_num -= 1
key_pressed = pygame.key.get_pressed()
if key_pressed[K_w] or key_pressed[K_UP]:
    myplane.move_up() # 飞机向上飞
elif key_pressed[K_s] or key_pressed[K_DOWN]:
    myplane.move_down() # 飞机向下飞
elif key_pressed[K_a] or key_pressed[K_LEFT]:
    myplane.move_left() # 飞机向左飞
elif key_pressed[K_d] or key_pressed[K_RIGHT]:
    myplane.move_right() # 飞机向右飞

将 PaddleHub 的头部运动监测模块加入游戏中

1. 加入人脸识别和头部姿态识别的类，先通过人脸检测找到视频画面中人脸的位置。

在第一版程序中，使用了ultralightfastgenericfacedetector1mb_640，虽然精度更高，但是和游戏程序结合起来后资源消耗太大，影响了速度。第二版听取专家的建议，降低为ultralightfastgenericfacedetector1mb_320，精度其实足够用了，同时大幅提升了游戏的流畅度！

class MyFaceDetector(object):
    """
    自定义人脸检测器
    """

    def __init__(self):
        self.module = hub.Module(name="ultra_light_fast_generic_face_detector_1mb_320")
        self.alpha = 0.75
        self.start_flag = 1

    def face_detection(self, images, use_gpu=False, visualization=False):
        # 使用GPU运行，use_gpu=True，并且在运行整个教程代码之前设置CUDA_VISIBLE_DEVICES环境变量
        result = self.module.face_detection(images=images, use_gpu=use_gpu, visualization=visualization)
        if not result[0]['data']:
            return result

        face = result[0]['data'][0]
        if self.start_flag == 1:

            self.left_s = result[0]['data'][0]['left']
            self.right_s = result[0]['data'][0]['right']
            self.top_s = result[0]['data'][0]['top']
            self.bottom_s = result[0]['data'][0]['bottom']

            self.start_flag = 0
        else:
            # 加权平均上一帧和当前帧人脸检测框位置，以稳定人脸检测框
            self.left_s = self.alpha * self.left_s + (1 - self.alpha) * face['left']
            self.right_s = self.alpha * self.right_s + (1 - self.alpha) * face['right']
            self.top_s = self.alpha * self.top_s + (1 - self.alpha) * face['top']
            self.bottom_s = self.alpha * self.bottom_s + (1 - self.alpha) * face['bottom']

        result[0]['data'][0]['left'] = self.left_s
        result[0]['data'][0]['right'] = self.right_s
        result[0]['data'][0]['top'] = self.top_s
        result[0]['data'][0]['bottom'] = self.bottom_s

        return result

然后通过头部姿态识别，来判定头部的动作状态。

在第一版程序中，使用了欧拉角的计算来获得人头部的运动状态，但是计算很复杂，对于数学基础不是很好的人非常难理解。第二版中，把头部运动状态的计算方式大幅简化，只采用了facelandmarklocalization识别出的68个人脸关键点中的7个就达到了很好的预期效果，而且算法更简洁明了，实际效果也非常流畅！

class HeadPostEstimation():
    """
    头部姿态识别
    """

    def __init__(self, face_detector=None):
        self.module = hub.Module(name="face_landmark_localization", face_detector_module=face_detector)


    def get_face_landmark(self, image):
        """
        预测人脸的68个关键点坐标
        images(ndarray): 单张图片的像素数据
        """
        try:
            # 选择GPU运行，use_gpu=True，并且在运行整个教程代码之前设置CUDA_VISIBLE_DEVICES环境变量
            res = self.module.keypoint_detection(images=[image], use_gpu=True)
            return True, res[0]['data'][0]
        except Exception as e:
            logger.error("Get face landmark localization failed! Exception: %s " % e)
            return False, None

    def get_lips_distance(self, face_landmark):
        """
        从face_landmark_localization的检测结果中查看上下嘴唇的距离
        """

        lips_points = np.array([
            face_landmark[52], face_landmark[58]
        ], dtype='float')

        head_points = np.array([
            face_landmark[25], face_landmark[8]
        ], dtype='float')

        lips_distance = np.sum(np.square(lips_points[0] - lips_points[1]))
        head_distance = np.sum(np.square(head_points[0] - head_points[1]))
        relative_distance = lips_distance / head_distance
        return relative_distance

    def get_nose_distance(self,face_landmark):
        """
        从face_landmark_localization的检测结果中获得鼻子的位置，以此判断头部运动
        """

        nose_point = np.array([
            face_landmark[31]
        ], dtype='float')

        cheek_points = np.array([
            face_landmark[3], face_landmark[15]
        ], dtype='float')

        left_distance = np.sum(np.square(nose_point[0] - cheek_points[0]))
        right_distance = np.sum(np.square(nose_point[0] - cheek_points[1]))
        nose_position_h = left_distance/(left_distance+right_distance)

        nose_position_v = nose_point[0][1]-cheek_points[0][1] # 获得鼻子和脸颊定位点的高度相对值，以此作为抬头/低头的判断

        return nose_position_h, nose_position_v


    def classify_pose(self, video):
        """
        video 表示不断产生图片的生成器
        """

        for index, img in enumerate(video(), start=1):
            self.img_size = img.shape

            success, face_landmark = self.get_face_landmark(img)

            if not success:
                logger.info("Get face landmark localization failed! Please check your image!")
                continue

            if not success:
                logger.info("Get rotation and translation vectors failed!")
                continue

            # 计算嘴唇距离
            lips_distance = self.get_lips_distance(face_landmark)

            # 计算鼻子左右位置
            nose_position_h, nose_position_v = self.get_nose_distance(face_landmark)

            # 转换成摄像头可显示的格式
            img_rgb = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)

            # 本地显示预测视频框，AIStudio项目不支持显示视频框
            #cv2.imshow('Pose Estimation', img_rgb)

            return nose_position_h, nose_position_v, lips_distance

在游戏程序初始化时启动摄像头进行头部监测。

# 使用头部控制飞机
    face_detector = MyFaceDetector()
    # 打开摄像头
    capture = cv2.VideoCapture(0)

    def generate_image():
        while True:
            # frame_rgb即视频的一帧数据
            ret, frame_rgb = capture.read()
            # 按q键即可退出
            if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
                break
            if frame_rgb is None:
                break
            frame_bgr = cv2.cvtColor(frame_rgb, cv2.COLOR_RGB2BGR)
            yield frame_bgr
        capture.release()
        cv2.destroyAllWindows()

    head_post = HeadPostEstimation(face_detector)

在原来游戏程序主循环中，把控制算法都替换为头部监测后的输出。

# 获取头部运动数据，并控制飞机
nose_position_h, nose_position_v, lips_distance = head_post.classify_pose(video=generate_image)
#print(nose_position_h, nose_position_v, lips_distance) # 该语句用来查看评估参数如何设计
if nose_position_h < 0.22:
    myplane.move_left() # 由于摄像头演示中镜面关系，实际使用中请设置为myplane.move_right()
elif nose_position_h > 0.48:
    myplane.move_right() # 由于摄像头演示中镜面关系，实际使用中请设置为myplane.move_left()
elif nose_position_v < -40:
    myplane.move_up()
elif nose_position_v > -25:
    myplane.move_down()

# 张嘴就是炸弹，dis_control<0.045 为闭嘴
if lips_distance < 0.045:
    flag = 1
if bomb_num and lips_distance > 0.055 and flag == 1:
    flag = 0
    bomb_sound_use.play()
    bomb_num -= 1

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