[OpenCV实战]1 基于深度学习识别人脸性别和年龄

目录

​​1基于CNN的性别分类建模原理​​

​​1.1 人脸识别​​

​​1.2 性别预测​​

​​1.3 年龄预测​​

​​1.4 结果​​

​​2 代码​​

​​参考​​

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本教程中，我们将讨论应用于面部的深层学习的有趣应用。我们将估计年龄，并从单个图像中找出该人的性别。模型由GilLevi和TalHassner训练（​​https://talhassner.github.io/home/publication/2015_CVPR​​）。本文介绍了如何在OpenCV中使用该模型的步骤说明。Opencv版本3.4.3以上。代码教程代码可以分为四个部分：

1基于CNN的性别分类建模原理

作者使用非常简单的卷积神经网络结构，类似于Caffenet和Alexnet。网络使用3个卷积层、2个全连接层和一个最终的输出层。下面给出了这些层的细节。COV1：第一卷积层具有96个内核大小7的节点。COV2：第二个卷积层Conv层具有256个具有内核大小5的节点。CONV3：第三个CONV层具有384个内核大小为3的节点。两个完全连接的层各自具有512个节点。

训练数据来源：​​https://talhassner.github.io/home/projects/Adience/Adience-data.html​​

检测程序主要有四块：检测人脸检测、性别检测、年龄显示和输出。

1.1 人脸识别

我们将使用人脸检测器（tensorflow模型）进行人脸检测。该模型很简单，即使在CPU上也是相当快的。详细见论文：

​​https://arxiv.org/pdf/1502.00046.pdf​​

1.2 性别预测

将性别预测设定为一个分类问题。性别预测网络（caffe模型）中的输出层类型为两类，2个节点表示“男性”和“女性”两类。以这两个输出的最大值作为最终的性别。

1.3 年龄预测

理想情况下，年龄预测应该作为一个回归问题来处理。然而通过回归准确估计年龄是很有挑战性的。即使是人类也无法通过观察一个人来准确预测年龄。但是我们能够知道他们是20多岁还是30多岁。由于这个原因，把这个问题描述为一个分类问题是明智的，因为我们试图估计这个人所处的年龄组。例如，0-2范围内的年龄是一个类，4-6是另一个类，依此类推。因此数据集分为以下8个年龄组[(0-2)、(4-6)、(8-12)、(15-20)、(25-32)、(38-43)、(48-53)、(60-100)]。因此，年龄预测网络在最后一层有8个节点，表示所述年龄范围。

应该记住，从一幅图像中预测年龄并不是一个很容易解决的问题，因为感知到的年龄取决于许多因素，而同龄的人在世界各地可能看起来很不一样。而且，人们非常努力地隐藏他们的真实年龄！

我们加载年龄网络（caffe模型）并使用前向通道获得输出。由于网络结构类似于性别网络，所以我们可以从所有输出中提取出最大值来得到预测的年龄组

1.4 结果

尽管性别预测网络表现良好，但年龄预测网络仍未达到我们的预期。所以添加人脸对齐算法或者数据样本很多时候，可以通过回归的模型来检测。但是性别人脸检测还是很准确的。

2 代码

在VS2017下运行了C++代码，其中OpenCV版本至少要3.4.5以上。不然模型读取会有问题。三个模型文件太大，见下载链接：

​​​​​​​​https://github.com/luohenyueji/OpenCV-Practical-Exercise​​

如果没有积分（系统自动设定资源分数）看看参考链接。我搬运过来的，大修改没有。

其中tensorflow和caffe模型都可以用opencv中的readnet函数读取，流程很简单。看看代码就会。

代码提供了C++和Python版本，但是python版本没有运行，原因opencv版本太低，不想升级。代码都有详细的注释。

C++版本：

#include <tuple>
#include <iostream>
#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <opencv2/dnn.hpp>
#include <iterator>
using namespace cv;
using namespace cv::dnn;
using namespace std;

/**
 * @brief Get the Face Box object 人脸定位
 *
 * @param net 人脸检测网络
 * @param frame 检测图像
 * @param conf_threshold 阈值
 * @return tuple<Mat, vector<vector<int>>> 元组容器，可返回多个值
 */
tuple<Mat, vector<vector<int>>> getFaceBox(Net net, Mat &frame, double conf_threshold)
{
  //图像复制
  Mat frameOpenCVDNN = frame.clone();
  int frameHeight = frameOpenCVDNN.rows;
  int frameWidth = frameOpenCVDNN.cols;
  //缩放尺寸
  double inScaleFactor = 1.0;
  //检测图大小
  Size size = Size(300, 300);
  // std::vector<int> meanVal = {104, 117, 123};
  Scalar meanVal = Scalar(104, 117, 123);

  cv::Mat inputBlob;
  inputBlob = cv::dnn::blobFromImage(frameOpenCVDNN, inScaleFactor, size, meanVal, true, false);
  net.setInput(inputBlob, "data");
  //四维矩阵输出
  cv::Mat detection = net.forward("detection_out");
  //提取结果信息
  cv::Mat detectionMat(detection.size[2], detection.size[3], CV_32F, detection.ptr<float>());

  vector<vector<int>> bboxes;

  for (int i = 0; i < detectionMat.rows; i++)
  {
    //预测概率
    float confidence = detectionMat.at<float>(i, 2);

    if (confidence > conf_threshold)
    {
      //左上角点，坐标被归一化
      int x1 = static_cast<int>(detectionMat.at<float>(i, 3) * frameWidth);
      int y1 = static_cast<int>(detectionMat.at<float>(i, 4) * frameHeight);
      //右下角角点，坐标被归一化
      int x2 = static_cast<int>(detectionMat.at<float>(i, 5) * frameWidth);
      int y2 = static_cast<int>(detectionMat.at<float>(i, 6) * frameHeight);
      vector<int> box = { x1, y1, x2, y2 };
      //人脸坐标
      bboxes.push_back(box);
      //图像框选
      cv::rectangle(frameOpenCVDNN, cv::Point(x1, y1), cv::Point(x2, y2), cv::Scalar(0, 255, 0), 2, 4);
    }
  }

  return make_tuple(frameOpenCVDNN, bboxes);
}

int main(void)
{
  //人脸模型
  string faceProto = "model/opencv_face_detector.pbtxt";
  string faceModel = "model/opencv_face_detector_uint8.pb";

  //年龄模型
  string ageProto = "model/age_deploy.prototxt";
  string ageModel = "model/age_net.caffemodel";

  //性别模型
  string genderProto = "model/gender_deploy.prototxt";
  string genderModel = "model/gender_net.caffemodel";

  //均值
  Scalar MODEL_MEAN_VALUES = Scalar(78.4263377603, 87.7689143744, 114.895847746);

  //年龄段标签
  vector<string> ageList = { "(0-2)", "(4-6)", "(8-12)", "(15-20)", "(25-32)",
    "(38-43)", "(48-53)", "(60-100)" };

  //性别标签
  vector<string> genderList = { "Male", "Female" };

  //导入网络
  Net ageNet = cv::dnn::readNet(ageProto, ageModel);
  Net genderNet = cv::dnn::readNet(genderProto, genderModel);
  Net faceNet = cv::dnn::readNetFromTensorflow(faceModel, faceProto);

  //打开摄像头
  VideoCapture cap;
  cap.open(0);
  if (cap.isOpened())
  {
    cout << "camera is opened!" << endl;
  }
  else
  {
    return 0;
  }

  int padding = 20;
  while (waitKey(1) < 0)
  {
    // read frame 读图
    Mat frame;
    cap.read(frame);
    if (frame.empty())
    {
      waitKey();
      break;
    }
    frame = imread("./images/couple1.jpg");
    //人脸坐标
    vector<vector<int>> bboxes;
    //人脸检测结果图
    Mat frameFace;
    //人脸定位
    //tie()函数解包frameFace和bboxes
    tie(frameFace, bboxes) = getFaceBox(faceNet, frame, 0.7);
    //人脸判断
    if (bboxes.size() == 0)
    {
      cout << "No face detected, checking next frame." << endl;
      continue;
    }
    //逐个提取人脸检测
    for (auto it = begin(bboxes); it != end(bboxes); ++it)
    {
      //框选人脸
      Rect rec(it->at(0) - padding, it->at(1) - padding, it->at(2) - it->at(0) + 2 * padding, it->at(3) - it->at(1) + 2 * padding);
      //避免人脸框选超过图像边缘
      rec.width = ((rec.x + rec.width) > frame.cols) ? (frame.cols - rec.x - 1) : rec.width;
      rec.height = ((rec.y + rec.height) > frame.rows) ? (frame.rows - rec.y - 1) : rec.height;

      // take the ROI of box on the frame,原图中提取人脸
      Mat face = frame(rec);

      //性别检测
      Mat blob;
      blob = blobFromImage(face, 1, Size(227, 227), MODEL_MEAN_VALUES, false);
      genderNet.setInput(blob);
      // string gender_preds; 获取前向传播softmax结果
      vector<float> genderPreds = genderNet.forward();
      // find max element index max_element用于找寻最大值
      // distance function does the argmax() work in C++ distance返回最大值和第一个值下标的距离
      int max_index_gender = std::distance(genderPreds.begin(), max_element(genderPreds.begin(), genderPreds.end()));
      //获得检测结果
      string gender = genderList[max_index_gender];
      cout << "Gender: " << gender << endl;

      //年龄识别
      ageNet.setInput(blob);
      vector<float> agePreds = ageNet.forward();
      // finding maximum indicd in the age_preds vector 找到年龄预测最大下表
      int max_indice_age = std::distance(agePreds.begin(), max_element(agePreds.begin(), agePreds.end()));
      string age = ageList[max_indice_age];
      cout << "Age: " << age << endl;

      // label 输出标签
      string label = gender + ", " + age;
      //在人脸定位图上显示结果
      cv::putText(frameFace, label, Point(it->at(0), it->at(1) - 15), cv::FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.9, Scalar(0, 255, 255), 2, cv::LINE_AA);
    }
    //保存结果
    imshow("Frame", frameFace);
    imwrite("out.jpg", frameFace);
  }
}

python版本：

# Import required modules
import cv2 as cv
import time
import argparse

def getFaceBox(net, frame, conf_threshold=0.7):
    frameOpencvDnn = frame.copy()
    frameHeight = frameOpencvDnn.shape[0]
    frameWidth = frameOpencvDnn.shape[1]
    blob = cv.dnn.blobFromImage(frameOpencvDnn, 1.0, (300, 300), [104, 117, 123], True, False)

    net.setInput(blob)
    detections = net.forward()
    bboxes = []
    for i in range(detections.shape[2]):
        confidence = detections[0, 0, i, 2]
        if confidence > conf_threshold:
            x1 = int(detections[0, 0, i, 3] * frameWidth)
            y1 = int(detections[0, 0, i, 4] * frameHeight)
            x2 = int(detections[0, 0, i, 5] * frameWidth)
            y2 = int(detections[0, 0, i, 6] * frameHeight)
            bboxes.append([x1, y1, x2, y2])
            cv.rectangle(frameOpencvDnn, (x1, y1), (x2, y2), (0, 255, 0), int(round(frameHeight/150)), 8)
    return frameOpencvDnn, bboxes


parser = argparse.ArgumentParser(description='Use this script to run age and gender recognition using OpenCV.')
parser.add_argument('--input', help='Path to input image or video file. Skip this argument to capture frames from a camera.')

args = parser.parse_args()

faceProto = "age_gender/model/opencv_face_detector.pbtxt"
faceModel = "age_gender/model/opencv_face_detector_uint8.pb"

ageProto = "age_gender/model/age_deploy.prototxt"
ageModel = "age_gender/model/age_net.caffemodel"

genderProto = "age_gender/model/gender_deploy.prototxt"
genderModel = "age_gender/model/gender_net.caffemodel"

MODEL_MEAN_VALUES = (78.4263377603, 87.7689143744, 114.895847746)
ageList = ['(0-2)', '(4-6)', '(8-12)', '(15-20)', '(25-32)', '(38-43)', '(48-53)', '(60-100)']
genderList = ['Male', 'Female']

# Load network
ageNet = cv.dnn.readNet(ageModel, ageProto)
genderNet = cv.dnn.readNet(genderModel, genderProto)
faceNet = cv.dnn.readNet(faceModel, faceProto)

# Open a video file or an image file or a camera stream
cap = cv.VideoCapture(args.input if args.input else 0)
padding = 20
while cv.waitKey(1) < 0:
    # Read frame
    t = time.time()
    hasFrame, frame = cap.read()
    if not hasFrame:
        cv.waitKey()
        break

    frameFace, bboxes = getFaceBox(faceNet, frame)
    if not bboxes:
        print("No face Detected, Checking next frame")
        continue

    for bbox in bboxes:
        # print(bbox)
        face = frame[max(0,bbox[1]-padding):min(bbox[3]+padding,frame.shape[0]-1),max(0,bbox[0]-padding):min(bbox[2]+padding, frame.shape[1]-1)]

        blob = cv.dnn.blobFromImage(face, 1.0, (227, 227), MODEL_MEAN_VALUES, swapRB=False)
        genderNet.setInput(blob)
        genderPreds = genderNet.forward()
        gender = genderList[genderPreds[0].argmax()]
        # print("Gender Output : {}".format(genderPreds))
        print("Gender : {}, conf = {:.3f}".format(gender, genderPreds[0].max()))

        ageNet.setInput(blob)
        agePreds = ageNet.forward()
        age = ageList[agePreds[0].argmax()]
        print("Age Output : {}".format(agePreds))
        print("Age : {}, conf = {:.3f}".format(age, agePreds[0].max()))

        label = "{},{}".format(gender, age)
        cv.putText(frameFace, label, (bbox[0], bbox[1]-10), cv.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.8, (0, 255, 255), 2, cv.LINE_AA)
        cv.imshow("Age Gender Demo", frameFace)
        # cv.imwrite("age-gender-out-{}".format(args.input),frameFace)
    print("time : {:.3f}".format(time.time() - t))

参考

​​https://www.learnopencv.com/age-gender-classification-using-opencv-deep-learning-c-python/​​