SVM算法应用综合练习--人脸表情识别

一.HOG特征提取原理

HOG特征提取流程可分为6个部分：

检测窗口、归一化图像、计算梯度、构建梯度直方图、块内进行细胞归一化梯度直方图、生成HOG特征向量。

1.检测窗口：
  HOG通过窗口（window)和块(block)将图像进行分割。通过以细胞(cell)为单位，对图像某一区域的像素值进行数学计算处理。在此先介绍窗口(window)、块(block)和细胞（cell）的概念及之间的联系。

窗口(window)：将图像按一定大小分割成多个相同的窗口，滑动。
块（block)：将每个窗口按一定大小分割成多个相同的块，滑动。
细胞（cell)：将每个窗口按一定大小分割成多个相同的细胞，属于特征提取的单元，静止不动。
图像(image)->检测窗口(win)->图像块(block)->细胞单元(cell)

2.归一化图像：
  归一化分为gamma空间和颜色空间归一化。为减少光照因素影响，将整个图像进行规范化（归一化）。归一化同时可以避免在图像的纹理强度中，局部的表层曝光贡献度的比重较大的情况。

3.计算梯度：
  计算图像横坐标和纵坐标方向的梯度，并根据横坐标和纵坐标的梯度，计算梯度方向。

4.构建梯度直方图：
  HOG构建方向梯度直方图在细胞（cell）中完成：bins（可理解为划分的个数）决定方向的划分。一般bins取9，将梯度方向划分为9个区间。例如，假设一个细胞尺寸为6*6，则对这个细胞内的36个像素点，先判断像素点梯度方向所属的区间，后根据像素点的梯度幅值大小和梯度方向的大小进行加权于对应的梯度方向区间。
  

5.块内进行细胞归一化梯度直方图：
  局部光照的变化及前景-背景对比度的变化，使梯度强度的变化范围很大，在此需要进行归一化。

6.生成HOG特征向量：
  最后组合所有的块，生成特征向量：例对于一个64128的窗口而言，每88的像素组成一个cell，每22个cell组成一个块，每个块有94个特征，以8个像素为步长，水平方向将有7个扫描窗口，垂直方向将有15个扫描窗口。所以，一个64128的窗口共367*15=3780个特征，代码中一个hog描述子针对一个检测窗口。

二.代码实现

1.导入相关库

# 导入包
import numpy as np
import cv2
import dlib
import random#构建随机测试集和训练集
from sklearn.svm import SVC #导入svm
from sklearn.svm import LinearSVC #导入线性svm
from sklearn.pipeline import Pipeline #导入python里的管道
import os
import joblib#保存模型
from sklearn.preprocessing import StandardScaler,PolynomialFeatures #导入多项式回归和标准化
import tqdm

2.定义路径

folder_path='./genki4k/'
label='labels.txt'#标签文件
pic_folder='files/'#图片文件路径

3.获得默认的人脸检测器和训练好的人脸68特征点检测器

#获得默认的人脸检测器和训练好的人脸68特征点检测器
def get_detector_and_predicyor():
    #使用dlib自带的frontal_face_detector作为我们的特征提取器
    detector = dlib.get_frontal_face_detector()
    """
    功能：人脸检测画框
    参数：PythonFunction和in Classes
    in classes表示采样次数，次数越多获取的人脸的次数越多，但更容易框错
    返回值是矩形的坐标，每个矩形为一个人脸（默认的人脸检测器）
    """
    #返回训练好的人脸68特征点检测器
    predictor = dlib.shape_predictor('shape_predictor_68_face_landmarks.dat')
    return detector,predictor
#获取检测器
detector,predictor=get_detector_and_predicyor()

4.截取面部的函数

def cut_face(img,detector,predictor):   
    #截取面部
    img_gry=cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    rects = detector(img_gry, 0)  
    if len(rects)!=0:
        mouth_x=0
        mouth_y=0
        landmarks = np.matrix([[p.x, p.y] for p in predictor(img,rects[0]).parts()])
        for i in range(47,67):#嘴巴范围
            mouth_x+=landmarks[i][0,0]
            mouth_y+=landmarks[i][0,1]
        mouth_x=int(mouth_x/20)
        mouth_y=int(mouth_y/20)
        #裁剪图片
        img_cut=img_gry[mouth_y-20:mouth_y+20,mouth_x-20:mouth_x+20]
        return img_cut
    else:
        return 0#检测不到人脸返回0

5.提取特征值函数

#提取特征值
def get_feature(files_train,face,face_feature):
    for i in tqdm.tqdm(range(len(files_train))):
        img=cv2.imread(folder_path+pic_folder+files_train[i])
        cut_img=cut_face(img,detector,predictor)
        if type(cut_img)!=int:
            face.append(True)
            cut_img=cv2.resize(cut_img,(64,64))
            #padding:边界处理的padding
            padding=(8,8)
            winstride=(16,16)
            hogdescrip=hog.compute(cut_img,winstride,padding).reshape((-1,))
            face_feature.append(hogdescrip)
        else:
            face.append(False)#没有检测到脸的
            face_feature.append(0)

6.筛选函数

def filtrate_face(face,face_feature,face_site): #去掉检测不到脸的图片的特征并返回特征数组和相应标签   
    face_features=[]
    #获取标签
    label_flag=[]
    with open(folder_path+label,'r') as f:
        lines=f.read().splitlines()
    #筛选出能检测到脸的，并收集对应的label
    for i in tqdm.tqdm(range(len(face_site))):
        if face[i]:#判断是否检测到脸
            #pop之后要删掉当前元素，后面的元素也要跟着前移，所以每次提取第一位就行了
            face_features.append(face_feature.pop(0))
            label_flag.append(int(lines[face_site[i]][0])) 
        else:
            face_feature.pop(0)
    datax=np.float64(face_features)
    datay=np.array(label_flag)
    return datax,datay

7.多项式核SVM函数

def PolynomialSVC(degree,c=10):#多项式svm
    return Pipeline([
            # 将源数据 映射到 3阶多项式
            ("poly_features", PolynomialFeatures(degree=degree)),
            # 标准化
            ("scaler", StandardScaler()),
            # SVC线性分类器
            ("svm_clf", LinearSVC(C=10, loss="hinge", random_state=42,max_iter=10000))
        ])

8.高斯核SVM函数

#svm高斯核
def RBFKernelSVC(gamma=1.0):
    return Pipeline([
        ('std_scaler',StandardScaler()),
        ('svc',SVC(kernel='rbf',gamma=gamma))
    ])

9.训练函数

def train(files_train,train_site):#训练
    '''
    files_train:训练文件名的集合
    train_site :训练文件在文件夹里的位置
    '''
    #是否检测到人脸
    train_face=[]
    #人脸的特征数组
    train_feature=[]
    #提取训练集的特征数组
    get_feature(files_train,train_face,train_feature)
    #筛选掉检测不到脸的特征数组
    train_x,train_y=filtrate_face(train_face,train_feature,train_site)
    svc=PolynomialSVC(degree=1)
    svc.fit(train_x,train_y)
    return svc#返回训练好的模型

10.测试函数

def test(files_test,test_site,svc):#预测，查看结果集
    '''
    files_train:训练文件名的集合
    train_site :训练文件在文件夹里的位置
    '''
    #是否检测到人脸
    test_face=[]
    #人脸的特征数组
    test_feature=[]
    #提取训练集的特征数组
    get_feature(files_test,test_face,test_feature)
    #筛选掉检测不到脸的特征数组
    test_x,test_y=filtrate_face(test_face,test_feature,test_site)
    pre_y=svc.predict(test_x)
    ac_rate=0
    for i in range(len(pre_y)):
        if(pre_y[i]==test_y[i]):
            ac_rate+=1
    ac=ac_rate/len(pre_y)*100
    print("准确率为"+str(ac)+"%")
    return ac

11.HOG特征提取器

#设置hog的参数
winsize=(64,64)
blocksize=(32,32)
blockstride=(16,16)
cellsize=(8,8)
nbin=9
#定义hog
hog=cv2.HOGDescriptor(winsize,blocksize,blockstride,cellsize,nbin)
#获取文件夹里有哪些文件
files=os.listdir(folder_path+pic_folder)

12.数据集中随机的9/10做为训练集，剩下的1/10做为测试集,进行十次

ac=float(0)
for j in range(10):
    site=[i for i in range(4000)]
    #训练所用的样本所在的位置
    train_site=random.sample(site,3600)
    #预测所用样本所在的位置
    test_site=[]
    for i in range(len(site)):
        if site[i] not in train_site:
            test_site.append(site[i])
    files_train=[]
    #训练集,占总数的十分之九
    for i in range(len(train_site)):
        files_train.append(files[train_site[i]])
    #测试集
    files_test=[]
    for i in range(len(test_site)):
        files_test.append(files[test_site[i]])
    svc=train(files_train,train_site)
    ac=ac+test(files_test,test_site,svc)
    save_path='F:/picture/second/train/second'+str(j)+'(hog).pkl'
    joblib.dump(svc,save_path)
ac=ac/10
print("平均准确率为"+str(ac)+"%")

13.检测函数

在这里插入代码片def test1(files_test,test_site,svc):#预测，查看结果集
    '''
    files_train:训练文件名的集合
    train_site :训练文件在文件夹里的位置
    '''
    #是否检测到人脸
    test_face=[]
    #人脸的特征数组
    test_feature=[]
    #提取训练集的特征数组
    get_feature(files_test,test_face,test_feature)
    #筛选掉检测不到脸的特征数组
    test_x,test_y=filtrate_face(test_face,test_feature,test_site)
    pre_y=svc.predict(test_x)
    tp=0
    tn=0
    for i in range(len(pre_y)):
        if pre_y[i]==test_y[i] and pre_y[i]==1:
            tp+=1
        elif pre_y[i]==test_y[i] and pre_y[i]==0:
            tn+=1
    f1=2*tp/(tp+len(pre_y)-tn)
    print(f1)

svc7=joblib.load('D:/99988/0014(hog).pkl')
site=[i for i in range(4000)]
#训练所用的样本所在的位置
train_site=random.sample(site,3600)
#预测所用样本所在的位置
test_site=[]
for i in range(len(site)):
    if site[i] not in train_site:
        test_site.append(site[i])
#测试集
files_test=[]
for i in range(len(test_site)):
    files_test.append(files[test_site[i]])
test1(files_test,test_site,svc7)

14.

def smile_detector(img,svc):
    cut_img=cut_face(img,detector,predictor)
    a=[]
    
    if type(cut_img)!=int:
        cut_img=cv2.resize(cut_img,(64,64))
    #padding:边界处理的padding
        padding=(8,8)
        winstride=(16,16)
        hogdescrip=hog.compute(cut_img,winstride,padding).reshape((-1,))
        a.append(hogdescrip)
        result=svc.predict(a)
        a=np.array(a)
        return result[0]
    else :
        return 2

15.图片测试

##图片检测
pic_path='D:/99988/003.jpg'
img=cv2.imread(pic_path)
result=smile_detector(img,svc7)
if result==1:
    img=cv2.putText(img,'smile',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
elif result==0:
    img=cv2.putText(img,'no smile',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
else:
    img=cv2.putText(img,'no face',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
cv2.imshow('video', img)
cv2.waitKey(0)

##图片检测
pic_path='D:/99988/004.jpg'
img=cv2.imread(pic_path)
result=smile_detector(img,svc7)
if result==1:
    img=cv2.putText(img,'smile',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
elif result==0:
    img=cv2.putText(img,'no smile',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
else:
    img=cv2.putText(img,'no face',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
cv2.imshow('video', img)
cv2.waitKey(0)

##图片检测
pic_path='D:/99988/002.jpg'
img=cv2.imread(pic_path)
result=smile_detector(img,svc7)
if result==1:
    img=cv2.putText(img,'smile',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
elif result==0:
    img=cv2.putText(img,'no smile',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
else:
    img=cv2.putText(img,'no face',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
cv2.imshow('video', img)
cv2.waitKey(0)

16.调用摄像头实时检测并保持，按s键保存刚刚的识别的图片，按esc退出

camera = cv2.VideoCapture(0)#打开摄像头
ok=True
flag=0
# 打开摄像头 参数为输入流，可以为摄像头或视频文件
while ok:
    ok,img = camera.read()
     # 转换成灰度图像
    result=smile_detector(img,svc7)
    if result==1:
        img=cv2.putText(img,'smile',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
    elif result==0:
        img=cv2.putText(img,'no smile',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
    else:
        img=cv2.putText(img,'no face',(21,50),cv2.FONT_HERSHEY_COMPLEX,2.0,(0,255,0),1)
    cv2.imshow('video', img)
    k = cv2.waitKey(1)
    if k == X:    # press 'ESC' to quit
        break
    elif k==115:
        pic_save_path='F:/picture/second/result/'+str(flag)+'.jpg'
        flag+=1
        cv2.imwrite(pic_save_path,img)
camera.release()
cv2.destroyAllWindows()

三、总结

本次实验通过opencv+python+HOG算法实现微笑检测的，HOG算法优点是·HOG表示边缘的结构特征，可以描述局部的形状信息；位置和方向空间的量化一定程度上可以抑制平移和旋转带来的影响；采用归一化，可以抵消光照带来的变化。

四、参考文献

https://blog.csdn.net/weixin_56102526/article/details/121926814?spm=1001.2014.3001.5501.