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[转]YOLOv8-Pose推理详解及部署实现_yolo pose后处理

作者：weixin_40725706 | 2024-04-26 19:19:09

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yolo pose后处理

前言

梳理下 YOLOv8-Pose 的预处理和后处理流程，顺便让 tensorRT_Pro 支持 YOLOv8-Pose

参考：https://github.com/shouxieai/tensorRT_Pro

实现：https://github.com/Melody-Zhou/tensorRT_Pro-YOLOv8

一、YOLOv8-Pose推理(Python)

1. YOLOv8-Pose预测

我们先尝试利用官方预训练权重来推理一张图片并保存，看能否成功

在 YOLOv8 主目录下新建 predict-pose.py 预测文件，其内容如下：


import cv2
import numpy as np
from ultralytics import YOLO
 
def hsv2bgr(h, s, v):
    h_i = int(h * 6)
    f = h * 6 - h_i
    p = v * (1 - s)
    q = v * (1 - f * s)
    t = v * (1 - (1 - f) * s)
    
    r, g, b = 0, 0, 0
 
    if h_i == 0:
        r, g, b = v, t, p
    elif h_i == 1:
        r, g, b = q, v, p
    elif h_i == 2:
        r, g, b = p, v, t
    elif h_i == 3:
        r, g, b = p, q, v
    elif h_i == 4:
        r, g, b = t, p, v
    elif h_i == 5:
        r, g, b = v, p, q
 
    return int(b * 255), int(g * 255), int(r * 255)
 
def random_color(id):
    h_plane = (((id << 2) ^ 0x937151) % 100) / 100.0
    s_plane = (((id << 3) ^ 0x315793) % 100) / 100.0
    return hsv2bgr(h_plane, s_plane, 1)
 
skeleton = [[16, 14], [14, 12], [17, 15], [15, 13], [12, 13], [6, 12], [7, 13], [6, 7], [6, 8], 
            [7, 9], [8, 10], [9, 11], [2, 3], [1, 2], [1, 3], [2, 4], [3, 5], [4, 6], [5, 7]]
pose_palette = np.array([[255, 128, 0], [255, 153, 51], [255, 178, 102], [230, 230, 0], [255, 153, 255],
                         [153, 204, 255], [255, 102, 255], [255, 51, 255], [102, 178, 255], [51, 153, 255],
                         [255, 153, 153], [255, 102, 102], [255, 51, 51], [153, 255, 153], [102, 255, 102],
                         [51, 255, 51], [0, 255, 0], [0, 0, 255], [255, 0, 0], [255, 255, 255]],dtype=np.uint8)
kpt_color  = pose_palette[[16, 16, 16, 16, 16, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 9, 9, 9, 9, 9, 9]]
limb_color = pose_palette[[9, 9, 9, 9, 7, 7, 7, 0, 0, 0, 0, 0, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16]]
 
if __name__ == "__main__":
 
    model = YOLO("yolov8s-pose.pt")
 
    img = cv2.imread("ultralytics/assets/bus.jpg")
    results = model(img)[0]
    names   = results.names
    boxes   = results.boxes.data.tolist()
 
    # keypoints.data.shape -> n,17,3
    keypoints = results.keypoints.cpu().numpy()
 
    # keypoint -> 每个人的关键点
    for keypoint in keypoints.data:
        for i, (x, y, conf) in enumerate(keypoint):
            color_k = [int(x) for x in kpt_color[i]]
            if conf < 0.5:
                continue
            if x != 0 and y != 0:
                cv2.circle(img, (int(x), int(y)), 5, color_k , -1, lineType=cv2.LINE_AA)
        for i, sk in enumerate(skeleton):
            pos1 = (int(keypoint[(sk[0] - 1), 0]), int(keypoint[(sk[0] - 1), 1]))
            pos2 = (int(keypoint[(sk[1] - 1), 0]), int(keypoint[(sk[1] - 1), 1]))
 
            conf1 = keypoint[(sk[0] - 1), 2]
            conf2 = keypoint[(sk[1] - 1), 2]
            if conf1 < 0.5 or conf2 < 0.5:
                continue
            if pos1[0] == 0 or pos1[1] == 0 or pos2[0] == 0 or pos2[1] == 0:
                continue
            cv2.line(img, pos1, pos2, [int(x) for x in limb_color[i]], thickness=2, lineType=cv2.LINE_AA)
 
    for obj in boxes:
        left, top, right, bottom = int(obj[0]), int(obj[1]), int(obj[2]), int(obj[3])
        confidence = obj[4]
        label = int(obj[5])
        color = random_color(label)
        cv2.rectangle(img, (left, top), (right, bottom), color = color ,thickness=2, lineType=cv2.LINE_AA)
        caption = f"{names[label]} {confidence:.2f}"
        w, h = cv2.getTextSize(caption, 0, 1, 2)[0]
        cv2.rectangle(img, (left - 3, top - 33), (left + w + 10, top), color, -1)
        cv2.putText(img, caption, (left, top - 5), 0, 1, (0, 0, 0), 2, 16)
 
    cv2.imwrite("predict-pose.jpg", img)
    print("save done")

在上述代码中我们通过 opencv 读取了一张图像，并送入模型中推理得到输出 results，results 中保存着不同任务的结果，我们这里是姿态点估计任务，因此只需要拿到对应的 boxes 和 keypoints 即可。

拿到 boxes 后我们就可以将对应的框和置信度绘制在图像上，拿到 keypoints 后我们就可以将对应的人体 17 个关键点绘制在图像上并保存。

关于 boxes 可视化的代码实现参考自 tensorRT_Pro 中的实现，可以参考：app_yolo.cpp#L95

关于 keypoints 可视化的代码实现参考自 ultralytics/utils/plotting.py 中的实现，可以参考：plotting.py#L171

关于随机颜色的代码实现参考自 tensorRT_Pro 中的实现，可以参考：ilogger.cpp#L90

模型推理保存的结果图像如下所示：

在这里插入图片描述

2. YOLOv8-Pose预处理

模型预测成功后我们就需要自己动手来写下 YOLOv8-Pose 的预处理和后处理，方便后续在 C++ 上的实现，我们先来看看预处理的实现

经过我们的调试分析可知 YOLOv8-Pose 的预处理过程在 ultralytics/engine/predictor.py 文件中，可以参考：predictor.py#L111

代码如下：


def preprocess(self, im):
    """
    Prepares input image before inference.
    Args:
        im (torch.Tensor | List(np.ndarray)): BCHW for tensor, [(HWC) x B] for list.
    """
    not_tensor = not isinstance(im, torch.Tensor)
    if not_tensor:
        im = np.stack(self.pre_transform(im))
        im = im[..., ::-1].transpose((0, 3, 1, 2))  # BGR to RGB, BHWC to BCHW, (n, 3, h, w)
        im = np.ascontiguousarray(im)  # contiguous
        im = torch.from_numpy(im)
 
    im = im.to(self.device)
    im = im.half() if self.model.fp16 else im.float()  # uint8 to fp16/32
    if not_tensor:
        im /= 255  # 0 - 255 to 0.0 - 1.0
    return im

它包含以下步骤：

self.pre_transform：即 letterbox 添加灰条
im[…,::-1]：BGR → RGB
transpose((0, 3, 1, 2))：添加 batch 维度，HWC → CHW
torch.from_numpy：to Tensor
im /= 255：除以 255，归一化

大家如果对 YOLOv5 的预处理熟悉的话，会发现 YOLOv8-Pose 的预处理和 YOLOv5 的预处理一模一样，因此我们不难写出对应的预处理代码，如下所示：


def preprocess_warpAffine(image, dst_width=640, dst_height=640):
    scale = min((dst_width / image.shape[1], dst_height / image.shape[0]))
    ox = (dst_width  - scale * image.shape[1]) / 2
    oy = (dst_height - scale * image.shape[0]) / 2
    M = np.array([
        [scale, 0, ox],
        [0, scale, oy]
    ], dtype=np.float32)
    
    img_pre = cv2.warpAffine(image, M, (dst_width, dst_height), flags=cv2.INTER_LINEAR,
                             borderMode=cv2.BORDER_CONSTANT, borderValue=(114, 114, 114))
    IM = cv2.invertAffineTransform(M)
 
    img_pre = (img_pre[...,::-1] / 255.0).astype(np.float32)
    img_pre = img_pre.transpose(2, 0, 1)[None]
    img_pre = torch.from_numpy(img_pre)
    return img_pre, IM

其中的 letterbox 添加灰条步骤我们可以通过仿射变换 warpAffine 实现，warpAffine 非常适合在 CUDA 上加速，关于 warpAffine 仿射变换的细节大家可以参考 YOLOv5推理详解及预处理高性能实现，这边不再赘述。其它步骤倒是和官方的没有区别。

值得注意得是，letterbox 的操作是先将长边缩放到 640，再将短边按比例缩放，同时确保缩放后的短边能整除 32，如果不能则向上取整多余部分填充。warpAffine 的操作则是将图像分辨率固定在 640x640，多余部分添加灰条，博主对一张 1080x810 分辨率的图像经过两种不同预处理后的结果进行了对比，如下图所示：

在这里插入图片描述

图1-1 LeeterBox预处理图像

在这里插入图片描述

图1-2 warpAffine预处理图像

可以看到二者明显的差别，letterbox 中没有灰条，因为长边缩放到 640 后短边刚好缩放到 480，能整除 32。而 warpAffine 则是固定分辨率 640x640，因此短边多余部分将用灰条填充。

warpAffine 预处理方法将图像分辨率固定在 640x640，主要有以下几点考虑：(from chatGPT)

简化处理逻辑：所有预处理后的图像分辨率相同，可以简化 CUDA 中并行处理的逻辑，使得代码更易于编写和维护。
优化内存访问：在 GPU 上，连续的内存访问模式通常比非连续的访问更高效。如果所有图像具有相同的大小和布局，这可以帮助优化内存访问，提高处理速度。
避免动态内存分配：动态内存分配和释放是昂贵的操作，特别是在 GPU 上。固定分辨率意味着可以预先分配足够的内存，而不需要根据每个图像的大小动态调整内存大小。

这两种不同的预处理方法生成的图片输入到神经网络时的维度不同，letterbox 的输入是 torch.Size([1, 3, 640, 480])，warpAffine 的输入是 torch.Size([1, 3, 640, 640])。由于输入维度不同将导致模型输出维度的差异，leetrbox 的输出是 torch.Size([1, 56, 6300]) 只有 6300 个框，而 warpAffine 的输出是 torch.Size([1, 56, 8400]) 有 8400 个框，这点大家需要清楚。

3. YOLOv8-Pose后处理

我们再来看看后处理的实现

经过我们的调试分析可知 YOLOv8-Pose 的后处理过程在 ultralytics/models/yolo/pose/predict.py 文件中，可以参考：pose/predict.py#L31


class PosePredictor(DetectionPredictor):
    """
    A class extending the DetectionPredictor class for prediction based on a pose model.
    Example:
        ```python
        from ultralytics.utils import ASSETS
        from ultralytics.models.yolo.pose import PosePredictor
        args = dict(model='yolov8n-pose.pt', source=ASSETS)
        predictor = PosePredictor(overrides=args)
        predictor.predict_cli()
        
    """
 
    def __init__(self, cfg=DEFAULT_CFG, overrides=None, _callbacks=None):
        """Initializes PosePredictor, sets task to 'pose' and logs a warning for using 'mps' as device."""
        super().__init__(cfg, overrides, _callbacks)
        self.args.task = 'pose'
        if isinstance(self.args.device, str) and self.args.device.lower() == 'mps':
            LOGGER.warning("WARNING ⚠️ Apple MPS known Pose bug. Recommend 'device=cpu' for Pose models. "
                           'See https://github.com/ultralytics/ultralytics/issues/4031.')
 
    def postprocess(self, preds, img, orig_imgs):
        """Return detection results for a given input image or list of images."""
        preds = ops.non_max_suppression(preds,
                                        self.args.conf,
                                        self.args.iou,
                                        agnostic=self.args.agnostic_nms,
                                        max_det=self.args.max_det,
                                        classes=self.args.classes,
                                        nc=len(self.model.names))
 
        if not isinstance(orig_imgs, list):  # input images are a torch.Tensor, not a list
            orig_imgs = ops.convert_torch2numpy_batch(orig_imgs)
 
        results = []
        for i, pred in enumerate(preds):
            orig_img = orig_imgs[i]
            pred[:, :4] = ops.scale_boxes(img.shape[2:], pred[:, :4], orig_img.shape).round()
            pred_kpts = pred[:, 6:].view(len(pred), *self.model.kpt_shape) if len(pred) else pred[:, 6:]
            pred_kpts = ops.scale_coords(img.shape[2:], pred_kpts, orig_img.shape)
            img_path = self.batch[0][i]
            results.append(
                Results(orig_img, path=img_path, names=self.model.names, boxes=pred[:, :6], keypoints=pred_kpts))
        return results

它包含以下步骤：

ops.non_max_suppression：非极大值抑制，即 NMS
ops.scale_boxes：框的解码，即 decode boxes
ops.scale_coords：关键点的解码，即 decode keypoints

大家如果对 YOLOv5 的后处理熟悉的话，会发现 YOLOv8-Pose 的后处理中检测框的处理和 YOLOv5 中的基本一样，只是需要大家额外处理下关键点，因此我们不难写出对应的后处理代码，如下所示：


def iou(box1, box2):
 
    def area_box(box):
        return (box[2] - box[0]) * (box[3] - box[1])
    
    left, top = max(box1[:2], box2[:2])
    right, bottom = min(box1[2:4], box2[2:4])
    union = max((right - left), 0) * max((bottom - top), 0)
    cross = area_box(box1) + area_box(box2) - union
    if cross == 0 or union == 0:
        return 0
    return union / cross
 
def NMS(boxes, iou_thres):
 
    remove_flags = [False] * len(boxes)
 
    keep_boxes = []
    for i, ibox in enumerate(boxes):
        if remove_flags[i]:
            continue
 
        keep_boxes.append(ibox)
        for j in range(i + 1, len(boxes)):
            if remove_flags[j]:
                continue
 
            jbox = boxes[j]
            if iou(ibox, jbox) > iou_thres:
                remove_flags[j] = True
    return keep_boxes
 
def postprocess(pred, IM=[], conf_thres=0.25, iou_thres=0.45):
    
    # 输入是模型推理的结果，即8400个预测框
    # 1,8400,56 [cx,cy,w,h,conf,17*3]
    boxes = []
    for img_id, box_id in zip(*np.where(pred[...,4] > conf_thres)):
        item = pred[img_id, box_id]
        cx, cy, w, h, conf = item[:5]
        left    = cx - w * 0.5
        top     = cy - h * 0.5
        right   = cx + w * 0.5
        bottom  = cy + h * 0.5
        keypoints = item[5:].reshape(-1, 3)
        keypoints[:, 0] = keypoints[:, 0] * IM[0][0] + IM[0][2]
        keypoints[:, 1] = keypoints[:, 1] * IM[1][1] + IM[1][2]
        boxes.append([left, top, right, bottom, conf, *keypoints.reshape(-1).tolist()])
 
    boxes = np.array(boxes)
    lr = boxes[:,[0, 2]]
    tb = boxes[:,[1, 3]]
    boxes[:,[0,2]] = IM[0][0] * lr + IM[0][2]
    boxes[:,[1,3]] = IM[1][1] * tb + IM[1][2]
    boxes = sorted(boxes.tolist(), key=lambda x:x[4], reverse=True)
    
    return NMS(boxes, iou_thres)

其中预测框的解码我们是通过仿射变换逆矩阵 IM 实现的，关于 IM 的细节大家可以参考 YOLOv5推理详解及预处理高性能实现，这边不再赘述。关于 NMS 的代码参考自 tensorRT_Pro 中的实现：yolo.cpp#L119

关键点的解码我们同样可以通过 IM 将其映射回原图上，因此 YOLOv8-Pose 的后处理和 YOLOv5 的基本上没什么区别，只是需要大家清楚模型预测的结果中每个维度所代表的含义即可

对于一张 640x640 的图片来说，YOLOv8-Pose 预测框的总数量是 8400，每个预测框的维度是 56（针对 COCO 数据集的人体 17 个关键点而言）

8400×56=80×80×56+40×40×56+20×20×56=80×80×(5+51)+40×40×(5+51)+20×20×(5+51)=80×80×(5+17×3)+40×40×(5+17×3)+20×20×(5+17×3) $8400 \times 56 = 80 \times 80 \times 56 + 40 \times 40 \times 56 + 20 \times 20 \times 56 = 80 \times 80 \times (5 + 51) + 40 \times 40 \times (5 + 51) + 20 \times 20 \times (5 + 51) = 80 \times 80 \times (5 + 17 \times 3) + 40 \times 40 \times (5 + 17 \times 3) + 20 \times 20 \times (5 + 17 \times 3)$
其中的 5 对应的是 cx, cy, w, h, conf，分别代表的含义是边界框中心点坐标、宽高以及置信度；17 对应的是 COCO 数据集中的人体 17 个关键点，3 代表每个关键点的信息，包括 x, y, visibility，分别代表的含义是关键点的 x 和 y 坐标以及可见性或者说置信度，在对关键点进行可视化时我们只会可视化那些 visibility 大于 0.5 的关键点，因为低于 0.5 的关键点我们认为它被遮挡或者不在图像上。

目前主流的姿态点估计算法分为两种，一种是 top-down 自顶向下，先检测出图像中所有的人体检测框，再根据每个检测框识别姿态；另一种是 bottom-up 自低向上，先检测出图像中所有的骨骼点，再通过拼接得到多个人的骨架。两种方法各有优缺点，其中自顶向上的方法，姿态检测的准确度非常依赖目标检测框的质量；而自低向上的方法，如果两人离得非常近，容易出现模棱两可的情况，而且由于是依赖两个骨骼点之间的关系，所以失去了对全局的信息获取。

像 AlphaPose 和 YOLOv8-Pose 模型都是采用的自顶向下的方法，即先检测出所有的人体框再对每个人体做姿态估计。

4. YOLOv8-Pose推理

通过上面对 YOLOv8-Pose 的预处理和后处理分析之后，整个推理过程就显而易见了。YOLOv8-Pose 的推理包括图像预处理、模型推理、预测结果后处理三部分，其中预处理主要包括 warpAffine 仿射变换，后处理主要包括 boxes、keypoints 的 decode 解码和 NMS 两部分。

完整的推理代码如下：


import cv2
import torch
import numpy as np
from ultralytics.data.augment import LetterBox
from ultralytics.nn.autobackend import AutoBackend
 
def preprocess_letterbox(image):
    letterbox = LetterBox(new_shape=640, stride=32, auto=True)
    image = letterbox(image=image)
    image = (image[..., ::-1] / 255.0).astype(np.float32) # BGR to RGB, 0 - 255 to 0.0 - 1.0
    image = image.transpose(2, 0, 1)[None]  # BHWC to BCHW (n, 3, h, w)
    image = torch.from_numpy(image)
    return image
 
def preprocess_warpAffine(image, dst_width=640, dst_height=640):
    scale = min((dst_width / image.shape[1], dst_height / image.shape[0]))
    ox = (dst_width  - scale * image.shape[1]) / 2
    oy = (dst_height - scale * image.shape[0]) / 2
    M = np.array([
        [scale, 0, ox],
        [0, scale, oy]
    ], dtype=np.float32)
    
    img_pre = cv2.warpAffine(image, M, (dst_width, dst_height), flags=cv2.INTER_LINEAR,
                             borderMode=cv2.BORDER_CONSTANT, borderValue=(114, 114, 114))
    IM = cv2.invertAffineTransform(M)
 
    img_pre = (img_pre[...,::-1] / 255.0).astype(np.float32)
    img_pre = img_pre.transpose(2, 0, 1)[None]
    img_pre = torch.from_numpy(img_pre)
    return img_pre, IM
 
def iou(box1, box2):
 
    def area_box(box):
        return (box[2] - box[0]) * (box[3] - box[1])
    
    left, top = max(box1[:2], box2[:2])
    right, bottom = min(box1[2:4], box2[2:4])
    union = max((right-left), 0) * max((bottom-top), 0)
    cross = area_box(box1) + area_box(box2) - union
    if cross == 0 or union == 0:
        return 0
    return union / cross
 
def NMS(boxes, iou_thres):
 
    remove_flags = [False] * len(boxes)
 
    keep_boxes = []
    for i, ibox in enumerate(boxes):
        if remove_flags[i]:
            continue
 
        keep_boxes.append(ibox)
        for j in range(i + 1, len(boxes)):
            if remove_flags[j]:
                continue
 
            jbox = boxes[j]
            if iou(ibox, jbox) > iou_thres:
                remove_flags[j] = True
    return keep_boxes
 
def postprocess(pred, IM=[], conf_thres=0.25, iou_thres=0.45):
 
    # 输入是模型推理的结果，即8400个预测框
    # 1,8400,56 [cx,cy,w,h,conf,17*3]
    boxes = []
    for img_id, box_id in zip(*np.where(pred[...,4] > conf_thres)):
        item = pred[img_id, box_id]
        cx, cy, w, h, conf = item[:5]
        left    = cx - w * 0.5
        top     = cy - h * 0.5
        right   = cx + w * 0.5
        bottom  = cy + h * 0.5
        keypoints = item[5:].reshape(-1, 3)
        keypoints[:, 0] = keypoints[:, 0] * IM[0][0] + IM[0][2]
        keypoints[:, 1] = keypoints[:, 1] * IM[1][1] + IM[1][2]
        boxes.append([left, top, right, bottom, conf, *keypoints.reshape(-1).tolist()])
 
    boxes = np.array(boxes)
    lr = boxes[:,[0, 2]]
    tb = boxes[:,[1, 3]]
    boxes[:,[0,2]] = IM[0][0] * lr + IM[0][2]
    boxes[:,[1,3]] = IM[1][1] * tb + IM[1][2]
    boxes = sorted(boxes.tolist(), key=lambda x:x[4], reverse=True)
    
    return NMS(boxes, iou_thres)
 
def hsv2bgr(h, s, v):
    h_i = int(h * 6)
    f = h * 6 - h_i
    p = v * (1 - s)
    q = v * (1 - f * s)
    t = v * (1 - (1 - f) * s)
    
    r, g, b = 0, 0, 0
 
    if h_i == 0:
        r, g, b = v, t, p
    elif h_i == 1:
        r, g, b = q, v, p
    elif h_i == 2:
        r, g, b = p, v, t
    elif h_i == 3:
        r, g, b = p, q, v
    elif h_i == 4:
        r, g, b = t, p, v
    elif h_i == 5:
        r, g, b = v, p, q
 
    return int(b * 255), int(g * 255), int(r * 255)
 
def random_color(id):
    h_plane = (((id << 2) ^ 0x937151) % 100) / 100.0
    s_plane = (((id << 3) ^ 0x315793) % 100) / 100.0
    return hsv2bgr(h_plane, s_plane, 1)
 
skeleton = [[16, 14], [14, 12], [17, 15], [15, 13], [12, 13], [6, 12], [7, 13], [6, 7], [6, 8], 
            [7, 9], [8, 10], [9, 11], [2, 3], [1, 2], [1, 3], [2, 4], [3, 5], [4, 6], [5, 7]]
pose_palette = np.array([[255, 128, 0], [255, 153, 51], [255, 178, 102], [230, 230, 0], [255, 153, 255],
                         [153, 204, 255], [255, 102, 255], [255, 51, 255], [102, 178, 255], [51, 153, 255],
                         [255, 153, 153], [255, 102, 102], [255, 51, 51], [153, 255, 153], [102, 255, 102],
                         [51, 255, 51], [0, 255, 0], [0, 0, 255], [255, 0, 0], [255, 255, 255]],dtype=np.uint8)
kpt_color  = pose_palette[[16, 16, 16, 16, 16, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 9, 9, 9, 9, 9, 9]]
limb_color = pose_palette[[9, 9, 9, 9, 7, 7, 7, 0, 0, 0, 0, 0, 16, 16, 16, 16, 16, 16, 16]]
 
if __name__ == "__main__":
 
    img = cv2.imread("ultralytics/assets/bus.jpg")
 
    # img = preprocess_letterbox(img)
    img_pre, IM = preprocess_warpAffine(img)
 
    model  = AutoBackend(weights="yolov8s-pose.pt")
    names  = model.names
    result = model(img_pre)[0].transpose(-1, -2)  # 1,8400,56
 
    boxes = postprocess(result, IM)
 
    for box in boxes:
        left, top, right, bottom = int(box[0]), int(box[1]), int(box[2]), int(box[3])
        confidence = box[4]
        label = 0
        color = random_color(label)
        cv2.rectangle(img, (left, top), (right, bottom), color, 2, cv2.LINE_AA)
        caption = f"{names[label]} {confidence:.2f}"
        w, h = cv2.getTextSize(caption, 0, 1, 2)[0]
        cv2.rectangle(img, (left - 3, top - 33), (left + w + 10, top), color, -1)
        cv2.putText(img, caption, (left, top - 5), 0, 1, (0, 0, 0), 2, 16)
        
        keypoints = box[5:]
        keypoints = np.array(keypoints).reshape(-1, 3)
        for i, keypoint in enumerate(keypoints):
            x, y, conf = keypoint
            color_k = [int(x) for x in kpt_color[i]]
            if conf < 0.5:
                continue
            if x != 0 and y != 0:
                cv2.circle(img, (int(x), int(y)), 5, color_k, -1, lineType=cv2.LINE_AA)
        
        for i, sk in enumerate(skeleton):
            pos1 = (int(keypoints[(sk[0] - 1), 0]), int(keypoints[(sk[0] - 1), 1]))
            pos2 = (int(keypoints[(sk[1] - 1), 0]), int(keypoints[(sk[1] - 1), 1]))
 
            conf1 = keypoints[(sk[0] - 1), 2]
            conf2 = keypoints[(sk[1] - 1), 2]
            if conf1 < 0.5 or conf2 < 0.5:
                continue
            if pos1[0] == 0 or pos1[1] == 0 or pos2[0] == 0 or pos2[1] == 0:
                continue
            cv2.line(img, pos1, pos2, [int(x) for x in limb_color[i]], thickness=2, lineType=cv2.LINE_AA)
        
    cv2.imwrite("infer-pose.jpg", img)
    print("save done")

推理效果如下图所示：

在这里插入图片描述

至此，我们在 Python 上面完成了 YOLOv8-Pose 的整个推理过程，下面我们去 C++ 上实现。

二、YOLOv8-Pose推理(C++)

C++ 上的实现我们使用的 repo 依旧是 tensorRT_Pro，现在我们就基于 tensorRT_Pro 完成 YOLOv8-Pose 在 C++ 上的推理。

1. ONNX导出

首先我们需要将 YOLOv8-Pose 模型导出为 ONNX，为了适配 tensorRT_Pro 我们需要做一些修改，主要有以下几点：

修改输出节点名为 output，输入输出只让 batch 维度动态，宽高不动态
增加 transpose 节点交换输出的 2、3 维度

具体修改如下：

1. 在 ultralytics/engine/exporter.py 文件中改动一处

323 行：输出节点名修改为 output
326 行：输入只让 batch 维度动态，宽高不动态
327 行：输出只让 batch 维度动态，宽高不动态


# ========== exporter.py ==========
 
# ultralytics/engine/exporter.py第323行
# output_names = ['output0', 'output1'] if isinstance(self.model, SegmentationModel) else ['output0']
# dynamic = self.args.dynamic
# if dynamic:
#     dynamic = {'images': {0: 'batch', 2: 'height', 3: 'width'}}  # shape(1,3,640,640)
#     if isinstance(self.model, SegmentationModel):
#         dynamic['output0'] = {0: 'batch', 2: 'anchors'}  # shape(1, 116, 8400)
#         dynamic['output1'] = {0: 'batch', 2: 'mask_height', 3: 'mask_width'}  # shape(1,32,160,160)
#     elif isinstance(self.model, DetectionModel):
#         dynamic['output0'] = {0: 'batch', 2: 'anchors'}  # shape(1, 84, 8400)
# 修改为：
 
output_names = ['output0', 'output1'] if isinstance(self.model, SegmentationModel) else ['output']
dynamic = self.args.dynamic
if dynamic:
    dynamic = {'images': {0: 'batch'}}  # shape(1,3,640,640)
    dynamic['output'] = {0: 'batch'}
    if isinstance(self.model, SegmentationModel):
        dynamic['output0'] = {0: 'batch', 2: 'anchors'}  # shape(1, 116, 8400)
        dynamic['output1'] = {0: 'batch', 2: 'mask_height', 3: 'mask_width'}  # shape(1,32,160,160)
    elif isinstance(self.model, DetectionModel):
        dynamic['output0'] = {0: 'batch', 2: 'anchors'}  # shape(1, 84, 8400)

2. 在 ultralytics/nn/modules/head.py 文件中改动一处

130 行：添加 transpose 节点交换第 2 和第 3 维度


# ========== head.py ==========
 
# ultralytics/nn/modules/head.py第130行，forward函数
# return torch.cat([x, pred_kpt], 1) if self.export else (torch.cat([x[0], pred_kpt], 1), (x[1], kpt))
# 修改为：
 
return torch.cat([x, pred_kpt], 1).permute(0, 2, 1) if self.export else (torch.cat([x[0], pred_kpt], 1), (x[1], kpt))

以上就是为了适配 tensorRT_Pro 而做出的代码修改，修改好以后，将预训练权重 yolov8s-pose.pt 放在 ultralytics-main 主目录下，新建导出文件 export.py，内容如下：


from ultralytics import YOLO
 
model = YOLO("yolov8s-pose.pt")
 
success = model.export(format="onnx", dynamic=True, simplify=True)

在终端执行如下指令即可完成 onnx 导出：

python export.py

导出过程如下图所示：

在这里插入图片描述

可以看到导出的 pytorch 模型的输入 shape 是 1x3x640x640，输出 shape 是 1x8400x56，符合我们的预期。

导出成功后会在当前目录下生成 yolov8s-pose.onnx 模型，我们可以使用 Netron 可视化工具查看，如下图所示：

在这里插入图片描述

可以看到输入节点名是 images, 维度是 batchx3x640x640，保证只有 batch 维度动态，输出节点名是 output，维度是 batchxTransposeoutput_dim_1xTransposeoutput_dim_2，保证只有 batch 维度动态，符合 tensorRT_Pro 的格式。

大家不要看到 Transposeoutput_dim_1 和 Transposeoutput_dim_2 就认为这也是动态的，其实输出节点的维度是根据输入节点的维度和模型的结构生成的，而额外的维度 Transposeoutput_dim_1 和 Transposeoutput_dim_2 可能是由模型结构中某些操作决定的，如通道数变换（Transpose）操作的输出维度，而不是由动态维度决定的。因此，通常情况下，这些维度是静态的，不会在推理时改变。

2. YOLOv8-Pose预处理

之前有提到过 YOLOv8-Pose 的预处理部分和 YOLOv5 实现一模一样，因此我们在 tensorRT_Pro 中 YOLOv8-Pose 模型的预处理可以直接使用 YOLOv5 的预处理。

tensorRT_Pro 中预处理的代码如下：


__global__ void warp_affine_bilinear_and_normalize_plane_kernel(uint8_t* src, int src_line_size, int src_width, int src_height, float* dst, int dst_width, int dst_height, 
	uint8_t const_value_st, float* warp_affine_matrix_2_3, Norm norm, int edge){
 
	int position = blockDim.x * blockIdx.x + threadIdx.x;
	if (position >= edge) return;
 
	float m_x1 = warp_affine_matrix_2_3[0];
	float m_y1 = warp_affine_matrix_2_3[1];
	float m_z1 = warp_affine_matrix_2_3[2];
	float m_x2 = warp_affine_matrix_2_3[3];
	float m_y2 = warp_affine_matrix_2_3[4];
	float m_z2 = warp_affine_matrix_2_3[5];
 
	int dx      = position % dst_width;
	int dy      = position / dst_width;
	float src_x = m_x1 * dx + m_y1 * dy + m_z1;
	float src_y = m_x2 * dx + m_y2 * dy + m_z2;
	float c0, c1, c2;
 
	if(src_x <= -1 || src_x >= src_width || src_y <= -1 || src_y >= src_height){
		// out of range
		c0 = const_value_st;
		c1 = const_value_st;
		c2 = const_value_st;
	}else{
		int y_low = floorf(src_y);
		int x_low = floorf(src_x);
		int y_high = y_low + 1;
		int x_high = x_low + 1;
 
		uint8_t const_value[] = {const_value_st, const_value_st, const_value_st};
		float ly    = src_y - y_low;
		float lx    = src_x - x_low;
		float hy    = 1 - ly;
		float hx    = 1 - lx;
		float w1    = hy * hx, w2 = hy * lx, w3 = ly * hx, w4 = ly * lx;
		uint8_t* v1 = const_value;
		uint8_t* v2 = const_value;
		uint8_t* v3 = const_value;
		uint8_t* v4 = const_value;
		if(y_low >= 0){
			if (x_low >= 0)
				v1 = src + y_low * src_line_size + x_low * 3;
 
			if (x_high < src_width)
				v2 = src + y_low * src_line_size + x_high * 3;
		}
		
		if(y_high < src_height){
			if (x_low >= 0)
				v3 = src + y_high * src_line_size + x_low * 3;
 
			if (x_high < src_width)
				v4 = src + y_high * src_line_size + x_high * 3;
		}
		
		// same to opencv
		c0 = floorf(w1 * v1[0] + w2 * v2[0] + w3 * v3[0] + w4 * v4[0] + 0.5f);
		c1 = floorf(w1 * v1[1] + w2 * v2[1] + w3 * v3[1] + w4 * v4[1] + 0.5f);
		c2 = floorf(w1 * v1[2] + w2 * v2[2] + w3 * v3[2] + w4 * v4[2] + 0.5f);
	}
 
	if(norm.channel_type == ChannelType::Invert){
		float t = c2;
		c2 = c0;  c0 = t;
	}
 
	if(norm.type == NormType::MeanStd){
		c0 = (c0 * norm.alpha - norm.mean[0]) / norm.std[0];
		c1 = (c1 * norm.alpha - norm.mean[1]) / norm.std[1];
		c2 = (c2 * norm.alpha - norm.mean[2]) / norm.std[2];
	}else if(norm.type == NormType::AlphaBeta){
		c0 = c0 * norm.alpha + norm.beta;
		c1 = c1 * norm.alpha + norm.beta;
		c2 = c2 * norm.alpha + norm.beta;
	}
 
	int area = dst_width * dst_height;
	float* pdst_c0 = dst + dy * dst_width + dx;
	float* pdst_c1 = pdst_c0 + area;
	float* pdst_c2 = pdst_c1 + area;
	*pdst_c0 = c0;
	*pdst_c1 = c1;
	*pdst_c2 = c2;
}

关于预处理部分其实就是调用了上述 CUDA 核函数来实现 warpAffine，由于在 CUDA 中我们是对每个像素进行操作，因此非常容易实现 BGR → RGB，/255.0 等操作。关于代码的具体分析可以参考 YOLOv5推理详解及预处理高性能实现，这边不再赘述。

3. YOLOv8-Pose后处理

之前有提到过 YOLOv8-Pose 的检测框后处理部分和 YOLOv5 相同，只是需要添加关键点的解码即可，因此我们可以借鉴 YOLOv5 中 decode 解码部分的实现，添加关键点部分的解码即可，代码可参考：yolo_decode.cu#L13

因此我们不难写出 YOLOv8-Pose 的 decode 解码部分的实现代码，如下所示：


static __global__ void decode_kernel_v8_Pose(float *predict, int num_bboxes, float confidence_threshold, float* invert_affine_matrix, float* parray, int MAX_IMAGE_BOXES){
 
    int position = blockDim.x * blockIdx.x + threadIdx.x;
    if(position >= num_bboxes) return;
 
    float* pitem = predict + (5 + 3 * NUM_KEYPOINTS) * position;
    
    float cx         = *pitem++;
    float cy         = *pitem++;
    float width      = *pitem++;
    float height     = *pitem++;
    float confidence = *pitem++;
 
    if(confidence < confidence_threshold)
        return;
    
    int index = atomicAdd(parray, 1);
    if(index >= MAX_IMAGE_BOXES)
        return;
 
    float left   = cx - width  * 0.5f;
    float top    = cy - height * 0.5f;
    float right  = cx + width  * 0.5f; 
    float bottom = cy + height * 0.5f;
    affine_project(invert_affine_matrix, left,  top,    &left,  &top);
    affine_project(invert_affine_matrix, right, bottom, &right, &bottom);
 
    float* pout_item = parray + 1 + index * NUM_BOX_ELEMENT; 
    *pout_item++ = left;
    *pout_item++ = top;
    *pout_item++ = right;
    *pout_item++ = bottom;
    *pout_item++ = confidence;
    *pout_item++ = 1; // 1 = keep, 0 = ignore
    for(int i = 0; i < NUM_KEYPOINTS; ++i){
        float keypoint_x          = *pitem++;
        float keypoint_y          = *pitem++;
        float keypoint_confidence = *pitem++;
        
        affine_project(invert_affine_matrix, keypoint_x, keypoint_y, &keypoint_x, &keypoint_y);
 
        *pout_item++ = keypoint_x;
        *pout_item++ = keypoint_y;
        *pout_item++ = keypoint_confidence;  
    }
}

关于 decode 的具体实现其实就是启动多个线程，每个线程处理一个框的解码，包括框坐标和关键点坐标的解码，我们会通过仿射变换逆矩阵 IM 将坐标映射回原图上的，关于 decode 代码的详细分析可参考 infer源码阅读之yolo.cu，这边不再赘述。

另外关于 NMS 部分，由于在 YOLOv8-Pose 模型中没有 label 类别标签维度，因此也需要适当调整，调整后的 NMS 代码如下：


static __global__ void nms_kernel_v8_Pose(float* bboxes, int max_objects, float threshold){
 
    int position = (blockDim.x * blockIdx.x + threadIdx.x);
    int count = min((int)*bboxes, max_objects);
    if (position >= count) 
        return;
    
    // left, top, right, bottom, confidence, keepflag, (keypoint_x, keypoint_y, keypoint_confidence) * 17
    float* pcurrent = bboxes + 1 + position * NUM_BOX_ELEMENT;
    for(int i = 0; i < count; ++i){
        float* pitem = bboxes + 1 + i * NUM_BOX_ELEMENT;
        if(i == position) continue;
 
        if(pitem[4] >= pcurrent[4]){
            if(pitem[4] == pcurrent[4] && i < position)
                continue;
 
            float iou = box_iou(
                pcurrent[0], pcurrent[1], pcurrent[2], pcurrent[3],
                pitem[0],    pitem[1],    pitem[2],    pitem[3]
            );
 
            if(iou > threshold){
                pcurrent[5] = 0;  // 1=keep, 0=ignore
                return;
            }
        }
    }
}

关于 NMS 的具体实现也是启动多个线程，每个线程处理一个框，如果剩余框中的置信度大于当前线程中处理的框，则计算两个框的 IoU，通过 IoU 值判断是否保留该框。相比于 CPU 版的 NMS 应该是少套了一层循环，另外一层循环是通过 CUDA 上线程的并行操作处理的，代码参考自：yolo_decode.cu#L81

4. YOLOv8-Pose推理

通过上面对 YOLOv8-Pose 的预处理和后处理分析之后，整个推理过程就显而易见了。C++ 上 YOLOv8-Pose 的预处理部分可直接沿用 YOLOv5 的预处理，后处理中的 decode 解码和 NMS 部分需要简单修改。

我们在终端执行如下指令即可完成推理（注意！完整流程博主会在后续内容介绍，这边只是简单演示）

make yolo_pose

编译图解如下所示：

在这里插入图片描述

推理结果如下图所示：

在这里插入图片描述

至此，我们在 C++ 上面完成了 YOLOv8-Pose 的整个推理过程，下面我们将完整的走一遍流程。

三、YOLOv8-Pose部署

博主新建了一个仓库 tensorRT_Pro-YOLOv8，该仓库基于 shouxieai/tensorRT_Pro，并进行了调整以支持 YOLOv8 的各项任务，目前已支持分类、检测、分割、姿态点估计任务。

下面我们就来具体看看如何利用 tensorRT_Pro-YOLOv8 这个 repo 完成 YOLOv8-Pose 的推理。

1. 源码下载

tensorRT_Pro-YOLOv8 的代码可以直接从 GitHub 官网上下载，源码下载地址是 https://github.com/Melody-Zhou/tensorRT_Pro-YOLOv8，Linux 下代码克隆指令如下：

git clone https://github.com/Melody-Zhou/tensorRT_Pro-YOLOv8.git

也可手动点击下载，点击右上角的 Code 按键，将代码下载下来。至此整个项目就已经准备好了。也可以点击 here 下载博主准备好的源代码（注意代码下载于 2023/11/7 日，若有改动请参考最新）

2. 环境配置

需要使用的软件环境有 TensorRT、CUDA、cuDNN、OpenCV、Protobuf，所有软件环境的安装可以参考 Ubuntu20.04软件安装大全，这里不再赘述，需要各位看官自行配置好相关环境
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