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[人工智能]利用dlib库实现人脸识别

一、代码实现

1.导入包

# 导入包
import numpy as np
import os
import pandas as pd
import cv2
import dlib
import os
from skimage import io
import csv
import sys
import winsound # 系统音效
import time
import random

定义数据存储文件

#存储位置
output_dir = '..\\source\\faces\\data\\zxs'
size = 64
#判断文件夹是否存在,不存在就创建
if not os.path.exists(output_dir):
    os.makedirs(output_dir)

定义函数改变图片的亮度与对比度

# 改变图片的亮度与对比度
def relight(img, light=1, bias=0):
    w = img.shape[1]
    h = img.shape[0]
    #image = []
    for i in range(0,w):
        for j in range(0,h):
            for c in range(3):
                tmp = int(img[j,i,c]*light + bias)
                if tmp > 255:
                    tmp = 255
                elif tmp < 0:
                    tmp = 0
                img[j,i,c] = tmp
    return img

定义函数获得人脸检测器和训练好的人脸68特征点检测器

#获得默认的人脸检测器和训练好的人脸68特征点检测器
def get_detector_and_predicyor():
    #使用dlib自带的frontal_face_detector作为我们的特征提取器
    detector = dlib.get_frontal_face_detector()
    """
    功能:人脸检测画框
    参数:PythonFunction和in Classes
    in classes表示采样次数,次数越多获取的人脸的次数越多,但更容易框错
    返回值是矩形的坐标,每个矩形为一个人脸(默认的人脸检测器)
    """
    #返回训练好的人脸68特征点检测器
    predictor = dlib.shape_predictor('..\\source\\shape_predictor_68_face_landmarks.dat')
    return detector,predictor

获取检测器

#获取检测器
detector,predictor=get_detector_and_predicyor()

读取20张图片,存放到文件夹中,读取完了之后就可以在文件夹中看到图片了

camera = cv2.VideoCapture(0)#打开摄像头
ok=True
# 打开摄像头 参数为输入流,可以为摄像头或视频文件
index=1
while ok:
    #读取图片
    ok,img = camera.read()
     # 转换成灰度图像
    img_gray = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    #使用detector进行人脸检测
    dets=detector(img_gray,1)
    for i, d in enumerate(dets):
        x1 = d.top() if d.top() > 0 else 0
        y1 = d.bottom() if d.bottom() > 0 else 0
        x2 = d.left() if d.left() > 0 else 0
        y2 = d.right() if d.right() > 0 else 0
 
        face = img[x1:y1,x2:y2]
        # 调整图片的对比度与亮度, 对比度与亮度值都取随机数,这样能增加样本的多样性
        face = relight(face, random.uniform(0.5, 1.5), random.randint(-50, 50))
 
        face = cv2.resize(face, (size,size))
 
        cv2.imshow('image', face)
        cv2.imwrite(output_dir+'/'+str(index)+'.jpg', face)
 
        index += 1
    k = cv2.waitKey(1)
    if k == 27:    # press 'ESC' to quit
        break
    if index==21:
        break
camera.release()
cv2.destroyAllWindows()
# 返回单张图像的 128D 特征,128D特征指的是128维特征向量,是通过68个特征点还原出的人脸计算出的
def return_128d_features(path_img):
    img_rd = io.imread(path_img)#读取图片
    img_gray = cv2.cvtColor(img_rd, cv2.COLOR_BGR2RGB)
    faces = detector(img_gray, 1)
    print("%-40s %-20s" % ("检测到人脸的图像 / image with faces detected:", path_img), '\n')

    # 因为有可能截下来的人脸再去检测,检测不出来人脸了
    # 所以要确保是 检测到人脸的人脸图像 拿去算特征
    if len(faces) != 0:
        shape = predictor(img_gray, faces[0])#获得训练好的人脸68特征点检测器
        face_descriptor = face_rec.compute_face_descriptor(img_gray, shape)#获得128维人脸特征向量
    else:
        face_descriptor = 0
        print("no face")

    return face_descriptor

# 将文件夹中照片特征提取出来, 写入 CSV
def return_features_mean_personX(path_faces_personX):
    features_list_personX = []
    photos_list = os.listdir(path_faces_personX)
    print(path_faces_personX + "/" + photos_list[0])
    if photos_list:
        for i in range(len(photos_list)):
            # 调用return_128d_features()得到128d特征
            print("%-40s %-20s" % ("正在读的人脸图像 / image to read:", path_faces_personX + "\\" + photos_list[i]))
            features_128d = return_128d_features(path_faces_personX + "\\" + photos_list[i])
            #  print(features_128d)
            # 遇到没有检测出人脸的图片跳过
            if features_128d == 0:
                i += 1
            else:
                features_list_personX.append(features_128d)
    else:
        print("文件夹内图像文件为空 / Warning: No images in " + path_faces_personX + '/', '\n')

    # 计算 128D 特征的均值
    # N x 128D -> 1 x 128D
    if features_list_personX:
        features_mean_personX = np.array(features_list_personX).mean(axis=0)
    else:
        features_mean_personX = '0'

    return features_mean_personX

读取人脸特征并存入scv文件中

# 读取某人所有的人脸图像的数据
feature_path='..\\source\\faces\\'+'feature\\'+'features_all.csv'
with open(feature_path, "w", newline="") as csvfile:
    writer = csv.writer(csvfile)
    # Get the mean/average features of face/personX, it will be a list with a length of 128D
    features_mean_personX = return_features_mean_personX(output_dir)
    writer.writerow(features_mean_personX)
    print("特征均值 / The mean of features:", list(features_mean_personX))
    print('\n')
    print("所有录入人脸数据存入 ")

进行实时检测了,实时检测要计算欧氏距离,所以先定义一个计算欧氏距离的函数

#计算欧氏距离
def return_euclidean_distance(feature_1, feature_2):
    feature_1 = np.array(feature_1)
    feature_2 = np.array(feature_2)
    dist = np.sqrt(np.sum(np.square(feature_1 - feature_2)))
    return dist

义一些要使用的变量,人脸检测器记得重定义一下,不重定义识别可能有问题

# 用来存放所有录入人脸特征的数组
# the array to save the features of faces in the database
features_known_arr = []
#读取人脸数据集
csv_rd = pd.read_csv(feature_path, header=None)
#重定义检测器
detector = dlib.get_frontal_face_detector()
#将数据集保存在list里
for i in range(csv_rd.shape[0]):
    features_someone_arr = []
    for j in range(0, len(csv_rd.iloc[i, :])):
        features_someone_arr.append(csv_rd.iloc[i, :][j])
    features_known_arr.append(features_someone_arr)
print("Faces in Database:", len(features_known_arr))

实时检测并保存检测的图片

#创建cv2摄像头对象
cap = cv2.VideoCapture(0)
# 设置视频参数,propId 设置的视频参数,value 设置的参数值
cap.set(3, 480)
while cap.isOpened():

    flag, img_rd = cap.read()
    kk = cv2.waitKey(1)

    # 取灰度
    img_gray = cv2.cvtColor(img_rd, cv2.COLOR_RGB2GRAY)

    # 人脸数 faces
    faces = detector(img_gray, 0)

    # 待会要写的字体 font to write later
    font = cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX

    # 存储当前摄像头中捕获到的所有人脸的坐标/名字
    # the list to save the positions and names of current faces captured
    pos_namelist = []
    name_namelist = []

    # 按下 q 键退出
    # press 'q' to exit
    if kk == ord('q'):
        break
    else:
        # 检测到人脸 when face detected
        if len(faces) != 0:  
            # 获取当前捕获到的图像的所有人脸的特征,存储到 features_cap_arr
            # get the features captured and save into features_cap_arr
            features_cap_arr = []
            for i in range(len(faces)):
                shape = predictor(img_rd, faces[i])
                features_cap_arr.append(face_rec.compute_face_descriptor(img_rd, shape))

            # 遍历捕获到的图像中所有的人脸
            # traversal all the faces in the database
            for k in range(len(faces)):
                print("##### camera person", k+1, "#####")
                # 让人名跟随在矩形框的下方
                # 确定人名的位置坐标
                # 先默认所有人不认识,是 unknown
                # set the default names of faces with "unknown"
                name_namelist.append("unknown")

                # 每个捕获人脸的名字坐标 the positions of faces captured
                pos_namelist.append(tuple([faces[k].left(), int(faces[k].bottom() + (faces[k].bottom() - faces[k].top())/4)]))

                # 对于某张人脸,遍历所有存储的人脸特征
                # for every faces detected, compare the faces in the database
                e_distance_list = []
                for i in range(len(features_known_arr)):
                    # 如果 person_X 数据不为空
                    if str(features_known_arr[i][0]) != '0.0':
                        print("with person", str(i + 1), "the e distance: ", end='')
                        e_distance_tmp = return_euclidean_distance(features_cap_arr[k], features_known_arr[i])
                        print(e_distance_tmp)
                        e_distance_list.append(e_distance_tmp)
                    else:
                        # 空数据 person_X
                        e_distance_list.append(999999999)
                # 找出最接近的一个人脸数据是第几个
                # Find the one with minimum e distance
                similar_person_num = e_distance_list.index(min(e_distance_list))
                print("Minimum e distance with person", int(similar_person_num)+1)
                
                # 计算人脸识别特征与数据集特征的欧氏距离
                # 距离小于0.4则标出为可识别人物
                if min(e_distance_list) < 0.4:
                    # 这里可以修改摄像头中标出的人名
                    # Here you can modify the names shown on the camera
                    # 1、遍历文件夹目录
                    folder_name = '..\\source\\faces\\data'
                    # 最接近的人脸
                    sum=similar_person_num+1
                    key_id=1 # 从第一个人脸数据文件夹进行对比
                    # 获取文件夹中的文件名:LQH、YYQX、WY、WL...
                    file_names = os.listdir(folder_name)
                    for name in file_names:
                        # print(name+'->'+str(key_id))
                        if sum ==key_id:
                            #winsound.Beep(300,500)# 响铃:300频率,500持续时间
                            name_namelist[k] = name[0:]#人名删去第一个数字(用于视频输出标识)
                        key_id += 1
                    # 播放欢迎光临音效
                    #playsound('D:/myworkspace/JupyterNotebook/People/music/welcome.wav')
                    # print("May be person "+str(int(similar_person_num)+1))
                    # -----------筛选出人脸并保存到visitor文件夹------------
                    for i, d in enumerate(faces):
                        x1 = d.top() if d.top() > 0 else 0
                        y1 = d.bottom() if d.bottom() > 0 else 0
                        x2 = d.left() if d.left() > 0 else 0
                        y2 = d.right() if d.right() > 0 else 0
                        face = img_rd[x1:y1,x2:y2]
                        size = 64
                        face = cv2.resize(face, (size,size))
                        # 要存储visitor人脸图像文件的路径
                        path_visitors_save_dir = "..\\source\\faces\\visitor\\know"
                        # 存储格式:2019-06-24-14-33-40LQH.jpg
                        now_time = time.strftime("%Y-%m-%d-%H-%M-%S", time.localtime())
                        save_name = str(now_time)+str(name_namelist[k])+'.jpg'
                        
                        # print(save_name)
                        # 本次图片保存的完整url
                        save_path = path_visitors_save_dir+'\\'+ save_name    
                        # 遍历visitor文件夹所有文件名
                        visitor_names = os.listdir(path_visitors_save_dir)
                        visitor_name=''
                        for name in visitor_names:
                            # 名字切片到分钟数:2019-06-26-11-33-00LQH.jpg
                            visitor_name=(name[0:16]+'-00'+name[19:])
                        # print(visitor_name)
                        visitor_save=(save_name[0:16]+'-00'+save_name[19:])
                        # print(visitor_save)
                        # 一分钟之内重复的人名不保存
                        if visitor_save!=visitor_name:
                            cv2.imwrite(save_path, face)
                            print('新存储:'+path_visitors_save_dir+'/'+str(now_time)+str(name_namelist[k])+'.jpg')
                        else:
                            print('重复,未保存!')
                            
                            
                else:
                    # 播放无法识别音效
                    #playsound('D:/myworkspace/JupyterNotebook/People/music/sorry.wav')
                    print("Unknown person")
                    # -----保存图片-------
                    # -----------筛选出人脸并保存到visitor文件夹------------
                    for i, d in enumerate(faces):
                        x1 = d.top() if d.top() > 0 else 0
                        y1 = d.bottom() if d.bottom() > 0 else 0
                        x2 = d.left() if d.left() > 0 else 0
                        y2 = d.right() if d.right() > 0 else 0
                        face = img_rd[x1:y1,x2:y2]
                        size = 64
                        face = cv2.resize(face, (size,size))
                        # 要存储visitor-》unknown人脸图像文件的路径
                        path_visitors_save_dir = "..\\source\\faces\\visitor\\unknow"
                        # 存储格式:2019-06-24-14-33-40unknown.jpg
                        now_time = time.strftime("%Y-%m-%d-%H-%M-%S", time.localtime())
                        # print(save_name)
                        # 本次图片保存的完整url
                        save_path = path_visitors_save_dir+'\\'+ str(now_time)+'unknown.jpg'
                        print(save_path)
                        cv2.imwrite(save_path, face)
                        print('新存储:'+path_visitors_save_dir+'/'+str(now_time)+'unknown.jpg')
                
                # 矩形框
                # draw rectangle
                for kk, d in enumerate(faces):
                    # 绘制矩形框
                    cv2.rectangle(img_rd, tuple([d.left(), d.top()]), tuple([d.right(), d.bottom()]), (0, 255, 255), 2)
                print('\n')

            # 在人脸框下面写人脸名字
            # write names under rectangle
            for i in range(len(faces)):
                cv2.putText(img_rd, name_namelist[i], pos_namelist[i], font, 0.8, (0, 255, 255), 1, cv2.LINE_AA)

    print("Faces in camera now:", name_namelist, "\n")

    #cv2.putText(img_rd, "Press 'q': Quit", (20, 450), font, 0.8, (84, 255, 159), 1, cv2.LINE_AA)
    cv2.putText(img_rd, "Face Recognition", (20, 40), font, 1, (0, 0, 255), 1, cv2.LINE_AA)
    cv2.putText(img_rd, "Visitors: " + str(len(faces)), (20, 100), font, 1, (0, 0, 255), 1, cv2.LINE_AA)

    # 窗口显示 show with opencv
    cv2.imshow("camera", img_rd)

# 释放摄像头 release camera
cap.release()

# 删除建立的窗口 delete all the windows
cv2.destroyAllWindows()

效果

?二、总结

128D特征向量并不是通过68个特征点计算出,而是通过68个特征点还原出脸,再通过神经网络来计算的

三、参考

利用dlib库实现人脸识别

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