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。
01
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
02
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～）
代码语言：javascript复制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：
代码语言：javascript复制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03
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！
代码语言：javascript复制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！
代码语言：javascript复制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。
代码语言：javascript复制# 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。
代码语言：javascript复制# 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 -= 1万事俱备，一键运行，见证奇迹的时刻到了
将所有的代码和素材下载到本地后，就可以启动 mani.py 一键运行啦！（电脑要有摄像头哦！）
大家也可以把其中的代码片段加入到自己的游戏程序里，相信你们的创意可以带来更多不同凡响的呈现效果！
在尝试的过程中，第一版和第二版的差距还是非常明显的，大家可以看看效果呈现对比：
https://www.bilibili.com/video/BV1uZ4y147ur
共同探讨
在实现过程中有几个下问题，还需要进一步研究和探讨：
- 由于调整参数的时候，是基于我自己的脸进行的，所以不知道别人的脸控制游戏时精度会不会有影响。
- 原来想再做一版人脸和飞机重叠的效果呈现，但是在 pygame 的框架下还没折腾出来怎么实现。
- 摄像头视角和人类视角是镜面关系，所以为了拍摄视频我调整成为了左右相反，实际中需要对调过来。
未来可期
第二版完成后，本来想做个第三版，利用 PaddleHub 的人体骨骼监测模块，实现通过人体运动来控制飞机，但是这个模块目前还没有办法直接接入实时的视频画面，所以作罢了。
不过好消息是，听说不久的将来 PaddleHub 会对各个模块的接口进行进一步的丰富，到时候应该可以实现了，有没有小伙伴愿意一起一试呢？
PaddleHub项目地址：
GitHub: https://github.com/PaddlePaddle/PaddleHub
Gitee: https://github.com/PaddlePaddle/PaddleHub
PaddleHub教程合集：
https://aistudio.baidu.com/aistudio/course/introduce/1070
PaddleHub实践分享：
https://aistudio.baidu.com/aistudio/personalcenter/thirdview/79927
如果您想详细了解更多飞桨的相关内容，请参阅以下文档。
官网地址：
https://www.paddlepaddle.org.cn
飞桨开源框架项目地址：
GitHub:
https://github.com/PaddlePaddle/Paddle
Gitee:
https://gitee.com/paddlepaddle/Paddle
END
