MiDaS模型实战：生成深度热力图

1. 引言

1.1 AI 单目深度估计 —— 让2D图像“感知”3D空间

在计算机视觉领域，从单张二维图像中推断三维空间结构是一项极具挑战性的任务。传统方法依赖多视角几何或激光雷达等硬件设备，成本高且部署复杂。近年来，随着深度学习的发展，单目深度估计（Monocular Depth Estimation）技术逐渐成熟，使得仅通过一张普通照片即可预测场景的深度分布成为可能。

Intel 实验室提出的MiDaS（Mixed Depth Scaling）模型正是这一领域的代表性成果。它能够在无需立体相机或多视角输入的前提下，准确地估算图像中每个像素点到摄像机的相对距离，实现“AI看懂远近”的能力。该技术广泛应用于AR/VR、机器人导航、自动驾驶辅助、图像编辑等领域。

1.2 项目定位与核心价值

本文介绍的是一个基于MiDaS v2.1的完整可运行镜像系统，专为开发者和研究者设计，具备以下关键优势：

开箱即用：集成 PyTorch Hub 官方模型源，避免 ModelScope 等平台的 Token 验证流程。
高稳定性 CPU 推理：选用轻量级MiDaS_small模型，并针对 CPU 环境进行优化，推理速度快、资源占用低。
可视化深度热力图输出：利用 OpenCV 将深度图映射为Inferno 色彩空间，直观展示近景（暖色）与远景（冷色）。
内置 WebUI 交互界面：支持上传图片并实时查看结果，无需编写代码即可体验 3D 感知能力。

本项目不仅适合快速验证深度估计效果，也可作为边缘计算、嵌入式AI应用的基础模块。

2. 技术原理详解

2.1 MiDaS 模型的核心机制

MiDaS 的核心思想是统一不同数据集中的深度尺度。由于公开的深度数据集（如 NYU Depth、KITTI、Make3D 等）使用不同的单位和范围表示深度（米、归一化值等），直接训练会导致模型难以泛化。为此，MiDaS 提出了一种“混合深度缩放”策略，在训练过程中自动学习将各种尺度的深度信息对齐到一个统一的相对空间。

其网络架构采用Transformer-based 编码器-解码器结构，具体包括：

主干特征提取器：通常基于 EfficientNet 或 ViT（Vision Transformer），负责从输入图像中提取多层次语义特征。
侧向连接与上采样模块：将深层语义信息与浅层细节融合，逐步恢复空间分辨率。
深度回归头：输出单通道的深度图，数值越大代表越远。

💡 关键创新点：MiDaS 不追求绝对深度（以米为单位），而是预测相对深度关系，这使其在未知场景下仍具有良好的鲁棒性。

2.2 深度热力图的生成逻辑

原始模型输出的是灰度深度图，像素值越高表示距离越远。为了增强可读性和视觉表现力，我们引入了OpenCV 的伪彩色映射（Pseudocolor Mapping）技术，将其转换为热力图。

具体流程如下：

import cv2 import numpy as np def apply_inferno_colormap(depth_map): # 归一化深度图到 [0, 255] depth_normalized = cv2.normalize(depth_map, None, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX) depth_uint8 = depth_normalized.astype(np.uint8) # 应用 Inferno 色彩映射 heatmap = cv2.applyColorMap(depth_uint8, cv2.COLORMAP_INFERNO) return heatmap

其中： -红色/黄色区域：对应较近物体（低深度值，经反转处理后呈现高温色） -紫色/黑色区域：对应远处背景（高深度值，颜色偏冷）

📌 注意：实际显示时通常会对深度图做反色处理，使“近处亮、远处暗”，更符合人类直觉。

3. 工程实现与WebUI集成

3.1 系统架构设计

整个系统的运行流程可分为以下几个阶段：

环境初始化：加载预训练的MiDaS_small模型至 CPU。
图像预处理：调整输入尺寸至 384x384，归一化像素值。
前向推理：执行模型推理，获得深度图张量。
后处理与可视化：将深度图转为 NumPy 数组，应用 Inferno 映射。
WebUI 展示：通过 Flask 构建简易服务端，提供文件上传接口和结果展示页面。

整体架构简洁高效，适用于本地测试或轻量级部署场景。

3.2 核心代码实现

以下是关键部分的完整实现代码：

import torch import torchvision.transforms as T from PIL import Image import cv2 import numpy as np from flask import Flask, request, render_template, send_file import os # 初始化 Flask 应用 app = Flask(__name__) UPLOAD_FOLDER = 'uploads' os.makedirs(UPLOAD_FOLDER, exist_ok=True) # 加载 MiDaS_small 模型 model = torch.hub.load("intel-isl/MiDaS", "MiDaS_small") device = torch.device("cpu") # 使用 CPU 推理 model.to(device) model.eval() # 图像预处理变换 transform = T.Compose([ T.ToTensor(), T.Normalize(mean=[0.485, 0.456, 0.406], std=[0.229, 0.224, 0.225]), ]) @app.route("/", methods=["GET"]) def index(): return render_template("index.html") @app.route("/predict", methods=["POST"]) def predict(): if "file" not in request.files: return "请上传图片", 400 file = request.files["file"] if file.filename == "": return "未选择文件", 400 # 读取图像 image = Image.open(file.stream).convert("RGB") original_size = image.size # 宽, 高 # 预处理 input_tensor = transform(image).unsqueeze(0).to(device) # 推理 with torch.no_grad(): prediction = model(input_tensor) # 后处理：上采样至原图大小 depth_map = ( torch.nn.functional.interpolate( prediction.unsqueeze(1), size=original_size[::-1], # (H, W) mode="bicubic", align_corners=False, ) .squeeze() .cpu() .numpy() ) # 转换为热力图 depth_normalized = cv2.normalize(depth_map, None, 0, 255, cv2.NORM_MINMAX) depth_uint8 = depth_normalized.astype(np.uint8) heatmap = cv2.applyColorMap(depth_uint8, cv2.COLORMAP_INFERNO) # 保存结果 output_path = os.path.join(UPLOAD_FOLDER, "output.png") cv2.imwrite(output_path, heatmap) return send_file(output_path, mimetype="image/png") if __name__ == "__main__": app.run(host="0.0.0.0", port=8080)

代码说明：

使用torch.hub.load直接从官方仓库加载模型，确保来源可靠。
所有操作均在 CPU 上完成，兼容无 GPU 环境。
利用Flask提供 RESTful 接口，前端可通过 HTML 表单上传图片。
输出热力图分辨率与原图一致，提升观感质量。

4. 使用说明与实践建议

4.1 快速启动指南

启动镜像服务
在支持容器化部署的平台上拉取该镜像。
启动后点击提供的 HTTP 访问按钮进入 WebUI 页面。
上传测试图像
建议选择包含明显纵深结构的照片，例如：
- 室内走廊（前景桌椅 vs 远处墙壁）
- 街道街景（近处行人 vs 背景建筑）
- 宠物特写（鼻子突出 vs 耳朵靠后）
提交并查看结果
点击 “📂 上传照片测距” 按钮。
系统将在数秒内返回深度热力图。
解读热力图
🔥红色/黄色区域：表示距离镜头较近的物体表面。
❄️深蓝/紫色区域：表示远离摄像机的背景或远处物体。

4.2 实践优化建议

优化方向	建议
输入图像质量	分辨率不低于 512x512，避免过度模糊或过曝
场景选择	包含丰富纹理和平面结构的场景效果更佳；纯色墙面可能导致误判
性能调优	若需更高精度，可替换为主干更强的`MiDaS_v21`模型（但需 GPU 支持）
部署扩展	可封装为 API 服务，接入移动端或机器人控制系统