大数据项目分享 - 深度学习 机器视觉 人脸识别系统 - opencv python

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0 前言

这两年开始毕业设计和毕业答辩的要求和难度不断提升，传统的毕设题目缺少创新和亮点，往往达不到毕业答辩的要求，这两年不断有学弟学妹告诉学长自己做的项目系统达不到老师的要求。

为了大家能够顺利以及最少的精力通过毕设，学长分享优质毕业设计项目，今天要分享的是

深度学习 机器视觉 人脸识别系统

学长这里给一个题目综合评分(每项满分5分)

• 难度系数：3分
• 工作量：3分
• 创新点：3分

选题指导, 项目分享：

https://gitee.com/yaa-dc/warehouse-1/blob/master/python/README.md

1 机器学习-人脸识别过程

基于传统图像处理和机器学习技术的人脸识别技术，其中的流程都是一样的。

机器学习-人脸识别系统都包括：

• 人脸检测
• 人脸对其
• 人脸特征向量化
• 人脸识别
  

人脸检测

人脸检测用于确定人脸在图像中的大小和位置，即解决“人脸在哪里”的问题，把真正的人脸区域从图像中裁剪出来，便于后续的人脸特征分析和识别。下图是对一张图像的人脸检测结果：

人脸对其

同一个人在不同的图像序列中可能呈现出不同的姿态和表情，这种情况是不利于人脸识别的。

所以有必要将人脸图像都变换到一个统一的角度和姿态，这就是人脸对齐。

它的原理是找到人脸的若干个关键点（基准点，如眼角，鼻尖，嘴角等），然后利用这些对应的关键点通过相似变换（Similarity Transform，旋转、缩放和平移）将人脸尽可能变换到标准人脸。

下图是一个典型的人脸图像对齐过程：

这幅图就更加直观了：

人脸特征向量化

这一步是将对齐后的人脸图像，组成一个特征向量，该特征向量用于描述这张人脸。

但由于，一幅人脸照片往往由比较多的像素构成，如果以每个像素作为1维特征，将得到一个维数非常高的特征向量， 计算将十分困难；而且这些像素之间通常具有相关性。

所以我们常常利用PCA技术对人脸描述向量进行降维处理，保留数据集中对方差贡献最大的人脸特征来达到简化数据集的目的

PCA人脸特征向量降维示例代码：

#coding:utf-8
from numpy import *
from numpy import linalg as la
import cv2
import os
 
def loadImageSet(add):
    FaceMat = mat(zeros((15,98*116)))
    j =0
    for i in os.listdir(add):
        if i.split('.')[1] == 'normal':
            try:
                img = cv2.imread(add+i,0)
            except:
                print 'load %s failed'%i
            FaceMat[j,:] = mat(img).flatten()
            j += 1
    return FaceMat
 
def ReconginitionVector(selecthr = 0.8):
    # step1: load the face image data ,get the matrix consists of all image
    FaceMat = loadImageSet('D:\python/face recongnition\YALE\YALE\unpadded/').T
    # step2: average the FaceMat
    avgImg = mean(FaceMat,1)
    # step3: calculate the difference of avgimg and all image data(FaceMat)
    diffTrain = FaceMat-avgImg
    #step4: calculate eigenvector of covariance matrix (because covariance matrix will cause memory error)
    eigvals,eigVects = linalg.eig(mat(diffTrain.T*diffTrain))
    eigSortIndex = argsort(-eigvals)
    for i in xrange(shape(FaceMat)[1]):
        if (eigvals[eigSortIndex[:i]]/eigvals.sum()).sum() >= selecthr:
            eigSortIndex = eigSortIndex[:i]
            break
    covVects = diffTrain * eigVects[:,eigSortIndex] # covVects is the eigenvector of covariance matrix
    # avgImg 是均值图像，covVects是协方差矩阵的特征向量，diffTrain是偏差矩阵
    return avgImg,covVects,diffTrain
 
def judgeFace(judgeImg,FaceVector,avgImg,diffTrain):
    diff = judgeImg.T - avgImg
    weiVec = FaceVector.T* diff
    res = 0
    resVal = inf
    for i in range(15):
        TrainVec = FaceVector.T*diffTrain[:,i]
        if  (array(weiVec-TrainVec)**2).sum() < resVal:
            res =  i
            resVal = (array(weiVec-TrainVec)**2).sum()
    return res+1
 
if __name__ == '__main__':
 
    avgImg,FaceVector,diffTrain = ReconginitionVector(selecthr = 0.9)
    nameList = ['01','02','03','04','05','06','07','08','09','10','11','12','13','14','15']
    characteristic = ['centerlight','glasses','happy','leftlight','noglasses','rightlight','sad','sleepy','surprised','wink']
 
    for c in characteristic:
 
        count = 0
        for i in range(len(nameList)):
 
            # 这里的loadname就是我们要识别的未知人脸图，我们通过15张未知人脸找出的对应训练人脸进行对比来求出正确率
            loadname = 'D:\python/face recongnition\YALE\YALE\unpadded\subject'+nameList[i]+'.'+c+'.pgm'
            judgeImg = cv2.imread(loadname,0)
            if judgeFace(mat(judgeImg).flatten(),FaceVector,avgImg,diffTrain) == int(nameList[i]):
                count += 1
        print 'accuracy of %s is %f'%(c, float(count)/len(nameList))  # 求出正确率

人脸识别

这一步的人脸识别，其实是对上一步人脸向量进行分类，使用各种分类算法。

比如：贝叶斯分类器，决策树，SVM等机器学习方法。

从而达到识别人脸的目的。

这里分享一个svm训练的人脸识别模型：

from __future__ import print_function

from time import time
import logging
import matplotlib.pyplot as plt

from sklearn.cross_validation import train_test_split
from sklearn.datasets import fetch_lfw_people
from sklearn.grid_search import GridSearchCV
from sklearn.metrics import classification_report
from sklearn.metrics import confusion_matrix
from sklearn.decomposition import RandomizedPCA
from sklearn.svm import SVC


print(__doc__)

# Display progress logs on stdout
logging.basicConfig(level=logging.INFO, format='%(asctime)s %(message)s')


###############################################################################
# Download the data, if not already on disk and load it as numpy arrays

lfw_people = fetch_lfw_people(min_faces_per_person=70, resize=0.4)

# introspect the images arrays to find the shapes (for plotting)
n_samples, h, w = lfw_people.images.shape

# for machine learning we use the 2 data directly (as relative pixel
# positions info is ignored by this model)
X = lfw_people.data
n_features = X.shape[1]

# the label to predict is the id of the person
y = lfw_people.target
target_names = lfw_people.target_names
n_classes = target_names.shape[0]

print("Total dataset size:")
print("n_samples: %d" % n_samples)
print("n_features: %d" % n_features)
print("n_classes: %d" % n_classes)


###############################################################################
# Split into a training set and a test set using a stratified k fold

# split into a training and testing set
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
    X, y, test_size=0.25, random_state=42)


###############################################################################
# Compute a PCA (eigenfaces) on the face dataset (treated as unlabeled
# dataset): unsupervised feature extraction / dimensionality reduction
n_components = 80

print("Extracting the top %d eigenfaces from %d faces"
      % (n_components, X_train.shape[0]))
t0 = time()
pca = RandomizedPCA(n_components=n_components, whiten=True).fit(X_train)
print("done in %0.3fs" % (time() - t0))

eigenfaces = pca.components_.reshape((n_components, h, w))

print("Projecting the input data on the eigenfaces orthonormal basis")
t0 = time()
X_train_pca = pca.transform(X_train)
X_test_pca = pca.transform(X_test)
print("done in %0.3fs" % (time() - t0))


###############################################################################
# Train a SVM classification model

print("Fitting the classifier to the training set")
t0 = time()
param_grid = {'C': [1,10, 100, 500, 1e3, 5e3, 1e4, 5e4, 1e5],
              'gamma': [0.0001, 0.0005, 0.001, 0.005, 0.01, 0.1], }
clf = GridSearchCV(SVC(kernel='rbf', class_weight='balanced'), param_grid)
clf = clf.fit(X_train_pca, y_train)
print("done in %0.3fs" % (time() - t0))
print("Best estimator found by grid search:")
print(clf.best_estimator_)

print(clf.best_estimator_.n_support_)
###############################################################################
# Quantitative evaluation of the model quality on the test set

print("Predicting people's names on the test set")
t0 = time()
y_pred = clf.predict(X_test_pca)
print("done in %0.3fs" % (time() - t0))

print(classification_report(y_test, y_pred, target_names=target_names))
print(confusion_matrix(y_test, y_pred, labels=range(n_classes)))


###############################################################################
# Qualitative evaluation of the predictions using matplotlib

def plot_gallery(images, titles, h, w, n_row=3, n_col=4):
    """Helper function to plot a gallery of portraits"""
    plt.figure(figsize=(1.8 * n_col, 2.4 * n_row))
    plt.subplots_adjust(bottom=0, left=.01, right=.99, top=.90, hspace=.35)
    for i in range(n_row * n_col):
        plt.subplot(n_row, n_col, i + 1)
        # Show the feature face
        plt.imshow(images[i].reshape((h, w)), cmap=plt.cm.gray)
        plt.title(titles[i], size=12)
        plt.xticks(())
        plt.yticks(())


# plot the result of the prediction on a portion of the test set

def title(y_pred, y_test, target_names, i):
    pred_name = target_names[y_pred[i]].rsplit(' ', 1)[-1]
    true_name = target_names[y_test[i]].rsplit(' ', 1)[-1]
    return 'predicted: %s\ntrue:      %s' % (pred_name, true_name)

prediction_titles = [title(y_pred, y_test, target_names, i)
                     for i in range(y_pred.shape[0])]

plot_gallery(X_test, prediction_titles, h, w)

# plot the gallery of the most significative eigenfaces

eigenface_titles = ["eigenface %d" % i for i in range(eigenfaces.shape[0])]
plot_gallery(eigenfaces, eigenface_titles, h, w)

plt.show()

2 深度学习-人脸识别过程

不同于机器学习模型的人脸识别，深度学习将人脸特征向量化，以及人脸向量分类结合到了一起，通过神经网络算法一步到位。

深度学习-人脸识别系统都包括：

• 人脸检测
• 人脸对其
• 人脸识别

人脸检测

深度学习在图像分类中的巨大成功后很快被用于人脸检测的问题，起初解决该问题的思路大多是基于CNN网络的尺度不变性，对图片进行不同尺度的缩放，然后进行推理并直接对类别和位置信息进行预测。另外，由于对feature map中的每一个点直接进行位置回归，得到的人脸框精度比较低，因此有人提出了基于多阶段分类器由粗到细的检测策略检测人脸，例如主要方法有Cascade CNN、 DenseBox和MTCNN等等。

MTCNN是一个多任务的方法，第一次将人脸区域检测和人脸关键点检测放在了一起，与Cascade CNN一样也是基于cascade的框架，但是整体思路更加的巧妙合理，MTCNN总体来说分为三个部分：PNet、RNet和ONet，网络结构如下图所示。

人脸识别

人脸识别问题本质是一个分类问题，即每一个人作为一类进行分类检测，但实际应用过程中会出现很多问题。第一，人脸类别很多，如果要识别一个城镇的所有人，那么分类类别就将近十万以上的类别，另外每一个人之间可获得的标注样本很少，会出现很多长尾数据。根据上述问题，要对传统的CNN分类网络进行修改。

我们知道深度卷积网络虽然作为一种黑盒模型，但是能够通过数据训练的方式去表征图片或者物体的特征。因此人脸识别算法可以通过卷积网络提取出大量的人脸特征向量，然后根据相似度判断与底库比较完成人脸的识别过程，因此算法网络能不能对不同的人脸生成不同的特征，对同一人脸生成相似的特征，将是这类embedding任务的重点，也就是怎么样能够最大化类间距离以及最小化类内距离。

Metric Larning

深度学习中最先应用metric learning思想之一的便是DeepID2了。其中DeepID2最主要的改进是同一个网络同时训练verification和classification（有两个监督信号）。其中在verification loss的特征层中引入了contrastive loss。

Contrastive loss不仅考虑了相同类别的距离最小化，也同时考虑了不同类别的距离最大化，通过充分运用训练样本的label信息提升人脸识别的准确性。因此，该loss函数本质上使得同一个人的照片在特征空间距离足够近，不同人在特征空间里相距足够远直到超过某个阈值。(听起来和triplet loss有点像)。

选题指导, 项目分享：

https://gitee.com/yaa-dc/warehouse-1/blob/master/python/README.md