树莓派上使用OpenCV和Python实现实时人脸检测

本文介绍了如何在树莓派上,使用 OpenCV 和 Python 完成人脸检测项目。该项目不仅描述了识别人脸所需要的具体步骤,同时还提供了很多扩展知识。此外,该项目并不需要读者了解详细的人脸识别理论知识,因此初学者也能轻松跟着步骤实现。

项目所需设备

硬件:

树莓派 3 Model B;

树莓派摄像头模块(PiCam)。

语言和库:

OpenCV

Python 3

步骤

本文主要讲述如何使用 PiCam 实现实时人脸识别,如下图所示:

本教程使用 OpenCV 完成,一个神奇的「开源计算机视觉库」,并主要关注树莓派(因此,操作系统是树莓派系统)和 Python,但是我也在 Mac 电脑上测试了代码,同样运行很好。OpenCV 具备很强的计算效率,且专门用于实时应用。因此,它非常适合使用摄像头的实时人脸识别。要创建完整的人脸识别项目,我们必须完成3个阶段:

1)人脸检测和数据收集;

2)训练识别器;

3)人脸识别。

如下图所示:

第1步:材料清单

主件:

树莓派 V3:283 RMB(淘宝)

500 万像素 1080p 传感器 OV5647 迷你摄像头模块:83 RMB(淘宝)

第2步:安装OpenCV 3包

我使用的是更新了最新版树莓派系统(Stretch)的树莓派 V3,因此安装 OpenCV 的最佳方式是按照 Adrian Rosebrock 写的教程来进行:《Raspbian Stretch: Install OpenCV 3 + Python on your Raspberry Pi》。经过几次尝试后,我觉得Adrian的教程最好,建议按照该教程一步步来安装。

完成上述教程之后,你应该安装好了 OpenCV 虚拟环境,可用于在树莓派设备上运行本次实验。

我们来到虚拟环境,确认 OpenCV 3 已经正确安装。

Adrian 推荐在每次打开新的终端时都运行命令行「source」,以确保系统变量都得到正确设置。

source ~/.profile

然后,我们进入虚拟环境:

workon cv

如果你看到 (cv) 出现在提示符之前,那么你就进入了 cv 虚拟环境:

(cv) pi@raspberry:~$

Adrian 希望大家注意 cv Python 虚拟环境是完全独立的,且与 Raspbian Stretch 中包含的默认 Python 版本彼此隔绝。因此,全局站点包目录中的任意 Python 包对于 cv 虚拟环境而言都是不可用的。类似地,cv 站点包中的任意 Python 包对于全局 Python 包安装也都是不可用的。

现在,进入 Python 解释器:

python

确认你正在运行3.5(或以上)版本。

在解释器内部(将出现》》》),导入 OpenCV 库:

importcv2

如果没有错误信息,则 OpenCV 已在你的 Python 虚拟环境中正确安装。

你还可以检查已安装的 OpenCV 版本:

cv2.__version__

将会出现3.3.0(或未来有可能发布更高版本)。

上面的终端截图显示了以上步骤。

第3步:测试摄像头

在树莓派上安装 OpenCV 之后,我们测试一下,以确认摄像头正常运转。假设你已经在树莓派上安装了 PiCam。

在 IDE 中输入下列 Python 代码:

importnumpy asnp

importcv2

cap = cv2.VideoCapture(0)

cap.set(3,640) # set Width

cap.set(4,480) # set Height

while(True):

ret, frame = cap.read()

frame = cv2.flip(frame, -1) # Flip camera vertically

gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

cv2.imshow(‘frame’, frame)

cv2.imshow(‘gray’, gray)

k = cv2.waitKey(30) & 0xff

ifk == 27: # press ‘ESC’ to quit

break

cap.release()

cv2.destroyAllWindows()

上面的代码可捕捉PiCam生成的视频流,用BGR颜色和灰色模式展示。

注意:我按照组装方式垂直旋转了摄像头。如果你的情况并非如此,那么注释或删除「flip」命令行。

你还可以从我的 GitHub 下载代码:https://github.com/Mjrovai/OpenCV-Object-Face-Tracking/blob/master/simpleCamTest.py

输入下面的命令行,开始执行:

python simpleCamTest.py

要完成该程序,你必须在键盘上按 [ESC] 键。在按 [ESC] 键之前,先鼠标点击视频窗口。

上图展示了结果。

想更多地了解 OpenCV,请查看该教程:https://pythonprogramming.net/loading-video-python-opencv-tutorial/

第4步:人脸检测

人脸识别的最基础任务是「人脸检测」。你必须首先「捕捉」人脸(第 1 阶段)才能在未来与捕捉到的新人脸对比时(第 3 阶段)识别它。

最常见的人脸检测方式是使用「Haar 级联分类器」。使用基于 Haar 特征的级联分类器的目标检测是 Paul Viola 和 Michael Jones 2001 年在论文《Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple Features》中提出的一种高效目标检测方法。这种机器学习方法基于大量正面、负面图像训练级联函数,然后用于检测其他图像中的对象。这里,我们将用它进行人脸识别。最初,该算法需要大量正类图像(人脸图像)和负类图像(不带人脸的图像)来训练分类器。然后我们需要从中提取特征。好消息是 OpenCV 具备训练器和检测器。如果你想要训练自己的对象分类器,如汽车、飞机等,你可以使用 OpenCV 创建一个。

详情参见:https://docs.opencv.org/3.3.0/dc/d88/tutorial_traincascade.html。

如果不想创建自己的分类器,OpenCV 也包含很多预训练分类器,可用于人脸、眼睛、笑容等的检测。相关的 XML 文件可从该目录下载:https://github.com/Itseez/opencv/tree/master/data/haarcascades。

下面,我们就开始用 OpenCV 创建人脸检测器吧!

从我的 GitHub 下载文件 faceDetection.py:https://github.com/Mjrovai/OpenCV-Face-Recognition/blob/master/FaceDetection/faceDetection.py。

importnumpy asnp

importcv2

faceCascade = cv2.CascadeClassifier(‘Cascades/haarcascade_frontalface_default.xml’)

cap = cv2.VideoCapture(0)

cap.set(3,640) # set Width

cap.set(4,480) # set Height

whileTrue:

ret, img = cap.read()

img = cv2.flip(img, -1)

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

faces = faceCascade.detectMultiScale(

gray,

scaleFactor=1.2,

minNeighbors=5,

minSize=(20, 20)

)

for(x,y,w,h) infaces:

cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(255,0,0),2)

roi_gray = gray[y:y+h, x:x+w]

roi_color = img[y:y+h, x:x+w]

cv2.imshow(‘video’,img)

k = cv2.waitKey(30) & 0xff

ifk == 27: # press ‘ESC’ to quit

break

cap.release()

cv2.destroyAllWindows()

使用 Python 和 OpenCV 执行人脸检测,上面的几行代码就足够了。注意下面的代码:

faceCascade = cv2.CascadeClassifier(‘Cascades/haarcascade_frontalface_default.xml’)

这行代码可以加载「分类器」(必须在项目文件夹下面的 Cascades/目录中)。然后,我们在在循环内部调用摄像头,并以 grayscale 模式加载我们的输入视频。现在,我们必须调用分类器函数,向其输入一些非常重要的参数,如比例因子、邻近数和人脸检测的最小尺寸。

faces = faceCascade.detectMultiScale(

gray,

scaleFactor=1.2,

minNeighbors=5,

minSize=(20, 20)

)

其中:

gray 表示输入 grayscale 图像。

scaleFactor 表示每个图像缩减的比例大小。

minNeighbors 表示每个备选矩形框具备的邻近数量。数字越大,假正类越少。

minSize 表示人脸识别的最小矩形大小。

该函数将检测图像中的人脸。接下来,我们必须「标记」图像中的人脸,比如,用蓝色矩形。使用下列代码完成这一步:

for(x,y,w,h) infaces:

cv2.rectangle(img,(x,y),(x+w,y+h),(255,0,0),2)

roi_gray = gray[y:y+h, x:x+w]

roi_color = img[y:y+h, x:x+w]

如果已经标记好人脸,则函数将检测到的人脸的位置返回为一个矩形,左上角 (x,y),w 表示宽度,h 表示高度 ==》 (x,y,w,h)。详见下图。

得到这些位置信息后,我们可以为人脸创建一个「感兴趣区域」(绘制矩形),用 imshow() 函数呈现结果。使用树莓派终端,在你的 Python 环境中运行上面的 Python 脚本:

python faceDetection.py

结果如下:

你也可以加入诸如「眼睛检测」甚至「微笑检测」这样的检测器。在那些用例中,你需要把分类器函数和矩形框内加入原有的面部识别区域中,因为在区域外进行识别没有意义。

注意,在树莓派上,分类方法(HaarCascades)会消耗大量算力,所以在同一代码中使用多个分类器将会显著减慢处理速度。在台式机上运行这些算法则非常容易。

在我的 GitHub上你可以看到另外的例子:

faceEyeDetection.py

faceSmileDetection.py

faceSmileEyeDetection.py

在下图中,你可以看到我们的结果:

要想深入理解面部识别,可以参考这一教程:https://pythonprogramming.net/haar-cascade-face-eye-detection-python-opencv-tutorial/

第5步:收集数据

我推荐各位读者可以查看以下两个关于人脸识别的教程:

使用 OpenCV 和 Python 从头实现人脸识别:https://www.superdatascience.com/opencv-face-recognition/

理解人脸识别:https://thecodacus.com/category/opencv/face-recognition/

现在,我们项目的第一步是创建一个简单的数据集,该数据集将储存每张人脸的 ID 和一组用于人脸检测的灰度图。

因此,以下命令行将为我们的项目创建一个目录,目录名可以如以下为 FacialRecognitionProject 或其它:

mkdir FacialRecognitionProject

在该目录中,除了我们为项目创建的 3 个 Python 脚本外,我们还需要储存人脸分类器。我们可以从 GitHub 中下载:haarcascade_frontalface_default.xml。

下一步需要创建一个子目录「dtatset」,并用它来储存人脸样本:

mkdir dataset

然后从我的 GitHub 中下载代码 01_face_dataset.py。

importcv2

importos

cam = cv2.VideoCapture(0)

cam.set(3, 640) # set video width

cam.set(4, 480) # set video height

face_detector = cv2.CascadeClassifier(‘haarcascade_frontalface_default.xml’)

# For each person, enter one numeric face id

face_id = input(‘n enter user id end press 《return》 ==》 ’)

print(“n [INFO] Initializing face capture. Look the camera and wait 。。。”)

# Initialize individual sampling face count

count = 0

while(True):

ret, img = cam.read()

img = cv2.flip(img, -1) # flip video image vertically

gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)

faces = face_detector.detectMultiScale(gray, 1.3, 5)

for(x,y,w,h) infaces:

cv2.rectangle(img, (x,y), (x+w,y+h), (255,0,0), 2)

count += 1

# Save the captured image into the datasets folder

cv2.imwrite(“dataset/User.”+ str(face_id) + ‘。’+ str(count) + “.jpg”, gray[y:y+h,x:x+w])

cv2.imshow(‘image’, img)

k = cv2.waitKey(100) & 0xff# Press ‘ESC’ for exiting video

ifk == 27:

break

elifcount 》= 30: # Take 30 face sample and stop video

break

# Do a bit of cleanup

print(“n [INFO] Exiting Program and cleanup stuff”)

cam.release()

cv2.destroyAllWindows()

上述的代码和人脸识别的代码非常像,我们只是添加了一个「input command」来捕捉用户 ID(整数)。

face_id = input(‘n enter user id end press ==》 ’)

对于每一个捕捉的帧,我们应该在「dataset」目录中保存为文档:

cv2.imwrite(“dataset/User.”+ str(face_id) + ‘。’+ str(count) + “.jpg”, gray[y:y+h,x:x+w])

对于保存上述文件,我们需要导入「os」库,每一个文件的名字都服从以下结构:

User.face_id.count.jpg

例如,对于 face_id = 1 的用户,dataset/ 目录下的第四个样本文件名可能为:

User.1.4.jpg

在我的树莓派中,该图像可以打开为:

在我的代码中,我从每一个 ID 捕捉 30 个样本,我们能在最后一个条件语句中修改抽取的样本数。如果我们希望识别新的用户或修改已存在用户的相片,我们就必须以上脚本。

第六步:训练

在第二阶段中,我们需要从数据集中抽取所有的用户数据,并训练 OpenCV 识别器,这一过程可由特定的 OpenCV 函数直接完成。这一步将在「trainer/」目录中保存为.yml 文件。

所以,下面开始创建子目录以储存训练数据:

mkdir trainer

从我的 GitHub 中下载第二个 Python 脚本:02_face_training.py。

importcv2

importnumpy asnp

fromPIL importImage

importos

# Path for face image database

path = ‘dataset’

recognizer = cv2.face.LBPHFaceRecognizer_create()

detector = cv2.CascadeClassifier(“haarcascade_frontalface_default.xml”);

# function to get the images and label data

defgetImagesAndLabels(path):

imagePaths = [os.path.join(path,f) forf inos.listdir(path)]

faceSamples=[]

ids = []

forimagePath inimagePaths:

PIL_img = Image.open(imagePath).convert(‘L’) # convert it to grayscale

img_numpy = np.array(PIL_img,‘uint8’)

id = int(os.path.split(imagePath)[-1].split(“。”)[1])

faces = detector.detectMultiScale(img_numpy)

for(x,y,w,h) infaces:

faceSamples.append(img_numpy[y:y+h,x:x+w])

ids.append(id)

returnfaceSamples,ids

print(“n [INFO] Training faces. It will take a few seconds. Wait 。。。”)

faces,ids = getImagesAndLabels(path)

recognizer.train(faces, np.array(ids))

# Save the model into trainer/trainer.yml

recognizer.write(‘trainer/trainer.yml’) # recognizer.save() worked on Mac, but not on Pi

# Print the numer of faces trained and end program

print(“n [INFO] {0} faces trained. Exiting Program”.format(len(np.unique(ids))))

确定在 Rpi 中已经安装了 PIL 库,如果没有的话,在终端运行以下命令:

pip install pillow

我们将使用 LBPH(LOCAL BINARY PATTERNS HISTOGRAMS)人脸识别器,它由 OpenCV 提供:

recognizer = cv2.face.LBPHFaceRecognizer_create()

函数「getImagesAndLabels (path)」将抽取所有在目录「dataset/」中的照片,并返回 2 个数组:「Ids」和「faces」。通过将这些数组作为输入,我们就可以训练识别器。

recognizer.train(faces, ids)

在训练过后,文件「trainer.yml」将保存在我们前面定义的 trainer 目录下。此外,我们还在最后使用了 print 函数以确认已经训练的用户面部数量。

第7步:识别器

这是该项目的最后阶段。这里,我们将通过摄像头捕捉一个新人脸,如果这个人的面孔之前被捕捉和训练过,我们的识别器将会返回其预测的 id 和索引,并展示识别器对于该判断有多大的信心。

让我们从 GitHub 03_face_recognition.py 上下载第三阶段的 python 脚本。

importcv2

importnumpy asnp

importos

recognizer = cv2.face.LBPHFaceRecognizer_create()

recognizer.read(‘trainer/trainer.yml’)

cascadePath = “haarcascade_frontalface_default.xml”

faceCascade = cv2.CascadeClassifier(cascadePath);

font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX

#iniciate id counter

id = 0

# names related to ids: example ==》 Marcelo: id=1, etc

names = [‘None’, ‘Marcelo’, ‘Paula’, ‘Ilza’, ‘Z’, ‘W’]

# Initialize and start realtime video capture

cam = cv2.VideoCapture(0)

cam.set(3, 640) # set video widht

cam.set(4, 480) # set video height

# Define min window size to be recognized as a face

minW = 0.1*cam.get(3)

minH = 0.1*cam.get(4)

whileTrue:

ret, img =cam.read()

img = cv2.flip(img, -1) # Flip vertically

gray = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)

faces = faceCascade.detectMultiScale(

gray,

scaleFactor = 1.2,

minNeighbors = 5,

minSize = (int(minW), int(minH)),

)

for(x,y,w,h) infaces:

cv2.rectangle(img, (x,y), (x+w,y+h), (0,255,0), 2)

id, confidence = recognizer.predict(gray[y:y+h,x:x+w])

# Check if confidence is less them 100 ==》 “0” is perfect match

if(confidence 《 100):

id = names[id]

confidence = “ {0}%”.format(round(100- confidence))

else:

id = “unknown”

confidence = “ {0}%”.format(round(100- confidence))

cv2.putText(img, str(id), (x+5,y-5), font, 1, (255,255,255), 2)

cv2.putText(img, str(confidence), (x+5,y+h-5), font, 1, (255,255,0), 1)

cv2.imshow(‘camera’,img)

k = cv2.waitKey(10) & 0xff# Press ‘ESC’ for exiting video

ifk == 27:

break

# Do a bit of cleanup

print(“n [INFO] Exiting Program and cleanup stuff”)

cam.release()

cv2.destroyAllWindows()

这里我们包含了一个新数组,因此我们将会展示「名称」,而不是编号的 id:

names = [‘None’, ‘Marcelo’, ‘Paula’, ‘Ilza’, ‘Z’, ‘W’]

所以,如上所示的列表,Marcelo 的 ID 或索引为 1,Paula 的 ID 等于 2。

下一步,我们将检测一张人脸,正如我们在之前的 haasCascade 分类器中所做的那样。

id, confidence = recognizer.predict(gray portion of the face)

recognizer.predict () 将把待分析人脸的已捕捉部分作为一个参数,并返回其可能的所有者,指示其 id 以及识别器与这一匹配相关的置信度。

注意,如果匹配是完美的,置信度指数将返回「零」。

最后,如果识别器可以预测人脸,我们将在图像上放置一个文本,带有可能的 id,以及匹配是否正确的概率(概率=100 - 置信度指数)。如果没有,则把「未知」的标签放在人脸上。

下面是这一结果的图片:

在这张图像上,我展示了一些由该项目完成的测试,其中我也使用图像验证识别器是否有效。

第 8 步:结语

我希望该项目能帮助其他人发现更好玩的项目,也希望有助于各位读者实现自己的人脸识别应用。