OpenCV实战：人脸关键点检测（FaceMark）

Summary：利用OpenCV中的LBF算法进行人脸关键点检测（Facial Landmark Detection）

Author：    Amusi

Date：       2018-03-20

Note：       OpenCV3.4以及上支持Facemark

原文：OpenCV实战：人脸关键点检测（FaceMark）

PS：点击“阅读原文”，可以下载所有源码和模型，记得给star哦！

教程目录

• 测试环境

• 引言

• Facemark API

• Facemark训练好的模型

• 利用OpenCV代码进行实时人脸关键点检测

• 步骤

• 代码

• 实验结果

• Reference

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测试环境

• Windows10

• Visual Studio 2013

• OpenCV3.4.1

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引言

人脸一般是有68个关键点，常用的人脸开源库有Dlib，还有很多深度学习的方法。

本教程仅利用OpenCV，不依赖任何其它第三方库来实现人脸关键点检测，这一特性是之前没有的。因为OpenCV自带的samples中只有常见的人脸检测、眼睛检测和眼镜检测等（方法是harr+cascade或lbp+cascade）。

本教程主要参考Facemark : Facial Landmark Detection using OpenCV[1]

截止到2018-03-20，OpenCV3.4可支持三种人脸关键点检测，但目前只能找到一种已训练好的模型，所以本教程只介绍一种实现人脸关键点检测的算法。而且此类算法还没有Python接口，所以这里只介绍C++的代码实现。

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Facemark API

OpenCV官方的人脸关键点检测API称为Facemark。Facemark目前分别基于下述三篇论文，实现了三种人脸关键点检测的方法。

• FacemarkKazemi[2]: This implementation is based on a paper titled “One Millisecond Face Alignment with an Ensemble of Regression Trees” by V.Kazemi and J. Sullivan published in CVPR 2014[3]. An alternative implementation of this algorithm can be found in DLIB

• FacemarkAAM[4]: This implementation uses an Active Appearance Model (AAM) and is based on an the paper titled “Optimization problems for fast AAM fitting in-the-wild” by G. Tzimiropoulos and M. Pantic, published in ICCV 2013[5].

• FacemarkLBF[6]: This implementation is based a paper titled “Face alignment at 3000 fps via regressing local binary features” by S. Ren published in CVPR 2014[7].

在写这篇文章的时候，FacemarkKazemi类似乎不是从Facemark类派生的，而其他两个类都是。

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Facemark训练好的模型

尽管Facemark API包含三种不同的实现，但只有FacemarkLBF（local binary features，LBF）才提供经过训练的模型。 （之后在我们根据公共数据集训练我们自己的模型后，这篇文章将在未来更新）

你可以从中下载已训练好的模型：

• lbfmodel.yaml[8]

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利用OpenCV代码进行实时人脸关键点检测

步骤

1. 加载人脸检测器（face detector）

所有的人脸关键点检测算法的输入都是一个截切的人脸图像。因为，我们的第一步就是在图像中检测所有的人脸，并将所有的人脸矩形框输入到人脸关键点检测器中。这里，我们可以使用OpenCV的Haar人脸检测器或者lbp人脸检测器来检测人脸。

2. 创建Facemark对象

创建Facemark类的对象。在OpenCV中，Facemark是使用智能指针（smart pointer，PTR），所以我们不需要考虑内存泄漏问题。

3. 加载landmark检测器

加载关键点检测器（lbfmodel.yaml）。此人脸检测器是在几千幅带有关键点标签的人脸图像上训练得到的。

带有注释/标签关键点的人脸图像公共数据集可以访问这个链接下载：https://ibug.doc.ic.ac.uk/resources/facial-point-annotations/

4.从网络摄像头中捕获帧

捕获视频帧并处理。我们既可以打开一个本地视频(.mp4)，也可以打开网络摄像机（如果电脑有的话）来进行人脸关键点检测。

5. 检测人脸

我们对视频的每一帧运行人脸检测器。人脸检测器的输出是一个包含一个或多个矩形（rectangles）的容器（vector），即视频帧中可能有一张或者多张人脸。

6. 运行人脸关键点检测器

我们根据人脸矩形框截取原图中的人脸ROI，再利用人脸关键点检测器（facial landmark detector）对人脸ROI进行检测。

对于每张脸我们获得，我们可以获得68个关键点，并将其存储在点的容器中。因为视频帧中可能有多张脸，所以我们应采用点的容器的容器。

7. 绘制人脸关键点

根据获得关键点，我们可以在视频帧上绘制出来并显示。

代码

本教程的代码一共有两个程序，分别为faceLandmarkDetection.cpp和drawLandmarks.hpp。

• faceLandmarkDetection.cpp实现视频帧捕获、人脸检测、人脸关键点检测；

• drawLandmarks.hpp实现人脸关键点绘制和多边形线绘制。

faceLandmarkDetection.cpp

 1// Summary: 利用OpenCV的LBF算法进行人脸关键点检测
 2// Author:  Amusi
 3// Date:    2018-03-20
 4// Reference:
 5//        [1]Tutorial: https://www.learnopencv.com/facemark-facial-landmark-detection-using-opencv/
 6//        [2]Code: https://github.com/spmallick/learnopencv/tree/master/FacialLandmarkDetection
 7
 8// Note: OpenCV3.4以及上支持Facemark
 9
10#include <opencv2/opencv.hpp>
11#include <opencv2/face.hpp>
12#include "drawLandmarks.hpp"
13
14
15using namespace std;
16using namespace cv;
17using namespace cv::face;
18
19
20int main(int argc,char** argv)
21{
22    // 加载人脸检测器（Face Detector）
23    // [1]Haar Face Detector
24    //CascadeClassifier faceDetector("haarcascade_frontalface_alt2.xml");
25    // [2]LBP Face Detector
26    CascadeClassifier faceDetector("lbpcascade_frontalface.xml");
27
28    // 创建Facemark类的对象
29    Ptr<Facemark> facemark = FacemarkLBF::create();
30
31    // 加载人脸检测器模型
32    facemark->loadModel("lbfmodel.yaml");
33
34    // 设置网络摄像头用来捕获视频
35    VideoCapture cam(0);
36
37    // 存储视频帧和灰度图的变量
38    Mat frame, gray;
39
40    // 读取帧
41    while(cam.read(frame))
42    {
43
44      // 存储人脸矩形框的容器
45      vector<Rect> faces;
46      // 将视频帧转换至灰度图, 因为Face Detector的输入是灰度图
47      cvtColor(frame, gray, COLOR_BGR2GRAY);
48
49      // 人脸检测
50      faceDetector.detectMultiScale(gray, faces);
51
52      // 人脸关键点的容器
53      vector< vector<Point2f> > landmarks;
54
55      // 运行人脸关键点检测器（landmark detector）
56      bool success = facemark->fit(frame,faces,landmarks);
57
58      if(success)
59      {
60        // 如果成功, 在视频帧上绘制关键点
61        for(int i = 0; i < landmarks.size(); i++)
62        {
63            // 自定义绘制人脸特征点函数, 可绘制人脸特征点形状/轮廓
64            drawLandmarks(frame, landmarks[i]);
65            // OpenCV自带绘制人脸关键点函数: drawFacemarks
66            drawFacemarks(frame, landmarks[i], Scalar(0, 0, 255));
67        }
68
69      }
70
71      // 显示结果
72      imshow("Facial Landmark Detection", frame);
73
74      // 如果按下ESC键, 则退出程序
75      if (waitKey(1) == 27) break;
76
77    }
78    return 0;
79}

drawLandmarks.hpp

 1// Summary: 绘制人脸关键点和多边形线
 2// Author:  Amusi
 3// Date:    2018-03-20
 4
 5#ifndef _renderFace_H_
 6#define _renderFace_H_
 7
 8#include <iostream>
 9#include <opencv2/opencv.hpp>
10
11using namespace cv; 
12using namespace std; 
13
14#define COLOR Scalar(255, 200,0)
15
16// drawPolyline通过连接开始和结束索引之间的连续点来绘制多边形线。
17void drawPolyline
18(
19  Mat &im,
20  const vector<Point2f> &landmarks,
21  const int start,
22  const int end,
23  bool isClosed = false
24)
25{
26    // 收集开始和结束索引之间的所有点
27    vector <Point> points;
28    for (int i = start; i <= end; i++)
29    {
30        points.push_back(cv::Point(landmarks[i].x, landmarks[i].y));
31    }
32
33    // 绘制多边形曲线
34    polylines(im, points, isClosed, COLOR, 2, 16);
35
36}
37
38// 绘制人脸关键点
39void drawLandmarks(Mat &im, vector<Point2f> &landmarks)
40{
41    // 在脸上绘制68点及轮廓（点的顺序是特定的，有属性的）
42    if (landmarks.size() == 68)
43    {
44      drawPolyline(im, landmarks, 0, 16);           // Jaw line
45      drawPolyline(im, landmarks, 17, 21);          // Left eyebrow
46      drawPolyline(im, landmarks, 22, 26);          // Right eyebrow
47      drawPolyline(im, landmarks, 27, 30);          // Nose bridge
48      drawPolyline(im, landmarks, 30, 35, true);    // Lower nose
49      drawPolyline(im, landmarks, 36, 41, true);    // Left eye
50      drawPolyline(im, landmarks, 42, 47, true);    // Right Eye
51      drawPolyline(im, landmarks, 48, 59, true);    // Outer lip
52      drawPolyline(im, landmarks, 60, 67, true);    // Inner lip
53    }
54    else 
55    { 
56        // 如果人脸关键点数不是68，则我们不知道哪些点对应于哪些面部特征。所以，我们为每个landamrk画一个圆圈。
57        for(int i = 0; i < landmarks.size(); i++)
58        {
59            circle(im,landmarks[i],3, COLOR, FILLED);
60        }
61    }
62
63}
64
65#endif // _renderFace_H_

实验结果

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Reference

[1]Tutorial：https://www.learnopencv.com/facemark-facial-landmark-detection-using-opencv/

[2]FacemarkKazemi：https://docs.opencv.org/trunk/dc/de0/classcv_1_1face_1_1FacemarkKazemi.html

[3]One Millisecond Face Alignment with an Ensemble of Regression Trees：http://www.csc.kth.se/~vahidk/face_ert.html

[4]FacemarkAAM：

https://docs.opencv.org/trunk/d5/d7b/classcv_1_1face_1_1FacemarkAAM.html

[5]Optimization problems for fast AAM fitting in-the-wild：

https://ibug.doc.ic.ac.uk/media/uploads/documents/tzimiro_pantic_iccv2013.pdf

[6]FacemarkLBF：https://docs.opencv.org/trunk/dc/d63/classcv_1_1face_1_1FacemarkLBF.html

[7]Face alignment at 3000 fps via regressing local binary features：http://www.jiansun.org/papers/CVPR14_FaceAlignment.pdf

[8]lbfmodel.yaml：https://github.com/kurnianggoro/GSOC2017/blob/master/data/lbfmodel.yaml