Python实现笑脸检测+人脸口罩检测

一、人脸图像特征提取方法

https://blog.csdn.net/weixin_45137708/article/details/107110857

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://blog.csdn.net/weixin_45137708/article/details/106674849
2、安装配置Dlib库和opencv-python
https://blog.csdn.net/jajit/article/details/106630937?utm_source=app
3、笑脸数据集下载
笑脸数据集下载链接：https://pan.baidu.com/s/1ldA8CF6pH4q0Bheik_Tttg
提取码：fui1

（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：https://pan.baidu.com/s/11PBCmDDx7Dtx_ckjwZR2uw
提取码：n2um
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~