树莓派人工智能识别（手把手教你使用树莓派实现实时人脸检测）

本文介绍了如何在树莓派上，使用OpenCV和Python完成人脸检测项目。完成上述教程之后，你应该安装好了OpenCV虚拟环境，可用于在树莓派设备上运行本次实验。我们来到虚拟环境，确认OpenCV3已经正确安装。因此，全局站点包目录中的任意Python包对于cv虚拟环境而言都是不可用的。最常见的人脸检测方式是使用「Haar级联分类器」。这种机器学习方法基于大量正面、负面图像训练级联函数，然后用于检测其他图像中的对象。好消息是OpenCV具备训练器和检测器。

本文介绍了如何在树莓派上，使用 OpenCV 和 Python 完成人脸检测项目。该项目不仅描述了识别人脸所需要的具体步骤，同时还提供了很多扩展知识。此外，该项目并不需要读者了解详细的人脸识别理论知识，因此初学者也能轻松跟着步骤实现。

项目所需设备

硬件：

语言和库：

步骤

本文主要讲述如何使用 PiCam 实现实时人脸识别，如下图所示：

本教程使用 OpenCV 完成，一个神奇的「开源计算机视觉库」，并主要关注树莓派（因此，操作系统是树莓派系统）和 Python，但是我也在 Mac 电脑上测试了代码，同样运行很好。OpenCV 具备很强的计算效率，且专门用于实时应用。因此，它非常适合使用摄像头的实时人脸识别。要创建完整的人脸识别项目，我们必须完成3个阶段：

1）人脸检测和数据收集；

2）训练识别器；

3）人脸识别。

如下图所示：

第1步：材料清单

主件：

第2步：安装OpenCV 3包

我使用的是更新了最新版树莓派系统（Stretch）的树莓派 V3，因此安装 OpenCV 的最佳方式是按照 Adrian Rosebrock 写的教程来进行：《Raspbian Stretch: Install OpenCV 3Python on your Raspberry Pi》。经过几次尝试后，我觉得Adrian的教程最好，建议按照该教程一步步来安装。

完成上述教程之后，你应该安装好了 OpenCV 虚拟环境，可用于在树莓派设备上运行本次实验。

我们来到虚拟环境，确认 OpenCV 3 已经正确安装。

Adrian 推荐在每次打开新的终端时都运行命令行「source」，以确保系统变量都得到正确设置。

source ~/.profile

然后，我们进入虚拟环境：

workon cv

如果你看到 (cv) 出现在提示符之前，那么你就进入了 cv 虚拟环境：

(cv) pi@raspberry:~$

Adrian 希望大家注意 cv Python 虚拟环境是完全独立的，且与 Raspbian Stretch 中包含的默认 Python 版本彼此隔绝。因此，全局站点包目录中的任意 Python 包对于 cv 虚拟环境而言都是不可用的。类似地，cv 站点包中的任意 Python 包对于全局 Python 包安装也都是不可用的。

现在，进入 Python 解释器：

python

确认你正在运行3.5（或以上）版本。

在解释器内部（将出现>>>），导入 OpenCV 库：

import cv2

如果没有错误信息，则 OpenCV 已在你的 Python 虚拟环境中正确安装。

你还可以检查已安装的 OpenCV 版本：

cv2.__version__

将会出现3.3.0（或未来有可能发布更高版本）。

上面的终端截图显示了以上步骤。

第3步：测试摄像头

在树莓派上安装 OpenCV 之后，我们测试一下，以确认摄像头正常运转。假设你已经在树莓派上安装了 PiCam。

在 IDE 中输入下列 Python 代码：

import numpy as npimport cv2cap = cv2.VideoCapture(0)cap.set(3,640) # set Widthcap.set(4,480) # set Heightwhile(True): ret, frame = cap.read() frame = cv2.flip(frame, -1) # Flip camera vertically gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY) cv2.imshow('frame', frame) cv2.imshow('gray', gray) k = cv2.waitKey(30) & 0xff if k == 27: # press 'ESC' to quit breakcap.release()cv2.destroyAllWindows()

上面的代码可捕捉PiCam生成的视频流，用BGR颜色和灰色模式展示。

注意：我按照组装方式垂直旋转了摄像头。如果你的情况并非如此，那么注释或删除「flip」命令行。

你还可以从我的 GitHub 下载代码：https://github.com/Mjrovai/OpenCV-Object-Face-Tracking/blob/master/simpleCamTest.py

输入下面的命令行，开始执行：

python simpleCamTest.py

要完成该程序，你必须在键盘上按 [ESC] 键。在按 [ESC] 键之前，先鼠标点击视频窗口。

上图展示了结果。

想更多地了解 OpenCV，请查看该教程：https://pythonprogramming.net/loading-video-python-opencv-tutorial/

第4步：人脸检测

人脸识别的最基础任务是「人脸检测」。你必须首先「捕捉」人脸（第 1 阶段）才能在未来与捕捉到的新人脸对比时（第 3 阶段）识别它。

最常见的人脸检测方式是使用「Haar 级联分类器」。使用基于 Haar 特征的级联分类器的目标检测是 Paul Viola 和 Michael Jones 2001 年在论文《Rapid Object Detection using a Boosted Cascade of Simple Features》中提出的一种高效目标检测方法。这种机器学习方法基于大量正面、负面图像训练级联函数，然后用于检测其他图像中的对象。这里，我们将用它进行人脸识别。最初，该算法需要大量正类图像（人脸图像）和负类图像（不带人脸的图像）来训练分类器。然后我们需要从中提取特征。好消息是 OpenCV 具备训练器和检测器。如果你想要训练自己的对象分类器，如汽车、飞机等，你可以使用 OpenCV 创建一个。

详情参见：https://docs.opencv.org/3.3.0/dc/d88/tutorial_traincascade.html。

如果不想创建自己的分类器，OpenCV 也包含很多预训练分类器，可用于人脸、眼睛、笑容等的检测。相关的 XML 文件可从该目录下载：https://github.com/Itseez/opencv/tree/master/data/haarcascades。

下面，我们就开始用 OpenCV 创建人脸检测器吧！

从我的 GitHub 下载文件 faceDetection.py：https://github.com/Mjrovai/OpenCV-Face-Recognition/blob/master/FaceDetection/faceDetection.py。

import numpy as npimport cv2faceCascade = cv2.CascadeClassifier('Cascades/haarcascade_frontalface_default.xml')cap = cv2.VideoCapture(0)cap.set(3,640) # set Widthcap.set(4,480) # set Heightwhile True: ret, img = cap.read() img = cv2.flip(img, -1) gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) faces = faceCascade.detectMultiScale( gray,scaleFactor=1.2, minNeighbors=5,minSize=(20, 20) ) for (x,y,w,h) in faces: cv2.rectangle(img,(x,y),(x w,y h),(255,0,0),2) roi_gray = gray[y:y h, x:x w] roi_color = img[y:y h, x:x w]cv2.imshow('video',img) k = cv2.waitKey(30) & 0xff if k == 27: # press 'ESC' to quit breakcap.release()cv2.destroyAllWindows()

使用 Python 和 OpenCV 执行人脸检测，上面的几行代码就足够了。注意下面的代码：

faceCascade = cv2.CascadeClassifier('Cascades/haarcascade_frontalface_default.xml')

这行代码可以加载「分类器」（必须在项目文件夹下面的 Cascades/目录中）。然后，我们在在循环内部调用摄像头，并以 grayscale 模式加载我们的输入视频。现在，我们必须调用分类器函数，向其输入一些非常重要的参数，如比例因子、邻近数和人脸检测的最小尺寸。

faces = faceCascade.detectMultiScale( gray,scaleFactor=1.2, minNeighbors=5,minSize=(20, 20) )

其中：

该函数将检测图像中的人脸。接下来，我们必须「标记」图像中的人脸，比如，用蓝色矩形。使用下列代码完成这一步：

for (x,y,w,h) in faces: cv2.rectangle(img,(x,y),(x w,y h),(255,0,0),2) roi_gray = gray[y:y h, x:x w] roi_color = img[y:y h, x:x w]

如果已经标记好人脸，则函数将检测到的人脸的位置返回为一个矩形，左上角 (x,y)，w 表示宽度，h 表示高度 ==> (x,y,w,h)。详见下图。

得到这些位置信息后，我们可以为人脸创建一个「感兴趣区域」（绘制矩形），用 imshow() 函数呈现结果。使用树莓派终端，在你的 Python 环境中运行上面的 Python 脚本：

python faceDetection.py

结果如下：

你也可以加入诸如「眼睛检测」甚至「微笑检测」这样的检测器。在那些用例中，你需要把分类器函数和矩形框内加入原有的面部识别区域中，因为在区域外进行识别没有意义。

注意，在树莓派上，分类方法（HaarCascades）会消耗大量算力，所以在同一代码中使用多个分类器将会显著减慢处理速度。在台式机上运行这些算法则非常容易。

在我的 GitHub上你可以看到另外的例子：

在下图中，你可以看到我们的结果：

要想深入理解面部识别，可以参考这一教程：https://pythonprogramming.net/haar-cascade-face-eye-detection-python-opencv-tutorial/

第5步：收集数据

我推荐各位读者可以查看以下两个关于人脸识别的教程：

现在，我们项目的第一步是创建一个简单的数据集，该数据集将储存每张人脸的 ID 和一组用于人脸检测的灰度图。

因此，以下命令行将为我们的项目创建一个目录，目录名可以如以下为 FacialRecognitionProject 或其它：

mkdir FacialRecognitionProject

在该目录中，除了我们为项目创建的 3 个 Python 脚本外，我们还需要储存人脸分类器。我们可以从 GitHub 中下载：haarcascade_frontalface_default.xml。

下一步需要创建一个子目录「dtatset」，并用它来储存人脸样本：

mkdir dataset

然后从我的 GitHub 中下载代码 01_face_dataset.py。

import cv2import oscam = cv2.VideoCapture(0)cam.set(3, 640) # set video widthcam.set(4, 480) # set video heightface_detector = cv2.CascadeClassifier('haarcascade_frontalface_default.xml')# For each person, enter one numeric face idface_id = input('\n enter user id end press <return> ==> ')print("\n [INFO] Initializing face capture. Look the camera and wait ...")# Initialize individual sampling face countcount = 0while(True): ret, img = cam.read() img = cv2.flip(img, -1) # flip video image vertically gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY) faces = face_detector.detectMultiScale(gray, 1.3, 5) for (x,y,w,h) in faces: cv2.rectangle(img, (x,y), (x w,y h), (255,0,0), 2)count= 1 # Save the captured image into the datasets folder cv2.imwrite("dataset/User."str(face_id)'.'str(count)".jpg", gray[y:y h,x:x w]) cv2.imshow('image', img) k = cv2.waitKey(100) & 0xff # Press 'ESC' for exiting video if k == 27: break elif count >= 30: # Take 30 face sample and stop video break# Do a bit of cleanupprint("\n [INFO] Exiting Program and cleanup stuff")cam.release()cv2.destroyAllWindows()

上述的代码和人脸识别的代码非常像，我们只是添加了一个「input command」来捕捉用户 ID（整数）。

face_id = input('\n enter user id end press ==> ')

对于每一个捕捉的帧，我们应该在「dataset」目录中保存为文档：

cv2.imwrite("dataset/User."str(face_id)'.'str(count)".jpg", gray[y:y h,x:x w])

对于保存上述文件，我们需要导入「os」库，每一个文件的名字都服从以下结构：

User.face_id.count.jpg

例如，对于 face_id = 1 的用户，dataset/ 目录下的第四个样本文件名可能为：

User.1.4.jpg

在我的树莓派中，该图像可以打开为：

在我的代码中，我从每一个 ID 捕捉 30 个样本，我们能在最后一个条件语句中修改抽取的样本数。如果我们希望识别新的用户或修改已存在用户的相片，我们就必须以上脚本。

第六步：训练

在第二阶段中，我们需要从数据集中抽取所有的用户数据，并训练 OpenCV 识别器，这一过程可由特定的 OpenCV 函数直接完成。这一步将在「trainer/」目录中保存为.yml 文件。

所以，下面开始创建子目录以储存训练数据：

mkdir trainer

从我的 GitHub 中下载第二个 Python 脚本：02_face_training.py。

import cv2import numpy as npfrom PIL import Imageimport os# Path for face image databasepath = 'dataset'recognizer = cv2.face.LBPHFaceRecognizer_create()detector = cv2.CascadeClassifier("haarcascade_frontalface_default.xml");# function to get the images and label datadef getImagesAndLabels(path): imagePaths = [os.path.join(path,f) for f in os.listdir(path)]faceSamples=[] ids = [] for imagePath in imagePaths: PIL_img = Image.open(imagePath).convert('L') # convert it to grayscale img_numpy = np.array(PIL_img,'uint8') id = int(os.path.split(imagePath)[-1].split(".")[1]) faces = detector.detectMultiScale(img_numpy) for (x,y,w,h) in faces: faceSamples.append(img_numpy[y:y h,x:x w]) ids.append(id) return faceSamples,idsprint ("\n [INFO] Training faces. It will take a few seconds. Wait ...")faces,ids = getImagesAndLabels(path)recognizer.train(faces, np.array(ids))# Save the model into trainer/trainer.ymlrecognizer.write('trainer/trainer.yml') # recognizer.save() worked on Mac, but not on Pi# Print the numer of faces trained and end programprint("\n [INFO] {0} faces trained. Exiting Program".format(len(np.unique(ids))))

确定在 Rpi 中已经安装了 PIL 库，如果没有的话，在终端运行以下命令：

pip install pillow

我们将使用 LBPH（LOCAL BINARY PATTERNS HISTOGRAMS）人脸识别器，它由 OpenCV 提供：

recognizer = cv2.face.LBPHFaceRecognizer_create()

函数「getImagesAndLabels (path)」将抽取所有在目录「dataset/」中的照片，并返回 2 个数组：「Ids」和「faces」。通过将这些数组作为输入，我们就可以训练识别器。

recognizer.train(faces, ids)

在训练过后，文件「trainer.yml」将保存在我们前面定义的 trainer 目录下。此外，我们还在最后使用了 print 函数以确认已经训练的用户面部数量。

第7步：识别器

这是该项目的最后阶段。这里，我们将通过摄像头捕捉一个新人脸，如果这个人的面孔之前被捕捉和训练过，我们的识别器将会返回其预测的 id 和索引，并展示识别器对于该判断有多大的信心。

让我们从 GitHub 03_face_recognition.py 上下载第三阶段的 python 脚本。

import cv2import numpy as npimport osrecognizer = cv2.face.LBPHFaceRecognizer_create()recognizer.read('trainer/trainer.yml')cascadePath = "haarcascade_frontalface_default.xml"faceCascade = cv2.CascadeClassifier(cascadePath);font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX#iniciate id counterid = 0# names related to ids: example ==> Marcelo: id=1, etcnames = ['None', 'Marcelo', 'Paula', 'Ilza', 'Z', 'W']# Initialize and start realtime video capturecam = cv2.VideoCapture(0)cam.set(3, 640) # set video widhtcam.set(4, 480) # set video height# Define min window size to be recognized as a faceminW = 0.1*cam.get(3)minH = 0.1*cam.get(4)while True: ret, img =cam.read() img = cv2.flip(img, -1) # Flip vertically gray = cv2.cvtColor(img,cv2.COLOR_BGR2GRAY) faces = faceCascade.detectMultiScale( gray, scaleFactor = 1.2, minNeighbors = 5, minSize = (int(minW), int(minH)), ) for(x,y,w,h) in faces: cv2.rectangle(img, (x,y), (x w,y h), (0,255,0), 2) id, confidence = recognizer.predict(gray[y:y h,x:x w]) # Check if confidence is less them 100 ==> "0" is perfect match if (confidence < 100): id = names[id] confidence = " {0}%".format(round(100 - confidence)) else: id = "unknown" confidence = " {0}%".format(round(100 - confidence)) cv2.putText(img, str(id), (x 5,y-5), font, 1, (255,255,255), 2) cv2.putText(img, str(confidence), (x 5,y h-5), font, 1, (255,255,0), 1)cv2.imshow('camera',img) k = cv2.waitKey(10) & 0xff # Press 'ESC' for exiting video if k == 27: break# Do a bit of cleanupprint("\n [INFO] Exiting Program and cleanup stuff")cam.release()cv2.destroyAllWindows()

这里我们包含了一个新数组，因此我们将会展示「名称」，而不是编号的 id：

names = ['None', 'Marcelo', 'Paula', 'Ilza', 'Z', 'W']

所以，如上所示的列表，Marcelo 的 ID 或索引为 1，Paula 的 ID 等于 2。

下一步，我们将检测一张人脸，正如我们在之前的 haasCascade 分类器中所做的那样。

id, confidence = recognizer.predict(gray portion of the face)

recognizer.predict () 将把待分析人脸的已捕捉部分作为一个参数，并返回其可能的所有者，指示其 id 以及识别器与这一匹配相关的置信度。