手势识别4：C/C++实现手部检测和手势识别(含源码下载)

1. 前言

2. 手势识别模型（YOLOv5）

（1）手势识别模型训练

（2）将Pytorch模型转换ONNX模型

（3）将ONNX模型转换为TNN模型

3. 手势识别模型C++部署

（1）项目结构

（2）配置开发环境(OpenCV+OpenCL+base-utils+TNN)

（3）部署TNN模型

（4）CMake配置

（5）main源码

（6）源码编译和运行

4. 手势识别检测效果

5. 项目源码下载

6. 手势识别Android版本

7.项目推荐：手部关键点检测

1. 前言

这是手势识别项目系列之《C/C++实现手部检测和手势识别》；本篇主要分享将Python训练后的YOLOv5的手势识别模型转写成C/C++代码。我们将开发一个简易的、可实时运行的手势识别C/C++ Demo，支持one,two,ok等18种常见的通用手势动作识别，也可以根据业务需求自定义训练的手势识别的类别。C/C ++版本手势识别模型推理支持CPU和GPU加速，在GPU(OpenCL)加速下，可以达到实时的检测效果，基本满足业务的性能需求。

先展示一下手势识别检测的效果：

【尊重原创，转载请注明出处】https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/134690422

更多手势识别，手部关键点检测的系列文章请参考：

手势识别1：HaGRID手势识别数据集使用说明和下载
手势识别2：基于YOLOv5的手势识别系统(含手势识别数据集+训练代码)
手势识别3：Android实现手部检测和手势识别（可实时运行，含Android源码）
手势识别4：C/C++实现手部检测和手势识别(含源码下载)
手部关键点检测1：手部关键点(手部姿势估计)数据集(含下载链接)
手部关键点检测2：YOLOv5实现手部检测(含训练代码和数据集)
手部关键点检测3：Pytorch实现手部关键点检测(手部姿势估计)含训练代码和数据集
手部关键点检测4：Android实现手部关键点检测(手部姿势估计)含源码可实时检测
手部关键点检测5：C++实现手部关键点检测(手部姿势估计)含源码可实时检测

2. 手势识别模型（YOLOv5）

（1）手势识别模型训练

考虑到手机端CPU/GPU性能比较弱鸡，直接部署yolov5s运行速度十分慢，所以这里Android部署仅仅考虑yolov5s05模型，yolov5s05即是在yolov5s的基础上做了模型轻量化处理，其channels通道数全部都减少一半，并且模型输入由原来的640×640降低到320×320。从性能来看，yolov5s05比yolov5s快5多倍，而mAP下降了5%（0.87605→0.82706），对于手机端，这精度还是可以接受。

官方YOLOv5: GitHub - ultralytics/yolov5: YOLOv5 🚀 in PyTorch > ONNX > CoreML > TFLite

下面是yolov5s05和yolov5s的参数量和计算量对比：

模型	input-size	params(M)	GFLOPs	手势识别mAP(0.5:0.95)
yolov5s	640×640	7.2	16.5	0.87605
yolov5s05	320×320	1.7	1.1	0.82706

yolov5s05和yolov5s训练过程完全一直，仅仅是配置文件不一样而已；碍于篇幅，本篇博客不在赘述，详细训练过程请参考：《基于YOLOv5的手势识别系统(含手势识别数据集+训练代码)》

（2）将Pytorch模型转换ONNX模型

训练好yolov5s模型后，你需要先将Pytorch模型转换为ONNX模型，并使用onnx-simplifier简化网络结构，Python版本的已经提供了ONNX转换脚本，终端输入命令如下：

# 转换yolov5s05模型
python export.py --weights "data/model/yolov5s05_320/weights/best.pt" --img-size 320 320# 转换yolov5s模型
python export.py --weights "data/model/yolov5s_640/weights/best.pt" --img-size 640 640

GitHub： https://github.com/daquexian/onnx-simplifier
Install: pip3 install onnx-simplifier

（3）将ONNX模型转换为TNN模型

目前在C++端上，CNN模型有多种部署方式，可以采用TNN，MNN,NCNN，以及TensorRT等部署工具，鄙人采用TNN进行Android端上部署

TNN转换工具：

（1）将ONNX模型转换为TNN模型，请参考TNN官方说明：TNN/onnx2tnn.md at master · Tencent/TNN · GitHub
（2）一键转换，懒人必备：一键转换 Caffe, ONNX, TensorFlow 到 NCNN, MNN, Tengine (可能存在版本问题，这个工具转换的TNN模型可能不兼容，建议还是自己build源码进行转换，2022年9约25日测试可用)

转换成功后，会生成两个文件(*.tnnproto和*.tnnmodel) ,下载下来后面会用到

3. 手势识别模型C++部署

项目IDE开发工具使用CLion，相关依赖库主要有OpenCV，base-utils以及TNN和OpenCL(可选)，其中OpenCV必须安装，OpenCL用于模型加速，base-utils以及TNN已经配置好，无需安装；

项目仅在Ubuntu18.04进行测试，Windows系统下请自行配置好开发环境。

（1）项目结构

（2）配置开发环境(OpenCV+OpenCL+base-utils+TNN)

项目仅在Ubuntu18.04进行测试，Windows系统下请自行配置和编译

安装OpenCV：图像处理

图像处理（如读取图片，图像裁剪等）都需要使用OpenCV库进行处理

安装教程：Ubuntu18.04安装opencv和opencv_contrib

OpenCV库使用opencv-4.3.0版本，opencv_contrib库暂时未使用，可不安装

安装OpenCL：模型加速

安装教程：Ubuntu16.04 安装OpenCV&OpenCL

OpenCL用于模型GPU加速，若不使用OpenCL进行模型推理加速，纯C++推理模型，速度会特别特别慢

base-utils：C++库

GitHub：https://github.com/PanJinquan/base-utils （无需安装，项目已经配置了）

base_utils是个人开发常用的C++库，集成了C/C++ OpenCV等常用的算法

TNN：模型推理

GitHub：https://github.com/Tencent/TNN （无需安装，项目已经配置了）

由腾讯优图实验室开源的高性能、轻量级神经网络推理框架，同时拥有跨平台、高性能、模型压缩、代码裁剪等众多突出优势。TNN框架在原有Rapidnet、ncnn框架的基础上进一步加强了移动端设备的支持以及性能优化，同时借鉴了业界主流开源框架高性能和良好拓展性的特性，拓展了对于后台X86, NV GPU的支持。手机端 TNN已经在手机QQ、微视、P图等众多应用中落地，服务端TNN作为腾讯云AI基础加速框架已为众多业务落地提供加速支持。

（3）部署TNN模型

项目模型推理采用TNN部署框架（支持多线程CPU和GPU加速推理）；图像处理采用OpenCV库，模型加速采用OpenCL，在普通电脑设备即可达到实时处理。

如果你想在这个 C++ Demo部署你自己训练的模型，你可以将训练好的Pytorch模型转换ONNX ，再转换成TNN模型，然后把原始的模型替换成你自己的TNN模型即可。

（4）CMake配置

这是CMakeLists.txt，其中主要配置OpenCV+OpenCL+base-utils+TNN这四个库，Windows系统下请自行配置和编译

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)
project(Detector)add_compile_options(-fPIC) # fix Bug: can not be used when making a shared object
set(CMAKE_CXX_FLAGS "-Wall -std=c++11 -pthread")
#set(CMAKE_CXX_FLAGS_RELEASE "-O2 -DNDEBUG")
#set(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "-g")if (NOT CMAKE_BUILD_TYPE AND NOT CMAKE_CONFIGURATION_TYPES)# -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug# -DCMAKE_BUILD_TYPE=Releasemessage(STATUS "No build type selected, default to Release")set(CMAKE_BUILD_TYPE "Release" CACHE STRING "Build type (default Debug)" FORCE)
endif ()# opencv set
find_package(OpenCV REQUIRED)
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS} ./src/)
#MESSAGE(STATUS "OpenCV_INCLUDE_DIRS = ${OpenCV_INCLUDE_DIRS}")# base_utils
set(BASE_ROOT 3rdparty/base-utils) # 设置base-utils所在的根目录
add_subdirectory(${BASE_ROOT}/base_utils/ base_build) # 添加子目录到build中
include_directories(${BASE_ROOT}/base_utils/include)
include_directories(${BASE_ROOT}/base_utils/src)
MESSAGE(STATUS "BASE_ROOT = ${BASE_ROOT}")# TNN set
# Creates and names a library, sets it as either STATIC
# or SHARED, and provides the relative paths to its source code.
# You can define multiple libraries, and CMake builds it for you.
# Gradle automatically packages shared libraries with your APK.
# build for platform
# set(TNN_BUILD_SHARED OFF CACHE BOOL "" FORCE)
if (CMAKE_SYSTEM_NAME MATCHES "Android")set(TNN_OPENCL_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_ARM_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_BUILD_SHARED OFF CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_OPENMP_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)  # Multi-Thread#set(TNN_HUAWEI_NPU_ENABLE OFF CACHE BOOL "" FORCE)add_definitions(-DTNN_OPENCL_ENABLE)           # for OpenCL GPUadd_definitions(-DTNN_ARM_ENABLE)              # for Android CPUadd_definitions(-DDEBUG_ANDROID_ON)            # for Android Logadd_definitions(-DPLATFORM_ANDROID)
elseif (CMAKE_SYSTEM_NAME MATCHES "Linux")set(TNN_OPENCL_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_CPU_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_X86_ENABLE OFF CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_QUANTIZATION_ENABLE OFF CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_OPENMP_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)  # Multi-Threadadd_definitions(-DTNN_OPENCL_ENABLE)           # for OpenCL GPUadd_definitions(-DDEBUG_ON)                    # for WIN/Linux Logadd_definitions(-DDEBUG_LOG_ON)                # for WIN/Linux Logadd_definitions(-DDEBUG_IMSHOW_OFF)            # for OpenCV showadd_definitions(-DPLATFORM_LINUX)
elseif (CMAKE_SYSTEM_NAME MATCHES "Windows")set(TNN_OPENCL_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_CPU_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_X86_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_QUANTIZATION_ENABLE OFF CACHE BOOL "" FORCE)set(TNN_OPENMP_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)  # Multi-Threadadd_definitions(-DTNN_OPENCL_ENABLE)           # for OpenCL GPUadd_definitions(-DDEBUG_ON)                    # for WIN/Linux Logadd_definitions(-DDEBUG_LOG_ON)                # for WIN/Linux Logadd_definitions(-DDEBUG_IMSHOW_OFF)            # for OpenCV showadd_definitions(-DPLATFORM_WINDOWS)
endif ()
set(TNN_ROOT 3rdparty/TNN)
include_directories(${TNN_ROOT}/include)
include_directories(${TNN_ROOT}/third_party/opencl/include)
add_subdirectory(${TNN_ROOT}) # 添加外部项目文件夹
set(TNN -Wl,--whole-archive TNN -Wl,--no-whole-archive)# set TNN library
MESSAGE(STATUS "TNN_ROOT = ${TNN_ROOT}")# Detector
include_directories(src)
set(SRC_LISTsrc/yolov5.cppsrc/Interpreter.cpp)
add_library(dmcv SHARED ${SRC_LIST})
target_link_libraries(dmcv ${OpenCV_LIBS} base_utils)
MESSAGE(STATUS "DIR_SRCS = ${SRC_LIST}")#add_executable(Detector src/main.cpp)
#add_executable(Detector src/main_for_detect.cpp)
add_executable(Detector src/main_for_yolov5.cpp)
target_link_libraries(Detector dmcv ${TNN} -lpthread)

（5）main源码

主程序src/main_for_yolov5.cpp中提供行手势识别的Demo，支持图片，视频和摄像头测试

//
// Created by Pan on 2018/6/24.
//#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include "file_utils.h"
#include "yolov5.h"
#include "image_utils.h"using namespace dl;
using namespace vision;
using namespace std;const int num_thread = 1;
DeviceType device = GPU; // 使用GPU运行，需要配置好OpenCL
//DeviceType device = CPU; // 使用CPU运行// 测试YOLOv5s_640
string proto_file = "../data/tnn/yolov5/yolov5s_640.opt.tnnproto";
string model_file = "../data/tnn/yolov5/yolov5s_640.opt.tnnmodel";
YOLOv5Param model_param = YOLOv5s_640;//模型参数// 测试YOLOv5s05_320
//string proto_file = "../data/tnn/yolov5/yolov5s05_320_anchor.opt.tnnproto";
//string model_file = "../data/tnn/yolov5/yolov5s05_320_anchor.opt.tnnmodel";
//YOLOv5Param model_param = YOLOv5s05_320;//模型参数// 设置检测阈值
const float scoreThresh = 0.3;
const float iouThresh = 0.3;
YOLOv5 *detector = new YOLOv5(model_file,proto_file,model_param,num_thread,device);/**** 测试图片文件* @return*/
int test_image_file() {// 测试图片string image_dir = "../data/test_image";vector<string> image_list = get_files_list(image_dir);for (string image_path:image_list) {cv::Mat bgr_image = cv::imread(image_path);if (bgr_image.empty()) continue;FrameInfo resultInfo;// 开始检测detector->detect(bgr_image, &resultInfo, scoreThresh, iouThresh);// 可视化代码detector->visualizeResult(bgr_image, &resultInfo);}printf("FINISHED.\n");return 0;
}/**** 测试视频文件* @return*/
int test_video_file() {string video_file = "../data/video/video-test.mp4"; //视频文件cv::VideoCapture cap;bool ret = get_video_capture(video_file, cap);cv::Mat frame;while (ret) {cap >> frame;if (frame.empty()) break;FrameInfo resultInfo;// 开始检测detector->detect(frame, &resultInfo, scoreThresh, iouThresh);// 可视化代码detector->visualizeResult(frame, &resultInfo, 30);}cap.release();delete detector;detector = nullptr;printf("FINISHED.\n");return 0;
}/**** 测试摄像头* @return*/
int test_camera() {int camera = 0; //摄像头ID号(请修改成自己摄像头ID号)cv::VideoCapture cap;bool ret = get_video_capture(camera, cap);cv::Mat frame;while (ret) {cap >> frame;if (frame.empty()) break;FrameInfo resultInfo;// 开始检测detector->detect(frame, &resultInfo, scoreThresh, iouThresh);// 可视化代码detector->visualizeResult(frame, &resultInfo, 10);}cap.release();delete detector;detector = nullptr;printf("FINISHED.\n");return 0;}int main() {//test_image_file();test_video_file();//test_camera();return 0;
}

（6）源码编译和运行

编译脚本，或者直接：bash build.sh

#!/usr/bin/env bash
if [ ! -d "build/" ];thenmkdir "build"
elseecho "exist build"
fi
cd build
cmake ..
make -j4
sleep 1
./Detector

如果你要测试CPU运行的性能，请修改src/main_for_yolov5.cpp

DeviceType device = CPU;

如果你要测试GPU运行的性能，请修改src/main_for_yolov5.cpp （需配置好OpenCL）

DeviceType device = GPU; //默认使用GPU

纯C++推理模式需要耗时几秒的时间，而开启OpenCL加速后，GPU模式耗时仅需十几毫秒，性能极大的提高。

4. 手势识别检测效果

C++版本手势识别的检测效果与Python版本的检测效果几乎一致：

5. 项目源码下载

源码下载：C/C++实现手部检测和手势识别(含源码下载)

内容包含：

提供快速版yolov5s05手势识别，在普通手机可实时检测识别，CPU(4线程)约30ms左右，GPU约25ms左右

提供高精度版本yolov5s手势识别，CPU(4线程)约250ms左右，GPU约100ms左右

C/C++项目源码支持图片，视频，摄像头测试

项目配置好了base-utils和TNN，而OpenCV和OpenCL需要自行编译安装