Python实现笑脸检测+人脸口罩检测功能
时间：2023-03-16 11:37:00 | 栏目：Python代码 | 点击：次
一、人脸图像特征提取方法
https://www.jb51.net/article/219446.htm
二、对笑脸数据集genki4k进行训练和测试（包括SVM、CNN），输出模型训练精度和测试精度（F1-score和ROC），实现检测图片笑脸和实时视频笑脸检测
（一）环境、数据集准备
本文操作在Jupyter notebook平台进行，需要安装tensorflow、Keras库、Dlib库、和opencv-python等。
1、安装tensorflow、Keras库
https://www.jb51.net/article/219425.htm
2、win10 + anaconda3 + python3.6 安装tensorflow + keras的步骤详解
https://www.jb51.net/article/171039.htm
3、笑脸数据集下载
笑脸数据集下载链接： http://xiazai.jb51.net/202108/yuanma/smils_jb51.rar
（二）训练笑脸数据集genki4k
1、首先导入Keras库
import keras keras.__version__
2、读取笑脸数据集，然后将训练的数据和测试数据放入对应的文件夹
import os, shutil # The path to the directory where the original # dataset was uncompressed original_dataset_dir = 'C:\\Users\\asus\\Desktop\\test\\genki4k' # The directory where we will # store our smaller dataset base_dir = 'C:\\Users\\asus\\Desktop\\test\\smile_and_nosmile' os.mkdir(base_dir) # Directories for our training, # validation and test splits train_dir = os.path.join(base_dir, 'train') os.mkdir(train_dir) validation_dir = os.path.join(base_dir, 'validation') os.mkdir(validation_dir) test_dir = os.path.join(base_dir, 'test') os.mkdir(test_dir) # Directory with our training smile pictures train_smile_dir = os.path.join(train_dir, 'smile') os.mkdir(train_smile_dir) # Directory with our training nosmile pictures train_nosmile_dir = os.path.join(train_dir, 'nosmile') os.mkdir(train_nosmile_dir) # Directory with our validation smile pictures validation_smile_dir = os.path.join(validation_dir, 'smile') os.mkdir(validation_smile_dir) # Directory with our validation nosmile pictures validation_nosmile_dir = os.path.join(validation_dir, 'nosmile') os.mkdir(validation_nosmile_dir) # Directory with our validation smile pictures test_smile_dir = os.path.join(test_dir, 'smile') os.mkdir(test_smile_dir) # Directory with our validation nosmile pictures test_nosmile_dir = os.path.join(test_dir, 'nosmile') os.mkdir(test_nosmile_dir)
3、将笑脸图片和非笑脸图片放入对应文件夹
在上面程序中生成了一个名为smile_and_nosmile的文件夹，里面有三个子文件，分别存放训练、测试、验证数据，在这三个文件夹下还有smile和nosmile文件夹，我们需要将笑脸图片放入smile文件夹，将非笑脸图片放入nosmile文件夹。
3、打印每个数据集文件中的笑脸和非笑脸图片数
print('total training smile images:', len(os.listdir(train_smile_dir)))
print('total training nosmile images:', len(os.listdir(train_nosmile_dir)))
print('total validation smile images:', len(os.listdir(validation_smile_dir)))
print('total validation nosmile images:', len(os.listdir(validation_nosmile_dir)))
print('total test smile images:', len(os.listdir(test_smile_dir)))
print('total test nosmile images:', len(os.listdir(test_nosmile_dir)))
4、构建小型卷积网络
我们已经为MNIST构建了一个小型卷积网，所以您应该熟悉它们。我们将重用相同的通用结构:我们的卷积网将是一个交替的Conv2D(激活relu)和MaxPooling2D层的堆栈。然而，由于我们处理的是更大的图像和更复杂的问题，因此我们将使我们的网络相应地更大:它将有一个更多的Conv2D + MaxPooling2D阶段。这样既可以扩大网络的容量，又可以进一步缩小特征图的大小，这样当我们到达平坦层时，特征图就不会太大。在这里，由于我们从大小为150x150的输入开始(有点随意的选择)，我们在Flatten层之前得到大小为7x7的feature map。
注意：feature map的深度在网络中逐渐增加(从32到128)，而feature map的大小在减少(从148x148到7x7)。这是你会在几乎所有convnets中看到的模式。由于我们解决的是一个二元分类问题，我们用一个单一单元(一个大小为1的稠密层)和一个s型激活来结束网络。这个单元将对网络正在查看一个类或另一个类的概率进行编码。
from keras import layers
from keras import models
model = models.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu',
input_shape=(150, 150, 3)))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(512, activation='relu'))
model.add(layers.Dense(1, activation='sigmoid'))
让我们来看看要素地图的尺寸是如何随每个连续图层而变化的
model.summary()
让我们来看看特征地图的尺寸是如何随着每一个连续的层：为我们编译步骤，我们将一如既往地使用RMSprop优化器。由于我们用一个单一的乙状结肠单元结束我们的网络，我们将使用二进制交叉熵作为我们的损失
from keras import optimizers
model.compile(loss='binary_crossentropy',
optimizer=optimizers.RMSprop(lr=1e-4),
metrics=['acc'])
5、数据预处理
在将数据输入到我们的网络之前，应该将数据格式化为经过适当预处理的浮点张量。目前，我们的数据以JPEG文件的形式保存在硬盘上，因此将其导入网络的步骤大致如下:
- 读取图片文件
- 解码JPEG内容到RBG像素网格
- 把它们转换成浮点张量
- 将像素值(从0到255)缩放到[0,1]区间
from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator
# All images will be rescaled by 1./255
train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
# This is the target directory
train_dir,
# All images will be resized to 150x150
target_size=(150, 150),
batch_size=20,
# Since we use binary_crossentropy loss, we need binary labels
class_mode='binary')
validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(
validation_dir,
target_size=(150, 150),
batch_size=20,
class_mode='binary')
让我们看看其中一个生成器的输出：它生成150×150 RGB图像的批次(Shape(20,150,150，3))和二进制标签(Shape(20，))。20是每批样品的数量(批次大小)。注意，生成器无限期地生成这些批：它只是无休止地循环目标文件夹中的图像。因此，我们需要在某个点中断迭代循环。
for data_batch, labels_batch in train_generator:
print('data batch shape:', data_batch.shape)
print('labels batch shape:', labels_batch.shape)
break
使用生成器使我们的模型适合于数据
history = model.fit_generator(
train_generator,
steps_per_epoch=100,
epochs=30,
validation_data=validation_generator,
validation_steps=50)
这里使用fit_generator方法来完成此操作，对于我们这样的数据生成器，它相当于fit方法。它期望Python生成器作为第一个参数，它将无限期地生成成批的输入和目标，就像我们的示例一样。因为数据是不断生成的，所以在宣告一个纪元结束之前，生成器需要知道示例从生成器中抽取多少样本。这就是steps_per_epoch参数的作用:在从生成器中绘制完steps_per_epoch批处理之后，即在运行完steps_per_epoch梯度下降步骤之后，拟合过程将转到下一个epoch。在我们的例子中，批次是20个样本大，所以在我们看到2000个样本的目标之前将需要100个批次。
在使用fit_generator时，可以传递validation_data参数，就像fit方法一样。重要的是，允许这个参数本身是一个数据生成器，但是它也可以是Numpy数组的元组。如果您传递一个生成器作为validation_data，那么这个生成器将会不断生成成批的验证数据，因此您还应该指定validation_steps参数，它告诉流程从验证生成器提取多少批来进行评估。
保存模型
model.save('C:\\Users\\asus\\Desktop\\test\\smile_and_nosmile.h5')
在训练和验证数据上绘制模型的损失和准确性
import matplotlib.pyplot as plt
acc = history.history['acc']
val_acc = history.history['val_acc']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
epochs = range(len(acc))
plt.plot(epochs, acc, 'bo', label='Training acc')
plt.plot(epochs, val_acc, 'b', label='Validation acc')
plt.title('Training and validation accuracy')
plt.legend()
plt.figure()
plt.plot(epochs, loss, 'bo', label='Training loss')
plt.plot(epochs, val_loss, 'b', label='Validation loss')
plt.title('Training and validation loss')
plt.legend()
plt.show()
这些图具有过拟合的特点。我们的训练精度随着时间线性增长，直到接近100%，而我们的验证精度停留在70-72%。我们的验证损失在5个epoch后达到最小，然后停止，而训练损失继续线性下降，直到接近0。
6、数据增强
过度拟合是由于可供学习的样本太少，使我们无法训练一个模型来泛化到新的数据。给定无限的数据，我们的模型将暴露于手头数据分布的每一个可能方面:我们永远不会过度拟合。数据增强采用的方法是从现有的训练样本中生成更多的训练数据，方法是通过一系列随机变换来“增强”样本，从而产生看上去可信的图像。我们的目标是在训练时，我们的模型不会两次看到完全相同的图像。这有助于将模型暴露于数据的更多方面，并更好地泛化。
datagen = ImageDataGenerator(
rotation_range=40,
width_shift_range=0.2,
height_shift_range=0.2,
shear_range=0.2,
zoom_range=0.2,
horizontal_flip=True,
fill_mode='nearest')
- rotation_range是一个角度值(0-180)，在这个范围内可以随机旋转图片
- width_shift和height_shift是范围(作为总宽度或高度的一部分)，在其中可以随机地垂直或水平地转换图片
- shear_range用于随机应用剪切转换
- zoom_range用于在图片内部随机缩放
- horizontal_flip是用于水平随机翻转一半的图像――当没有假设水平不对称时(例如真实世界的图片)
- fill_mode是用于填充新创建像素的策略，它可以在旋转或宽度/高度移动之后出现。
查看增强后的图像
# This is module with image preprocessing utilities
from keras.preprocessing import image
fnames = [os.path.join(train_smile_dir, fname) for fname in os.listdir(train_smile_dir)]
# We pick one image to "augment"
img_path = fnames[3]
# Read the image and resize it
img = image.load_img(img_path, target_size=(150, 150))
# Convert it to a Numpy array with shape (150, 150, 3)
x = image.img_to_array(img)
# Reshape it to (1, 150, 150, 3)
x = x.reshape((1,) + x.shape)
# The .flow() command below generates batches of randomly transformed images.
# It will loop indefinitely, so we need to `break` the loop at some point!
i = 0
for batch in datagen.flow(x, batch_size=1):
plt.figure(i)
imgplot = plt.imshow(image.array_to_img(batch[0]))
i += 1
if i % 4 == 0:
break
plt.show()
如果我们使用这种数据增加配置训练一个新的网络，我们的网络将永远不会看到两次相同的输入。然而，它看到的输入仍然是高度相关的，因为它们来自少量的原始图像――我们不能产生新的信息，我们只能混合现有的信息。因此，这可能还不足以完全消除过度拟合。
为了进一步对抗过拟合，我们还将在我们的模型中增加一个Dropout层，就在密集连接分类器之前：
model = models.Sequential()
model.add(layers.Conv2D(32, (3, 3), activation='relu',
input_shape=(150, 150, 3)))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Conv2D(128, (3, 3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2, 2)))
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dropout(0.5))
model.add(layers.Dense(512, activation='relu'))
model.add(layers.Dense(1, activation='sigmoid'))
model.compile(loss='binary_crossentropy',
optimizer=optimizers.RMSprop(lr=1e-4),
metrics=['acc'])
用数据增强和退出来训练我们的网络:
train_datagen = ImageDataGenerator(
rescale=1./255,
rotation_range=40,
width_shift_range=0.2,
height_shift_range=0.2,
shear_range=0.2,
zoom_range=0.2,
horizontal_flip=True,)
# Note that the validation data should not be augmented!
test_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1./255)
train_generator = train_datagen.flow_from_directory(
# This is the target directory
train_dir,
# All images will be resized to 150x150
target_size=(150, 150),
batch_size=32,
# Since we use binary_crossentropy loss, we need binary labels
class_mode='binary')
validation_generator = test_datagen.flow_from_directory(
validation_dir,
target_size=(150, 150),
batch_size=32,
class_mode='binary')
history = model.fit_generator(
train_generator,
steps_per_epoch=100,
epochs=100,
validation_data=validation_generator,
validation_steps=50)
这里程序会跑很久，我跑了几个小时，用GPU跑会快很多很多。
保存模型在convnet可视化部分使用：
model.save('C:\\Users\\asus\\Desktop\\test\\smile_and_nosmile_1.h5')
再看一次结果
acc = history.history['acc']
val_acc = history.history['val_acc']
loss = history.history['loss']
val_loss = history.history['val_loss']
epochs = range(len(acc))
plt.plot(epochs, acc, 'bo', label='Training acc')
plt.plot(epochs, val_acc, 'b', label='Validation acc')
plt.title('Training and validation accuracy')
plt.legend()
plt.figure()
plt.plot(epochs, loss, 'bo', label='Training loss')
plt.plot(epochs, val_loss, 'b', label='Validation loss')
plt.title('Training and validation loss')
plt.legend()
plt.show()
由于数据的增加和遗漏，我们不再过度拟合:训练曲线相当紧密地跟踪验证曲线。我们现在能够达到82%的精度，相对于非正则化模型有15%的改进。通过进一步利用正则化技术和调整网络参数(比如每个卷积层的滤波器数量，或者网络中的层数)，我们可能能够获得更好的精度，可能达到86-87%。
7、优化提高笑脸图像分类模型精度
构建卷积网络
from keras import layers
from keras import models
from keras import optimizers
model = models.Sequential()
#输入图片大小是150*150 3表示图片像素用(R,G,B)表示
model.add(layers.Conv2D(32, (3,3), activation='relu', input_shape=(150 , 150, 3)))
model.add(layers.MaxPooling2D((2,2)))
model.add(layers.Conv2D(64, (3,3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2,2)))
model.add(layers.Conv2D(128, (3,3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2,2)))
model.add(layers.Conv2D(128, (3,3), activation='relu'))
model.add(layers.MaxPooling2D((2,2)))
model.add(layers.Flatten())
model.add(layers.Dense(512, activation='relu'))
model.add(layers.Dense(1, activation='sigmoid'))
model.compile(loss='binary_crossentropy', optimizer=optimizers.RMSprop(lr=1e-4),
metrics=['acc'])
model.summary()
（三）图片笑脸检测
# 单张图片进行判断 是笑脸还是非笑脸
import cv2
from keras.preprocessing import image
from keras.models import load_model
import numpy as np
model = load_model('smile_and_nosmile_1.h5')
img_path='C:\\Users\\asus\\Desktop\\test\\genki4k\\file2227.jpg'
img = image.load_img(img_path, target_size=(150, 150))
#img1 = cv2.imread(img_path,cv2.IMREAD_GRAYSCALE)
#cv2.imshow('wname',img1)
#cv2.waitKey(0)
#print(img.size)
img_tensor = image.img_to_array(img)/255.0
img_tensor = np.expand_dims(img_tensor, axis=0)
prediction =model.predict(img_tensor)
print(prediction)
if prediction[0][0]>0.5:
result='smile'
else:
result='nosmile'
print(result)
结果正确，错误率在0.0883181左右，反复找图片尝试，结果都是正确的。
（四）实时视频笑脸检测
import cv2
from keras.preprocessing import image
from keras.models import load_model
import numpy as np
import dlib
from PIL import Image
model = load_model('smile_and_nosmile_1.h5')
detector = dlib.get_frontal_face_detector()
video=cv2.VideoCapture(0)
font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
def rec(img):
gray=cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
dets=detector(gray,1)
if dets is not None:
for face in dets:
left=face.left()
top=face.top()
right=face.right()
bottom=face.bottom()
cv2.rectangle(img,(left,top),(right,bottom),(0,255,0),2)
img1=cv2.resize(img[top:bottom,left:right],dsize=(150,150))
img1=cv2.cvtColor(img1,cv2.COLOR_BGR2RGB)
img1 = np.array(img1)/255.
img_tensor = img1.reshape(-1,150,150,3)
prediction =model.predict(img_tensor)
print(prediction)
if prediction[0][0]<0.5:
result='nosmile'
else:
result='smile'
cv2.putText(img, result, (left,top), font, 2, (0, 255, 0), 2, cv2.LINE_AA)
cv2.imshow('smile detector', img)
while video.isOpened():
res, img_rd = video.read()
if not res:
break
rec(img_rd)
if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
break
video.release()
cv2.destroyAllWindows()
视频检测正确，就是背景太黑了…
三、将笑脸数据集换成人脸口罩数据集，并对口罩数据集进行训练，编写程序实现人脸口罩检测
（一）训练人脸口罩数据集
人脸口罩数据集下载链接：
http://xiazai.jb51.net/202108/yuanma/mask_jb51.rar
训练人脸口罩数据集和训练笑脸数据集一样，只需改一下和相应的变量名和数据集。
（二）编程实现人脸口罩检测
import cv2
from keras.preprocessing import image
from keras.models import load_model
import numpy as np
import dlib
from PIL import Image
model = load_model('mask_and_nomask.h5')
detector = dlib.get_frontal_face_detector()
video=cv2.VideoCapture(0)
font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
def rec(img):
gray=cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
dets=detector(gray,1)
if dets is not None:
for face in dets:
left=face.left()
top=face.top()
right=face.right()
bottom=face.bottom()
cv2.rectangle(img,(left,top),(right,bottom),(0,255,0),2)
img1=cv2.resize(img[top:bottom,left:right],dsize=(150,150))
img1=cv2.cvtColor(img1,cv2.COLOR_BGR2RGB)
img1 = np.array(img1)/255.
img_tensor = img1.reshape(-1,150,150,3)
prediction =model.predict(img_tensor)
print(prediction)
if prediction[0][0]>0.5:
result='nomask'
else:
result='mask'
cv2.putText(img, result, (left,top), font, 2, (0, 255, 0), 2, cv2.LINE_AA)
cv2.imshow('mask detector', img)
while video.isOpened():
res, img_rd = video.read()
if not res:
break
rec(img_rd)
if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
break
video.release()
cv2.destroyAllWindows()
运行结果：
不戴口罩
戴口罩
人脸口罩检测正确！
虽然人脸口罩检测正确，但是精度还是不高，因为我的数据集里面戴口罩得的图像太少了，朋友们可以多找一些戴口罩的图片以提高精度，后续我也会不断完善~