树莓派中文站

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
树莓派摄像头模块（PiCam）

语言和库：
OpenCV
Python 3

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3
500 万像素 1080p 传感器 OV5647 迷你摄像头模块

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：

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，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：

import cv2

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__

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：

import numpy as np
import cv2
 
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
    if k == 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：Cascade Classifier Training

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：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：faceDetection.py

import numpy as np
import cv2
 
faceCascade = cv2.CascadeClassifier('Cascades/haarcascade_frontalface_default.xml')
 
cap = cv2.VideoCapture(0)
cap.set(3,640) # set Width
cap.set(4,480) # set Height
 
while True:
    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) in faces:
        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
    if k == 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) in faces:
    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

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上你可以看到其他的例子：
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：Haar Cascade Object Detection Face & Eye OpenCV Python 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：superdatascience.com
理解人脸识别：thecodacus.com

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。

import cv2
import os
 
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) in faces:
        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
    if k == 27:
        break
    elif count >= 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。

import numpy as np
from PIL import Image
import os
 
# 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
def getImagesAndLabels(path):
    imagePaths = [os.path.join(path,f) for f in os.listdir(path)]    
    faceSamples=[]
    ids = []
    for imagePath in imagePaths:
        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) in faces:
            faceSamples.append(img_numpy[y:y+h,x:x+w])
            ids.append(id)
    return faceSamples,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。

import cv2
import numpy as np
import os
 
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)
 
while True:
    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) in faces:
        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
    if k == 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。

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。

更多详细的代码请查看 GitHub 地址：https://github.com/Mjrovai/OpenCV-Face-Recognition
（原文来自hackster，由机器之心编译）