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在传统编程中, 图像识别一直是一个难点, 虽然人能轻松做到, 但是用逻辑来描述这个过程, 并转换成程序是很难的。机器学习的出现让图像识别技术有了突破性的进展, 卷积神经网络的出现, 又使图像识别更上了一次层次。

卷积神经网络由一个或多个卷积层和顶端的全连通层组成, 这一结构使得卷积神经网络能够利用输入数据的二维结构。与其他深度学习结构相比，卷积神经网络在图像和语音识别方面能够给出更好的结果。

这里我们使用卷积神经网络对人脸进行性别识别, 项目中使用了TensorFlow机器学习库。

项目地址

face-gender-classification

数据收集与处理

机器学习的基础就是大量的数据。我以前从网上爬了一万张证件照, 现在正好用上, 作为训练数据。
简便的也可以从谷歌直接搜搜索 男(女)性证件照也可以得到并且有标签的数据。
由于我收集的照片没有标签, 于是我花了一点时间从其中人工选出男女照片各200张并打上标记。

为了使识别更加准确, 项目中利用openCV裁剪出人脸部分的图像, 并缩放至28*28大小。

recognizer = cv2.CascadeClassifier("model/haarcascade_frontalface_default.xml")
crop(img_path):
    try:
        img = cv2.imread(img_path)
        gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
        faces = recognizer.detectMultiScale(gray)
        if len(faces):
            x, y, w, h = faces[0]
            c_img = img[y:y + h, x:x + w]
            return cv2.resize(c_img, (28, 28), interpolation=cv2.INTER_AREA)
    except:
        pass

    return None

对所有的数据都进行这样处理, 结果如下:

最后我们还需要清理异常的数据, 过一遍训练集, 把其中没有定位到人脸的图片去除掉。

训练模型

读取训练数据。

def read_img(files):
    arr = []
    for file in files:
        img = Image.open("%s" % file)
        pix = img.load()
        view = np.zeros((IMAGE_H, IMAGE_W, 1), dtype=np.float)
        for x in range(IMAGE_H):
            for y in range(IMAGE_W):
                r, g, b = pix[y, x]
                view[x, y, 0] = (r + g + b) // 3
        arr.append(view)
    return np.array(arr)

这里对训练图像灰度化, 并且将训练数据中的一小部分作为验证集。

开始创建模型。

model = keras.Sequential([
    keras.layers.Conv2D(32, (3, 3), input_shape=(IMAGE_W, IMAGE_H, 1), strides=(1, 1), activation='relu'),
    keras.layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2)),
    keras.layers.Conv2D(64, (3, 3), strides=(1, 1), activation='relu'),
    keras.layers.MaxPool2D(pool_size=(2, 2)),
    keras.layers.Flatten(),
    keras.layers.Dense(128, activation=tf.nn.relu),
    keras.layers.Dropout(0.2),
    keras.layers.Dense(2, activation=tf.nn.softmax)
])

选择适当的优化器和损失函数编译模型。

model.compile(optimizer=tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.001),
              loss='categorical_crossentropy',
              metrics=['accuracy'])

开始训练模型。

model.fit(x=train_x,
          y=train_y,
          batch_size=32,
          epochs=30,
          verbose=1,
          callbacks=my_callbacks,
          validation_split=0.05,
          shuffle=True
          )

测试模型

这里使用matplotlib来显示测试图片及结果。

predictions = model.predict(test_x)

class_names = ["Female", "Male"]

plt.figure(figsize=(12, 6))
for i in range(min(9, len(test_y))):
    result = predictions[i]
    max_label = int(np.argmax(result))
    correct_label = int(np.argmax(test_y[i]))

    plt.subplot(3, 6, 2 * i + 1)
    plt.grid(False)
    plt.xticks([])
    plt.yticks([])
    img = test_x.reshape(test_x.shape[0], IMAGE_W, IMAGE_H)[i]
    plt.imshow(img, cmap="gray")
    plt.xlabel("{} - prob:{:2.0f}%".format(class_names[max_label], 100 * np.max(result)))

    plt.subplot(3, 6, 2 * i + 2)
    plt.grid(False)
    plt.yticks([])
    plt.ylim([0, 1])
    bar = plt.bar(range(2), result)
    bar[max_label].set_color('red')
    bar[correct_label].set_color('green')

plt.show()

脸部头像右侧的两列分别代表女性概率和男性概率。
这里我们看到全都对了, 正确率非常高。
模型并不复杂, 大部分工作都在收集数据和调整训练参数上, 这也体现出了卷积神经网络对图像强大的处理能力。

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