快速搭建人臉識別系統(tǒng)方案的研究分析

吳友蘭 胡冬琴 石俊峰

摘要：本文介紹兩種快速搭建人臉識別系統(tǒng)的方法。一種設(shè)計方法以O(shè)penCV視覺庫為核心的人臉識別系統(tǒng)，我們將攝像頭采集的人的面部圖像進(jìn)行灰度化處理、特征值計算，并在此基礎(chǔ)上訓(xùn)練出待測人臉的數(shù)據(jù)模型，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，用以識別出人臉。另一種方法是基于百度云API進(jìn)行人臉檢測，我們靈活利用百度云提供的大量模塊化接口，可快速完成相關(guān)的開發(fā)，大大縮短開發(fā)周期。

關(guān)鍵詞：人臉識別; OpenCV; 人工智能; 嵌入式;

一、引言

人臉識別是獲得人的眼、口、鼻輪廓，從而識別多種人臉屬性。它實現(xiàn)從輸入的人臉圖像或視頻流中檢測和跟蹤人臉，首先判斷其是否存在人臉，如果存在人臉就進(jìn)行預(yù)處理，切割出其中的人臉照片，然后再給出每個人臉的位置、大小和各個主要面部器官的位置信息。最后依據(jù)這些信息，進(jìn)一步提取每個人臉中所包含的身份特征數(shù)據(jù)，并將其與已知的人臉庫中人臉進(jìn)行對比，從而識別不同人臉的身份。人臉識別作為一種生物識別技術(shù)，具有非強(qiáng)制性、非接觸性、并發(fā)性等特點，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。

下面我們介紹二種方法用以快速搭建人臉識別系統(tǒng)，可以把它加載到現(xiàn)有的項目中快速實現(xiàn)人臉比對、人臉識別功能。我們的程序設(shè)計都采用了python語言來實現(xiàn)，如圖1列出了人臉識別系統(tǒng)框圖。

在很多設(shè)計開發(fā)項目中，我們需要通過人臉的比對來進(jìn)行身份的驗證。當(dāng)前主流的人臉識別算法，在進(jìn)行人臉比對時，主要依靠人臉特征值的比對。所謂特征值，即面部特征所組成的信息集，人工智能算法可以很精確的辨別和記住面部特征，從而實現(xiàn)人臉比對，人臉識別。

人臉識別就是給定一張臉，判斷這張臉是誰。人臉識別是需要識別人的的人臉特征與數(shù)據(jù)庫中已獲取到的人臉特征模板進(jìn)行比對，根據(jù)所比較的相似程度對人臉的身份信息進(jìn)行判斷。我們介紹二種方法來快速實現(xiàn)人臉識別和人臉比對。人臉識別步驟包括數(shù)據(jù)收集和預(yù)處理、訓(xùn)練模型、人臉識別三個部分。第一種方法是在本地拍攝待測人臉大約30張照片，照片在不同時間、不同光照、不同表情（睜眼閉眼、笑或者不笑）、不同人臉細(xì)節(jié)（戴眼鏡或者不戴眼鏡）下進(jìn)行采集。然后用OpenCV中FaceRecognizer類對收集的待測人臉照片數(shù)據(jù)進(jìn)行人臉檢測和訓(xùn)練生成人臉數(shù)據(jù)集.yml文件，利用生成的.vml模型文件來實現(xiàn)人臉識別。第二種方法是將自己的照片上傳到百度云平臺上，由百度云平臺負(fù)責(zé)收集你的臉部特征和對模型的訓(xùn)練，并將你攝像頭中所錄取的照片與人臉庫比對從而實現(xiàn)人臉識別的功能。

第一種方法我們利用OpenCV中提供的人臉識別算法來實現(xiàn)人臉檢測識別。OpenCV的全稱是Open Source Computer Vision Library，是一個開放源代碼的計算機(jī)視覺庫，可以運(yùn)行多種操作系統(tǒng)上，我們可以利用OpenCV快速的實現(xiàn)端對端的人臉識別。

實現(xiàn)步驟包括下面三步：

第一步：人臉數(shù)據(jù)圖片的收集和預(yù)處理

數(shù)據(jù)的收集和預(yù)處理就是在得到待測人臉照片之后，對圖片上的人臉進(jìn)行檢測和分割并添加數(shù)據(jù)標(biāo)簽。

執(zhí)行步驟包括：

1.加載分類器，我們調(diào)用opencv中提供的“haarcascade_frontalface_alt2.xml”分類器文件，它對人臉的檢測準(zhǔn)確率和速度都比較好。

2.調(diào)用detectMultiScale（）函數(shù)檢測，調(diào)整函數(shù)的參數(shù)可以使檢測結(jié)果更加精確。

3.把檢測到的人臉用矩形畫出來。

4. 記錄每一個人臉對應(yīng)的標(biāo)簽，就是為每一個人姓名編號。

實現(xiàn)人臉檢測的核心代碼如下：

face_detect = cv2.CascadeClassifier（'haarcascade_frontalface_default.xml'）

faces=face_detect.detectMultiScale（image_gray， scaleFactor=1.15， minNeighbors=5， minSize=（5， 5）） # 檢測人臉

for （x， y， width， height） in faces：# 根據(jù)檢測結(jié)果繪制矩形框

cv2.rectangle（image， （x， y）， （x + width， y + height）， （255， 0， 0）， 2）

cv2.imwrite（"dataset/User."+str（face_id）+'.'+str（count）+".jpg"，gray[y：y+h，x：x+w]）# 記錄人臉標(biāo)簽

第二步：訓(xùn)練模型，圖2是訓(xùn)練人臉模型流程圖如下：

通過樣本和類別標(biāo)簽進(jìn)行訓(xùn)練，得到訓(xùn)練好的人臉模型，將模型保存為.xml文件。

現(xiàn)在待測人臉數(shù)據(jù)集準(zhǔn)備好了，接下來就是訓(xùn)練模型了。這里我們用到了opencv的Facerecognizer類。FaceRecognizer類主要包含了三種人臉識別的方法：基于PCA變換的、基于Fisher變換的和基于局部二值模式的三種方法。

LBPH（Local Binary Pattern Histogram）將檢測到的人臉分為若干個小單元，并將每個小單元與模型中的對應(yīng)單元進(jìn)行比較，對每個區(qū)域進(jìn)行匹配，由所獲得的匹配值產(chǎn)生直方圖。由于這種方法的靈活性，LBPH是唯一允許模型樣本人臉和檢測到的人臉在形狀、大小上可以不同的人臉識別算法。

我們從數(shù)據(jù)集中獲取所有用戶數(shù)據(jù)，并調(diào)用train函數(shù)進(jìn)行并“訓(xùn)練”產(chǎn)生OpenCV 識別器。訓(xùn)練結(jié)束后，會產(chǎn)生一個 .yml 的模型文件，該文件將保存在“trainer/”目錄中，供我們后面做人臉識別測試時用。

第三步：人臉識別、人臉測試

在模型訓(xùn)練好之后我們拿數(shù)據(jù)集中的最后幾張圖片做一個測試，根據(jù)獲得的confidence值確定測試結(jié)果。

調(diào)整后的區(qū)域中調(diào)用 predict（）函數(shù)， 該函數(shù)返回兩個元素的數(shù)組：

第一個元素是所識別個體的標(biāo)簽， 第二個是置信度評分。 所有的算法都有一個置信度評分閾值，置信度評分用來衡量所識別人臉與原模型的差距， 0 表示完全匹配。 可能有時不想保留所有的識別結(jié)果，則需要進(jìn)一步處理，因此可用自己的算法來估算識別的置信度評分。 LBPH一個好的識別參考值要低于 50，任何高于 80 的參考值都會被認(rèn)為是低的置信度評分。

第二種方法我們調(diào)用百度提供的開放人臉api接口，幫助我們快速在自己的系統(tǒng)中集成人臉識別的功能，而且這個接口可以無限次調(diào)用。由于嵌入式開發(fā)系統(tǒng)的性能限制，運(yùn)行神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行人臉模型的訓(xùn)練識別的難度較大，在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中一般采用了百度提供的開源的人臉識別SDK來進(jìn)行人臉的識別和檢測。

開發(fā)步驟如下：

1.在百度智能云上申請注冊，先獲取APPID、API Key和secret key，添加人臉識別功能。

2.下載Python HTTP? SDK安裝百度的api。

輸入以下代碼安裝：pip install baidu-aip

python setup.py install

3.新建分組

4.在分組中創(chuàng)建用戶，用戶名zhangsan，并且添加自己人臉照片進(jìn)去，如在光線條件充足的條件下的正面照、側(cè)面照片，以便識別時能準(zhǔn)確識別。

5.訪問API接口，上傳圖片的URL。

6.獲取返回的信息數(shù)據(jù)

7.操作返回的信息數(shù)據(jù)

利用百度云實現(xiàn)人臉識別的核心代碼如下：

import cv2

import urllib.request

import base64

import time

#百度人臉識別API賬號信息

APP_ID = ‘添加自己創(chuàng)建的百度APPID

API_KEY = ‘添加自己創(chuàng)建的百度API Key

SECRET_KEY =添加自己創(chuàng)建的百度secret key ‘

client = AipFace（APP_ID， API_KEY， SECRET_KEY）#創(chuàng)建一個客戶端用以訪問百度云

#圖像編碼方式

IMAGE_TYPE=BASE64

def go_api（image）：

result = client.search（str（image， ‘utf-8）， IMAGE_TYPE， GROUP）;

if result[‘error_msg] == ‘SUCCESS：

name = result[‘result][‘user_list][0][‘user_id]

score = result[‘result][‘user_list][0][‘score]

if score > 80：#如果相似度大于80

if name == ‘zhangsan：

print（“歡迎%s ！” % name）

time.sleep（3）

return 1

else：

print（“對不起，我不認(rèn)識你！”）

name = ‘Unknow

return 0

while True：

print（‘準(zhǔn)備）

if True：

getimage（）#拍照

img = transimage（）#轉(zhuǎn)換照片格式

res = go_api（img）#將轉(zhuǎn)換了格式的圖片上傳到百度云

time.sleep（3）

以上兩種方法都可以快速實現(xiàn)人臉識別系統(tǒng)的開發(fā)，可識別單張，多張人臉圖片。我們可以根據(jù)項目的需要自行選擇一種方法來實現(xiàn)人臉識別，后期我們可以將計算機(jī)視覺庫移值到嵌入式系統(tǒng)中，可以利用計算機(jī)視覺技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備、機(jī)器人設(shè)備等產(chǎn)品的開發(fā)。

作者單位：吳友蘭? ? 胡冬琴? ? 石俊峰? ? 北京電子科技職業(yè)學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

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