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詳解Python實(shí)現(xiàn)進(jìn)階版人臉識別

詳解Python實(shí)現(xiàn)進(jìn)階版人臉識別

2022-01-10 14:34·Python可樂

使用到的庫: dlib+Opencv python版本: 3.8 編譯環(huán)境: Jupyter Notebook (Anaconda3)

0.Dlib人臉特征檢測原理

  • 提取特征點(diǎn):請參考

  • 首選抓取多張圖片,從中獲取特征數(shù)據(jù)集和平均特征值然后寫入 csv 文件 - 計(jì)算特征數(shù)據(jù)集的歐式距離作對比:首先使用Opencv庫將攝像頭中的人臉框出來,再將攝像頭中采取到的人臉特征值與數(shù)據(jù)集中的每個人的特征均值作對比,選取最接近(歐氏距離最小)的值,將其標(biāo)注為歐氏距離最小的數(shù)據(jù)集的人名

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一、構(gòu)建人臉特征數(shù)據(jù)集

1. 安裝Dlib

請參考

2. 構(gòu)建自己的數(shù)據(jù)集

2.1 抓取人臉圖片

在視頻流中抓取人臉特征,并保存為 256*256 大小的圖片文件共20張,這就是我們建立數(shù)據(jù)集的第一步,用來訓(xùn)練人臉識別。

不一定是256*256的尺寸,可以根據(jù)自己的需求來調(diào)整大小,圖片越大訓(xùn)練結(jié)果會愈加精確,但也會影響訓(xùn)練模型的時間。

其中:

  • 光線:曝光和黑暗的圖片需手動剔除- 請使用同一個設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,不同設(shè)備的攝像頭采集到的數(shù)據(jù)集會有出入- 這里采用的是從視頻流中進(jìn)行捕捉截圖,也可以自己準(zhǔn)備20張左右的人臉圖片

代碼:

import cv2  import dlib  import os  import sys  import random  # 存儲位置  output_dir = 'D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/Facetrainset/Num&Name' #這里填編號+人名  size = 256 #圖片邊長  if not os.path.exists(output_dir):  
    os.makedirs(output_dir)  # 改變圖片的亮度與對比度  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  #使用dlib自帶的frontal_face_detector作為我們的特征提取器  detector = dlib.get_frontal_face_detector()  # 打開攝像頭 參數(shù)為輸入流,可以為攝像頭或視頻文件  camera = cv2.VideoCapture(0)  #camera = cv2.VideoCapture('C:/Users/CUNGU/Videos/Captures/wang.mp4')  index = 1  while True:  
    if (index <= 20):#存儲15張人臉特征圖像  
        print('Being processed picture %s' % index)          # 從攝像頭讀取照片  
        success, img = camera.read()          # 轉(zhuǎn)為灰度圖片  
        gray_img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)          # 使用detector進(jìn)行人臉檢測  
        dets = detector(gray_img, 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]              # 調(diào)整圖片的對比度與亮度, 對比度與亮度值都取隨機(jī)數(shù),這樣能增加樣本的多樣性  
            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  
        key = cv2.waitKey(30) & 0xff  
        if key == 27:  
            break  
    else:  
        print('Finished!')          # 釋放攝像頭 release camera  
        camera.release()          # 刪除建立的窗口 delete all the windows  
        cv2.destroyAllWindows()  
        break

運(yùn)行效果:

2.2 分析每張人臉的特征值并存入csv文件

根據(jù)抓取的圖片和人臉識別模型->訓(xùn)練得到的20個的68個特征數(shù)據(jù)集以及1個平均特征值存入csv文件

每張圖片的68個特征數(shù)據(jù)集可以不用存取,他們只是中間量,計(jì)算平均值以后就可以拋棄了,這里把他們輸出出來只是為了方便學(xué)習(xí)。

代碼:

# 從人臉圖像文件中提取人臉特征存入 CSV  # Features extraction from images and save into features_all.csv  # return_128d_features()          獲取某張圖像的128D特征  # compute_the_mean()              計(jì)算128D特征均值  from cv2 import cv2 as cv2  
import os  
import dlib  
from skimage import io  
import csv  
import numpy as np  

# 要讀取人臉圖像文件的路徑  path_images_from_camera = "D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/Facetrainset/"  # Dlib 正向人臉檢測器  detector = dlib.get_frontal_face_detector()  

# Dlib 人臉預(yù)測器  predictor = dlib.shape_predictor("D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/model/shape_predictor_68_face_landmarks.dat")  

# Dlib 人臉識別模型  # Face recognition model, the object maps human faces into 128D vectors  face_rec = dlib.face_recognition_model_v1("D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/model/dlib_face_recognition_resnet_model_v1.dat")  


# 返回單張圖像的 128D 特征  def return_128d_features(path_img):  
    img_rd = io.imread(path_img)  
    img_gray = cv2.cvtColor(img_rd, cv2.COLOR_BGR2RGB)  
    faces = detector(img_gray, 1)  

    print("%-40s %-20s" % ("檢測到人臉的圖像 / image with faces detected:", path_img), '\n')  

    # 因?yàn)橛锌赡芙叵聛淼娜四樤偃z測,檢測不出來人臉了  
    # 所以要確保是 檢測到人臉的人臉圖像 拿去算特征  
    if len(faces) != 0:  
        shape = predictor(img_gray, faces[0])  
        face_descriptor = face_rec.compute_face_descriptor(img_gray, shape)  
    else:  
        face_descriptor = 0  
        print("no face")  

    return face_descriptor  


# 將文件夾中照片特征提取出來, 寫入 CSV  def return_features_mean_personX(path_faces_personX):  
    features_list_personX = []  
    photos_list = os.listdir(path_faces_personX)  
    if photos_list:  
        for i in range(len(photos_list)):  
            with open("D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/feature/featuresGiao"+str(i)+".csv", "w", newline="") as csvfile:  
                writer = csv.writer(csvfile)  
            # 調(diào)用return_128d_features()得到128d特征  
                print("%-40s %-20s" % ("正在讀的人臉圖像 / image to read:", path_faces_personX + "/" + photos_list[i]))  
                features_128d = return_128d_features(path_faces_personX + "/" + photos_list[i])  
                print(features_128d)  
                writer.writerow(features_128d)  
            # 遇到?jīng)]有檢測出人臉的圖片跳過  
                if features_128d == 0:  
                    i += 1  
                else:  
                    features_list_personX.append(features_128d)  
    else:  
        print("文件夾內(nèi)圖像文件為空 / Warning: No images in " + path_faces_personX + '/', '\n')  

    # 計(jì)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  


# 讀取某人所有的人臉圖像的數(shù)據(jù)  people = os.listdir(path_images_from_camera)  
people.sort()  

with open("D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/feature/features_all.csv", "w", newline="") as csvfile:  
    writer = csv.writer(csvfile)  
    for person in people:  
        print("##### " + person + " #####")  
        # 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(path_images_from_camera + person)  
        writer.writerow(features_mean_personX)  
        print("特征均值 / The mean of features:", list(features_mean_personX))  
        print('\n')  
    print("所有錄入人臉數(shù)據(jù)存入 / Save all the features of faces registered into: D:/myworkspace/JupyterNotebook/People/feature/features_all2.csv")

如果要輸出每一張圖片的特征數(shù)據(jù)集,這里要用到Python的文件批量生成。

代碼運(yùn)行效果

二、識別人臉并匹配數(shù)據(jù)集

1. 原理:

通過計(jì)算特征數(shù)據(jù)集的 歐氏距離 作對比來識別人臉,取歐氏距離最小的數(shù)據(jù)集進(jìn)行匹配。

歐氏距離也稱歐幾里得距離或歐幾里得度量,是一個通常采用的距離定義,它是在m維空間中兩個點(diǎn)之間的真實(shí)距離。在二維和三維空間中的歐氏距離的就是兩點(diǎn)之間的距離。使用這個距離,歐氏空間成為度量空間。相關(guān)聯(lián)的范數(shù)稱為歐幾里得范數(shù)。較早的文獻(xiàn)稱之為畢達(dá)哥拉斯度量。二維空間公式:

2. 視頻流實(shí)時識別人臉數(shù)據(jù)

代碼:

# 攝像頭實(shí)時人臉識別  import os  
import dlib          # 人臉處理的庫 Dlib  import csv # 存入表格  import time  
import sys  
import numpy as np   # 數(shù)據(jù)處理的庫 numpy  from cv2 import cv2 as cv2           # 圖像處理的庫 OpenCv  import pandas as pd  # 數(shù)據(jù)處理的庫 Pandas  # 人臉識別模型,提取128D的特征矢量  # face recognition model, the object maps human faces into 128D vectors  # Refer this tutorial: http://dlib.net/python/index.html#dlib.face_recognition_model_v1  facerec = dlib.face_recognition_model_v1("D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/model/dlib_face_recognition_resnet_model_v1.dat")  


# 計(jì)算兩個128D向量間的歐式距離  # compute the e-distance between two 128D features  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  


# 處理存放所有人臉特征的 csv  path_features_known_csv = "D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/feature/features_all.csv"  
csv_rd = pd.read_csv(path_features_known_csv, header=None)  


# 用來存放所有錄入人臉特征的數(shù)組  # the array to save the features of faces in the database  features_known_arr = []  

# 讀取已知人臉數(shù)據(jù)  # print known faces  for i in range(csv_rd.shape[0]):  
    features_someone_arr = []  
    for j in range(0, len(csv_rd.loc[i, :])):  
        features_someone_arr.append(csv_rd.loc[i, :][j])  
    features_known_arr.append(features_someone_arr)  
print("Faces in Database:", len(features_known_arr))  

# Dlib 檢測器和預(yù)測器  # The detector and predictor will be used  detector = dlib.get_frontal_face_detector()  
predictor = dlib.shape_predictor('D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/model/shape_predictor_68_face_landmarks.dat')  

# 創(chuàng)建 cv2 攝像頭對象  # cv2.VideoCapture(0) to use the default camera of PC,  # and you can use local video name by use cv2.VideoCapture(filename)  cap = cv2.VideoCapture(0)  

# cap.set(propId, value)  # 設(shè)置視頻參數(shù),propId 設(shè)置的視頻參數(shù),value 設(shè)置的參數(shù)值  cap.set(3, 480)  

# cap.isOpened() 返回 true/false 檢查初始化是否成功  # when the camera is open  while cap.isOpened():  

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

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

    # 人臉數(shù) faces  
    faces = detector(img_gray, 0)  

    # 待會要寫的字體 font to write later  
    font = cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX  

    # 存儲當(dāng)前攝像頭中捕獲到的所有人臉的坐標(biāo)/名字  
    # the list to save the positions and names of current faces captured  
    pos_namelist = []  
    name_namelist = []  

    # 按下 q 鍵退出  
    # press 'q' to exit  
    if kk == ord('q'):  
        break  
    else:  
        # 檢測到人臉 when face detected  
        if len(faces) != 0:    
            # 獲取當(dāng)前捕獲到的圖像的所有人臉的特征,存儲到 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(facerec.compute_face_descriptor(img_rd, shape))  

            # 遍歷捕獲到的圖像中所有的人臉  
            # traversal all the faces in the database  
            for k in range(len(faces)):  
                print("##### camera person", k+1, "#####")  
                # 讓人名跟隨在矩形框的下方  
                # 確定人名的位置坐標(biāo)  
                # 先默認(rèn)所有人不認(rèn)識,是 unknown  
                # set the default names of faces with "unknown"  
                name_namelist.append("unknown")  

                # 每個捕獲人臉的名字坐標(biāo) the positions of faces captured  
                pos_namelist.append(tuple([faces[k].left(), int(faces[k].bottom() + (faces[k].bottom() - faces[k].top())/4)]))  

                # 對于某張人臉,遍歷所有存儲的人臉特征  
                # 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 數(shù)據(jù)不為空  
                    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:  
                        # 空數(shù)據(jù) person_X  
                        e_distance_list.append(999999999)  
                # 找出最接近的一個人臉數(shù)據(jù)是第幾個  
                # 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)  

                # 計(jì)算人臉識別特征與數(shù)據(jù)集特征的歐氏距離  
                # 距離小于0.4則標(biāo)出為可識別人物  
                if min(e_distance_list) < 0.4:  
                    # 這里可以修改攝像頭中標(biāo)出的人名  
                    # Here you can modify the names shown on the camera  
                    # 1、遍歷文件夾目錄  
                    folder_name = 'D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/Facetrainset/'  
                    # 最接近的人臉  
                    sum=similar_person_num+1  
                    key_id=1 # 從第一個人臉數(shù)據(jù)文件夾進(jìn)行對比  
                    # 獲取文件夾中的文件名:1wang、2zhou、3...  
                    file_names = os.listdir(folder_name)  
                    for name in file_names:  
                        # print(name+'->'+str(key_id))  
                        if sum ==key_id:  
                            #winsound.Beep(300,500)# 響鈴:300頻率,500持續(xù)時間  
                            name_namelist[k] = name[1:]#人名刪去第一個數(shù)字(用于視頻輸出標(biāo)識)  
                        key_id += 1  
                    # 播放歡迎光臨音效  
                    #playsound('D:/myworkspace/JupyterNotebook/People/music/welcome.wav')  
                    # print("May be person "+str(int(similar_person_num)+1))  
                    # -----------篩選出人臉并保存到visitor文件夾------------  
                    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))  
                        # 要存儲visitor人臉圖像文件的路徑  
                        path_visitors_save_dir = "D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/KnownFacetrainset/"  
                        # 存儲格式:2019-06-24-14-33-40wang.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)  
                        # 本次圖片保存的完整url  
                        save_path = path_visitors_save_dir+'/'+ save_name      
                        # 遍歷visitor文件夾所有文件名  
                        visitor_names = os.listdir(path_visitors_save_dir)  
                        visitor_name=''  
                        for name in visitor_names:  
                            # 名字切片到分鐘數(shù):2019-06-26-11-33-00wangyu.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)  
                        # 一分鐘之內(nèi)重復(fù)的人名不保存  
                        if visitor_save!=visitor_name:  
                            cv2.imwrite(save_path, face)  
                            print('新存儲:'+path_visitors_save_dir+'/'+str(now_time)+str(name_namelist[k])+'.jpg')  
                        else:  
                            print('重復(fù),未保存!')  

                else:  
                    # 播放無法識別音效  
                    #playsound('D:/myworkspace/JupyterNotebook/People/music/sorry.wav')  
                    print("Unknown person")  
                    # -----保存圖片-------  
                    # -----------篩選出人臉并保存到visitor文件夾------------  
                    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))  
                        # 要存儲visitor-》unknown人臉圖像文件的路徑  
                        path_visitors_save_dir = "D:/No1WorkSpace/JupyterNotebook/UnKnownFacetrainset/"  
                        # 存儲格式:2019-06-24-14-33-40unknown.jpg  
                        now_time = time.strftime("%Y-%m-%d-%H-%M-%S", time.localtime())  
                        # print(save_name)  
                        # 本次圖片保存的完整url  
                        save_path = path_visitors_save_dir+'/'+ str(now_time)+'unknown.jpg'  
                        cv2.imwrite(save_path, face)  
                        print('新存儲:'+path_visitors_save_dir+'/'+str(now_time)+'unknown.jpg')  

                # 矩形框  
                # draw rectangle  
                for kk, d in enumerate(faces):  
                    # 繪制矩形框  
                    cv2.rectangle(img_rd, tuple([d.left(), d.top()]), tuple([d.right(), d.bottom()]), (0, 255, 255), 2)  
                print('\n')  

            # 在人臉框下面寫人臉名字  
            # 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)  

    # 窗口顯示 show with opencv  
    cv2.imshow("camera", img_rd)  

# 釋放攝像頭 release camera  cap.release()  

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

若直接使用本代碼,文件目錄弄成中文會亂碼

運(yùn)行效果:

圖中兩人的特征數(shù)據(jù)集均已被收集并錄入,所以可以識別出來,如果沒有被錄入的人臉就會出現(xiàn)unknown。

沒有吳京叔叔的數(shù)據(jù)集,所以他是陌生人

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