cnn卷积神经网络打造人脸登录系统
georgesale 2019-06-30
git地址：https://github.com/chenlinzho...
本文主要介绍了系统涉及的人脸检测与识别的详细方法，该系统基于python2.7.10/opencv2/tensorflow1.7.0环境，实现了从摄像头读取视频，检测人脸，识别人脸的功能
由于模型文件过大，git无法上传，整个项目放在百度云盘，地址:https://pan.baidu.com/s/1Taal...
人脸识别是计算机视觉研究领域的一个热点。目前，在实验室环境下，许多人脸识别已经赶上（超过）人工识别精度（准确率：0.9427~0.9920），比如face++,DeepID3，FaceNet等（详情可以参考：基于深度学习的人脸识别技术综述）。但是，由于光线，角度，表情，年龄等多种因素，导致人脸识别技术无法在现实生活中广泛应用。本文基于python/opencv/tensorflow环境，采用FaceNet（LFW：0.9963 ）为基础来构建实时人脸检测与识别系统，探索人脸识别系统在现实应用中的难点。下文主要内容如下 ：
- 利用htm5 video标签打开摄像头采集头像并使用jquery.faceDeaction组件来粗略检测人脸
- 将人脸图像上传到服务器，采用mtcnn检测人脸
- 利用opencv的仿射变换对人脸进行对齐，保存对齐后的人脸
- 采用预训练的facenet对检测的人脸进行embedding，embedding成512维度的特征；
- 对人脸embedding特征创建高效的annoy索引进行人脸检测
人脸采集
采用html5 video标签可以很方便的实现从摄像头读取视频帧，下文代码实现了从摄像头读取视频帧，faceDection识别人脸后截取图像上传到服务器功能
在html文件中添加video，canvas标签
<div class="booth">
<video id="video" width="400" height="300" muted class="abs" ></video>
<canvas id="canvas" width="400" height="300"></canvas>
</div>打开网络摄像头
var video = document.getElementById('video'),
var vendorUrl = window.URL || window.webkitURL;
//媒体对象
navigator.getMedia = navigator.getUserMedia || navagator.webkitGetUserMedia || navigator.mozGetUserMedia || navigator.msGetUserMedia;
navigator.getMedia({video: true, //使用摄像头对象audio: false //不适用音频}, function(strem){
video.src = vendorUrl.createObjectURL(strem);
video.play();
});利用jquery的facetDection组件检测人脸
$('#canvas').faceDetection()
检测出人连脸的话截图，并把图片转换为base64的格式，方便上传
context.drawImage(video, 0, 0, video.width, video.height);
var base64 = canvas.toDataURL('images/png');将base64格式的图片上传到服务器
//上传人脸图片
function upload(base64) {
$.ajax({
"type":"POST",
"url":"/upload.php",
"data":{'img':base64},
'dataType':'json',
beforeSend:function(){},
success:function(result){
console.log(result)
img_path = result.data.file_path
}
});
}图片服务器接受代码，php语言实现
function base64_image_content($base64_image_content,$path){
//匹配出图片的格式
if (preg_match('/^(data:\s*image\/(\w+);base64,)/', $base64_image_content, $result)){
$type = $result[2];
$new_file = $path."/";
if(!file_exists($new_file)){
//检查是否有该文件夹，如果没有就创建，并给予最高权限
mkdir($new_file, 0700,true);
}
$new_file = $new_file.time().".{$type}";
if (file_put_contents($new_file, base64_decode(str_replace($result[1], '', $base64_image_content)))){
return $new_file;
}else{
return false;
}
}else{
return false;
}
}人脸检测
人脸检测方法有许多，比如opencv自带的人脸Haar特征分类器和dlib人脸检测方法等。
对于opencv的人脸检测方法，有点是简单，快速；存在的问题是人脸检测效果不好。正面/垂直/光线较好的人脸，该方法可以检测出来，而侧面/歪斜/光线不好的人脸，无法检测。因此，该方法不适合现场应用。对于dlib人脸检测方法 ，效果好于opencv的方法，但是检测力度也难以达到现场应用标准。
本文中，我们采用了基于深度学习方法的mtcnn人脸检测系统（mtcnn：Joint Face Detection and Alignment using Multi-task Cascaded Convolutional Neural Networks）。mtcnn人脸检测方法对自然环境中光线，角度和人脸表情变化更具有鲁棒性，人脸检测效果更好；同时，内存消耗不大，可以实现实时人脸检测。本文中采用mtcnn是基于python和tensorflow的实现（代码来自于davidsandberg，caffe实现代码参见：kpzhang93）
model= os.path.abspath(face_comm.get_conf('mtcnn','model'))
class Detect:
def __init__(self):
self.detector = MtcnnDetector(model_folder=model, ctx=mx.cpu(0), num_worker=4, accurate_landmark=False)
def detect_face(self,image):
img = cv2.imread(image)
results =self.detector.detect_face(img)
boxes=[]
key_points = []
if results is not None:
#box框
boxes=results[0]
#人脸5个关键点
points = results[1]
for i in results[0]:
faceKeyPoint = []
for p in points:
for i in range(5):
faceKeyPoint.append([p[i], p[i + 5]])
key_points.append(faceKeyPoint)
return {"boxes":boxes,"face_key_point":key_points}具体代码参考fcce_detect.py
人脸对齐
有时候我们截取的人脸了头像可能是歪的，为了提升检测的质量，需要把人脸校正到同一个标准位置，这个位置是我们定义的，假设我们设定的标准检测头像是这样的
假设眼睛，鼻子三个点的坐标分别是a(10,30) b(20,30) c(15,45)，具体设置可参看config.ini文件alignment块配置项
采用opencv仿射变换进行对齐,获取仿射变换矩阵
dst_point=【a,b,c】 tranform = cv2.getAffineTransform(source_point, dst_point)
仿射变换:
img_new = cv2.warpAffine(img, tranform, imagesize)
具体代码参考face_alignment.py文件
产生特征
对齐得到后的头像，放入采用预训练的facenet对检测的人脸进行embedding，embedding成512维度的特征，以(id,vector)的形式保存在lmdb文件中
facenet.load_model(facenet_model_checkpoint)
images_placeholder = tf.get_default_graph().get_tensor_by_name("input:0")
embeddings = tf.get_default_graph().get_tensor_by_name("embeddings:0")
phase_train_placeholder = tf.get_default_graph().get_tensor_by_name("phase_train:0")
face=self.dectection.find_faces(image)
prewhiten_face = facenet.prewhiten(face.image)
# Run forward pass to calculate embeddings
feed_dict = {images_placeholder: [prewhiten_face], phase_train_placeholder: False}
return self.sess.run(embeddings, feed_dict=feed_dict)[0]具体代码可参看face_encoder.py
人脸特征索引:
人脸识别的时候不能对每一个人脸都进行比较，太慢了，相同的人得到的特征索引都是比较类似，可以采用KNN分类算法去识别,这里采用是更高效annoy算法对人脸特征创建索引，annoy索引算法的有个假设就是，每个人脸特征可以看做是在高维空间的一个点，如果两个很接近(相识)，任何超平面
都无法把他们分开，也就是说如果空间的点很接近，用超平面去分隔，相似的点一定会分在同一个平面空间（具体参看:https://github.com/spotify/annoy）
#人脸特征先存储在lmdb文件中格式(id,vector),所以这里从lmdb文件中加载
lmdb_file = self.lmdb_file
if os.path.isdir(lmdb_file):
evn = lmdb.open(lmdb_file)
wfp = evn.begin()
annoy = AnnoyIndex(self.f)
for key, value in wfp.cursor():
key = int(key)
value = face_comm.str_to_embed(value)
annoy.add_item(key,value)
annoy.build(self.num_trees)
annoy.save(self.annoy_index_path)具体代码可参看face_annoy.py
人脸识别
经过上面三个步骤后，得到人脸特征，在索引中查询最近几个点并就按欧式距离，如果距离小于0.6（更据实际情况设置的阈值）则认为是同一个人，然后根据id在数据库查找到对应人的信息即可
#根据人脸特征找到相似的
def query_vector(self,face_vector):
n=int(face_comm.get_conf('annoy','num_nn_nearst'))
return self.annoy.get_nns_by_vector(face_vector,n,include_distances=True)具体代码可参看face_annoy.py
安装部署
系统采用有两个模块组成：
- face_web：提供用户注册登录，人脸采集，php语言实现
- face_server: 提供人脸检测，裁剪，对齐，识别功能，python语言实现
模块间采用socket方式通信通信格式为: length+content
face_server相关的配置在config.ini文件中
1.使用镜像
- face_serverdocker镜像: shareclz/python2.7.10-face-image
- face_web镜像: skiychan/nginx-php7
假设项目路径为/data1/face-login
2.安装face_server容器
docker run -it --name=face_server --net=host -v /data1:/data1 shareclz/python2.7.10-face-image /bin/bash cd /data1/face-login python face_server.py
3.安装face_web容器
docker run -it --name=face_web --net=host -v /data1:/data1 skiychan/nginx-php7 /bin/bash cd /data1/face-login; php -S 0.0.0.0:9988 -t ./web/
最终效果：
face_server加载mtcnn模型和facenet模型后等待人脸请求
未注册识别失败
人脸注册
注册后登录成功
参考
https://zhuanlan.zhihu.com/p/...
https://github.com/spotify/annoy
