手把手 Golang 实现静态图像与视频流人脸识别

说起人脸识别,大家首先想到的实现方式应该是 Python 去做相关的处理,因为相关的机器学习框架,库都已经封装得比较好了。但是我们今天讨论的实现方式换成 Golang,利用 Golang 去做静态图像和视频流人脸识别的相应处理。

静态图像人脸识别

首先我们来进行静态的人脸识别,Golang 这边相较于 Python 社区来说相对少一些,不过依然有一些优秀的库可以供我们使用。今天我们用到的就是 go-face 这个库。该库利用 dlib 去实现人脸识别,一个很受欢迎的机器学习工具集,它可以说是人脸识别中使用最多的软件包之一。在产学界有广泛应用,涵盖了机器人学,嵌入式设备,移动设备等等。在它官网的文档中提到在 Wild 基准测试中识别标记面部的准确度达到惊人的 99.4%,这也说明为什么它能得到广泛的应用。

在我们开始码代码之前,首先需要安装 dlib。Windows 平台相对麻烦一些,具体在官网有安装方案,这里我介绍两个平台。

Ubuntu 18.10+, Debian sid

最新版本的 Ubuntu 和 Debian 都提供合适的 dlib 包,所以只需要运行。

# Ubuntu
sudo apt-get install libdlib-dev libblas-dev liblapack-dev libjpeg-turbo8-dev
# Debian
sudo apt-get install libdlib-dev libblas-dev liblapack-dev libjpeg62-turbo-dev

macOS

确保安装了 Homebrew

brew install dlib

创建项目及准备工作

在 GOPATH 的 src 目录下,创建项目文件,命令如下。

sudo makedir go-face-test
# 创建 main.go
sudo touch main.go

然后进入该目录下,生成 mod 文件。

sudo go mod init

调用该命令后,在 go-face-test 目录下应该已经生成了 go.mod 文件。

该库需要三个模型 shape_predictor_5_face_landmarks.dat , **mmod_human_face_detector.dat** 和 **dlib_face_recognition_resnet_model_v1.dat** ,在 go-face-test 目录下下载相应的测试数据。

git clone https://github.com/Kagami/go-face-testdata testdata

最终的项目结构应该如图。

代码实现

首先,我们利用代码检查环境是否正常。初始化识别器,释放资源。

package main

import (
	"fmt"

	"github.com/Kagami/go-face"
)

const dataDir = "testdata"

// testdata 目录下两个对应的文件夹目录
const (
	modelDir  = dataDir + "/models"
	imagesDir = dataDir + "/images"
)

func main() {
	fmt.Println("Face Recognition...")

	// 初始化识别器
	rec, err := face.NewRecognizer(modelDir)
	if err != nil {
		fmt.Println("Cannot INItialize recognizer")
	}
	defer rec.Close()

	fmt.Println("Recognizer Initialized")
}

编译然后运行代码。

sudo go run main.go

应该得到下面输出。

Face Recognition...
Recognizer Initialized

到这一步,我们已经成功的设置好了需要的一切。

检测图片中人脸数量

首先准备一张林俊杰的照片,放到任意目录下,为了演示方便,我放在了 main.go 同级目录下。

如你所见,现在什么都没有,只有一张图片,接下来我们要让计算机计算图片中的人脸数量。

package main

import (
	"fmt"
	"log"

	"github.com/Kagami/go-face"
)

const dataDir = "testdata"

// testdata 目录下两个对应的文件夹目录
const (
	modelDir  = dataDir + "/models"
	imagesDir = dataDir + "/images"
)

func main() {
	fmt.Println("Face Recognition...")

	// 初始化识别器
	rec, err := face.NewRecognizer(modelDir)
	if err != nil {
		fmt.Println("Cannot INItialize recognizer")
	}
	defer rec.Close()

	fmt.Println("Recognizer Initialized")

	// 调用该方法,传入路径。返回面部数量和任何错误
	faces, err := rec.RecognizeFile("linjunjie.jpeg")
	if err != nil {
		log.Fatalf("无法识别: %v", err)
	}
	// 打印人脸数量
	fmt.Println("图片人脸数量: ", len(faces))
}

核心代码其实就是一行,go-face 封装进行识别的方法,传入相应路径的图片文件,执行代码后结果如下。

Face Recognition...
Recognizer Initialized
图片人脸数量:  1

现在笨笨的计算机已经会数人脸数量了。那…如果一张照片里面有多人准不准呢,我们试试看,准备一张多人合照图片。

我们将第 31 行代码换成如下即可。

faces, err := rec.RecognizeFile("heyin.jpeg")

运行后的结果应该打印 ( 图片人脸数量: 6 ),接下来正式看展我们的人脸识别。

人脸识别

首先我们准备一张合照,这里依然沿用上面的 heyin.jpeg

整个处理过程大致分为以下几步。

  1. 将合影中人物映射到唯一 ID, 然后将唯一 ID 和对应人物相关联。
var samples []face.Descriptor
	var peoples []int32
	for i, f := range faces {
		samples = append(samples, f.Descriptor)
		// 每张脸唯一 id
		peoples = append(peoples, int32(i))
	}

	// Pass samples to the recognizer.
	rec.SetSamples(samples, peoples)
  1. 接下来我们封装一个人脸识别的方法,传入识别器和照片路径,打印对应人物 ID,人物名字。
func RecognizePeople(rec *face.Recognizer, file string) {
	people, err := rec.RecognizeSingleFile(file)
	if err != nil {
		log.Fatalf("无法识别: %v", err)
	}
	if people == nil {
		log.Fatalf("图片上不是一张脸")
	}
	peopleID := rec.Classify(people.Descriptor)
	if peopleID < 0 {
		log.Fatalf("无法区分")
	}
	fmt.Println(peopleID)
	fmt.Println(labels[peopleID])
}
  1. 最后我们传入想要识别的图片,目前传入了 3 张图片,感兴趣的小伙伴可以传入其他图片尝试。

  1. 调用三次。
RecognizePeople(rec, "jay.jpeg")
	RecognizePeople(rec, "linjunjie.jpeg")
	RecognizePeople(rec, "taozhe.jpeg")

代码如下

package main

import (
	"fmt"
	"log"

	"github.com/Kagami/go-face"
)

const dataDir = "testdata"

// testdata 目录下两个对应的文件夹目录
const (
	modelDir  = dataDir + "/models"
	imagesDir = dataDir + "/images"
)

// 图片中的人名
var labels = []string{
	"萧敬腾",
	"周杰伦",
	"unknow",
	"王力宏",
	"陶喆",
	"林俊杰",
}

func main() {
	fmt.Println("Face Recognition...")

	// 初始化识别器
	rec, err := face.NewRecognizer(modelDir)
	if err != nil {
		fmt.Println("Cannot INItialize recognizer")
	}
	defer rec.Close()

	fmt.Println("Recognizer Initialized")

	// 调用该方法,传入路径。返回面部数量和任何错误
	faces, err := rec.RecognizeFile("heyin.jpeg")
	if err != nil {
		log.Fatalf("无法识别: %v", err)
	}
	// 打印人脸数量
	fmt.Println("图片人脸数量: ", len(faces))

	var samples []face.Descriptor
	var peoples []int32
	for i, f := range faces {
		samples = append(samples, f.Descriptor)
		// 每张脸唯一 id
		peoples = append(peoples, int32(i))
	}

	// 传入样例到识别器
	rec.SetSamples(samples, peoples)

	RecognizePeople(rec, "jay.jpeg")
	RecognizePeople(rec, "linjunjie.jpeg")
	RecognizePeople(rec, "taozhe.jpeg")
}

func RecognizePeople(rec *face.Recognizer, file string) {
	people, err := rec.RecognizeSingleFile(file)
	if err != nil {
		log.Fatalf("无法识别: %v", err)
	}
	if people == nil {
		log.Fatalf("图片上不是一张脸")
	}
	peopleID := rec.Classify(people.Descriptor)
	if peopleID < 0 {
		log.Fatalf("无法区分")
	}
	fmt.Println(peopleID)
	fmt.Println(labels[peopleID])
}

运行结果

最后我们运行代码。

go build main.go
./main

结果如下

图片人脸数量:  6
1
周杰伦
5
林俊杰
4
陶喆

恭喜你,你已经成功的识别出这三张图片是谁了,到这一步,静态的图像人脸识别已经完成了。

静态人脸识别总结

到这一步我们已经可以成功的利用 Go 实现了静态人脸识别。将其运用到项目中也不是不可,不过它有诸多局限,使用的场景较为单一,只能用在例如用户上传人脸身份识别,单一人脸识别等场景;图片格式较为单一,暂时不支持 PNG 格式等缺点。

视频流人脸识别

背景

静态的人脸识别应用场景较为局限,不能够放到比较重要的环境中,例如金融,保险,安防等领域,存在伪造等可能。而且单纯的静态人脸识别,意义不大。动态的视频流拥有更加广阔的应用空间,充分应用在智能安防,手势识别,美颜等领域。5G 时代,众多业务将围绕视频这一块展开,如何将视频业务与核心业务实现解耦,声网的 RTE 组件做得不错,作为 RTE-PaaS 的开创者,声网已经有较多的技术积累,通过 RTE 组件的形式有很多好处。

RTE 优点

  1. 应用无关性

可以在不同的项目间共享,实现复用,避免多次开发的重复性工作

  1. 平台无关性

广泛应用于操作系统,编程语言及各领域

  1. 丰富的三方模块

能够提供例如白板教学,视频美颜,鉴黄等众多模块供开发者使用

代码实现

这里我们来实现一下视频流的相关人脸识别,之前的静态识别就是为了动态视频流人脸识别做铺垫。我们来说一下视频流的人脸识别的实现思路,静态的图像人脸识别已经完成,而视频是多帧的连续,我们只需要抽取片段捕获关键帧,识别出人像,人后输出对应关联的人名。

准备工作

这里我们用到的是 gocv(底层使用 OpenCV),这里我们暂时略过具体的安装流程,按照官方文档安装即可。

  1. 设置视频捕捉的设备,一般来说默认 0
// set to use a video capture device 0
    deviceID := 0

	// open webcam
	webcam, err := gocv.OpenVideoCapture(deviceID)
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
		return
	}
	defer webcam.Close()
  1. 打开展示窗口
// open display window
	window := gocv.NewWindow("Face Detect")
	defer window.Close()
  1. 准备图像矩阵,检测到人脸时显示矩形框的配置
// prepare image matrix
	img := gocv.NewMat()
	defer img.Close()

	// color for the rect when faces detected
	blue := color.RGBA{0, 0, 255, 0}
  1. 加载人脸识别分类器,用一个死循环,里面加上我们的相关识别服务
for {
		if ok := webcam.Read(&img); !ok {
			fmt.Printf("cannot read device %v\n", deviceID)
			return
		}
		if img.Empty() {
			continue
		}

		// detect faces
		rects := classifier.DetectMultiScale(img)
		fmt.Printf("found %d faces\n", len(rects))

		// draw a rectangle around each face on the original image
		for _, r := range rects {
			gocv.Rectangle(&img, r, blue, 3)
      imgFace := img.Region(r)
			buff, err:=gocv.IMEncode(".jpg",imgFace)
			if err != nil {
				fmt.Println("encoding to jpg err:%v", err)
				break
			}

			RecognizePeopleFromMemory(rec, buff)
		}

		// show the image in the window, and wait 1 millisecond
		window.IMShow(img)
		window.WaitKey(1)
	}

其中有几个步骤需要将一下,目前来说 gocv.IMEncode 只支持将捕获到的图片转成 PNGJPGGIF 三种格式。转换后的字节流放在内存中,然后将字节流传入我们的人脸识别函数中即可。

// RecognizeSingle returns face if it's the only face on the image or
// nil otherwise. Only JPEG format is currently supported. Thread-safe.
func (rec *Recognizer) RecognizeSingle(imgData []byte) (face *Face, err error) {
	faces, err := rec.recognize(0, imgData, 1)
	if err != nil || len(faces) != 1 {
		return
	}
	face = &faces[0]
	return
}

注意事项

由于 go-face 只支持 JPEG 的格式,所以我们捕捉的帧只能转换成 JPG 格式

然后简单的封装一个字符流的识别函数。这里需要说明一下,之所以将 log.Fatal 换成了 log.Println 的原因是在视频流级别的识别中可能会出现没有人脸的情况,这个时候程序应当是正常运行的,不能退出。

func RecognizePeopleFromMemory(rec *face.Recognizer, img []byte) {
	people, err := rec.RecognizeSingle(img)
	if err != nil {
		log.Println("无法识别: %v", err)
		return
	}
	if people == nil {
		log.Println("图片上不是一张脸")
		return
	}
	peopleID := rec.Classify(people.Descriptor)
	if peopleID < 0 {
		log.Println("无法区分")
		return
	}
	fmt.Println(peopleID)
	fmt.Println(labels[peopleID])
}

最后完整代码如下

package main

import (
	"fmt"
	"image/color"
	"log"

	"github.com/Kagami/go-face"
	"gocv.io/x/gocv"
)

const dataDir = "testdata"

// testdata 目录下两个对应的文件夹目录
const (
	modelDir  = dataDir + "/models"
	imagesDir = dataDir + "/images"
)

// 图片中的人名
var labels = []string{
	"萧敬腾",
	"周杰伦",
	"unknow",
	"王力宏",
	"陶喆",
	"林俊杰",
}

func main() {
	// 初始化识别器
	rec, err := face.NewRecognizer(modelDir)
	if err != nil {
		fmt.Println("Cannot INItialize recognizer")
	}
	defer rec.Close()

	fmt.Println("Recognizer Initialized")

	// 调用该方法,传入路径。返回面部数量和任何错误
	faces, err := rec.RecognizeFile("heyin.jpeg")
	if err != nil {
		log.Fatalf("无法识别: %v", err)
	}
	// 打印人脸数量
	fmt.Println("图片人脸数量: ", len(faces))

	var samples []face.Descriptor
	var peoples []int32
	for i, f := range faces {
		samples = append(samples, f.Descriptor)
		// 每张脸唯一 id
		peoples = append(peoples, int32(i))
	}

	// Pass samples to the recognizer.
	rec.SetSamples(samples, peoples)

	RecognizePeople(rec, "jay.jpeg")
	RecognizePeople(rec, "linjunjie.jpeg")
	RecognizePeople(rec, "taozhe.jpeg")

	// set to use a video capture device 0
	deviceID := 0

	// open webcam
	webcam, err := gocv.OpenVideoCapture(deviceID)
	if err != nil {
		fmt.Println(err)
		return
	}
	defer webcam.Close()

	// open display window
	window := gocv.NewWindow("Face Detect")
	defer window.Close()

	// prepare image matrix
	img := gocv.NewMat()
	defer img.Close()

	// color for the rect when faces detected
	blue := color.RGBA{0, 0, 255, 0}

	// load classifier to recognize faces
	classifier := gocv.NewCascadeClassifier()
	defer classifier.Close()

	if !classifier.Load("./haarcascade_frontalface_default.xml") {
		fmt.Println("Error reading cascade file: data/haarcascade_frontalface_default.xml")
		return
	}

	fmt.Printf("start reading camera device: %v\n", deviceID)
	for {
		if ok := webcam.Read(&img); !ok {
			fmt.Printf("cannot read device %v\n", deviceID)
			return
		}
		if img.Empty() {
			continue
		}

		// detect faces
		rects := classifier.DetectMultiScale(img)
		if len(rects) == 0 {
			continue
		}

		fmt.Printf("found %d faces\n", len(rects))

		// draw a rectangle around each face on the original image
		for _, r := range rects {
			gocv.Rectangle(&img, r, blue, 3)

			imgFace := img.Region(r)
			buff, err:=gocv.IMEncode(".jpg",imgFace)
			if err != nil {
				fmt.Println("encoding to jpg err:%v", err)
				break
			}

			RecognizePeopleFromMemory(rec, buff)
		}

		// show the image in the window, and wait 1 millisecond
		window.IMShow(img)
		window.WaitKey(1)
	}
}

func RecognizePeople(rec *face.Recognizer, file string) {
	people, err := rec.RecognizeSingleFile(file)
	if err != nil {
		log.Fatalf("无法识别: %v", err)
	}
	if people == nil {
		log.Fatalf("图片上不是一张脸")
	}
	peopleID := rec.Classify(people.Descriptor)
	if peopleID < 0 {
		log.Fatalf("无法区分")
	}
	fmt.Println(peopleID)
	fmt.Println(labels[peopleID])
}

func RecognizePeopleFromMemory(rec *face.Recognizer, img []byte) {
	people, err := rec.RecognizeSingle(img)
	if err != nil {
		log.Println("无法识别: %v", err)
		return
	}
	if people == nil {
		log.Println("图片上不是一张脸")
		return
	}
	peopleID := rec.Classify(people.Descriptor)
	if peopleID < 0 {
		log.Println("无法区分")
		return
	}
	fmt.Println(peopleID)
	fmt.Println(labels[peopleID])
}

接下来我们运行代码,应该能够拉起摄像头,这个时候我手持林俊杰的照片进行识别,我们可以看到左下角已经输出对应的人名了。

视频流人脸识别总结

到这一步,恭喜你,你已经能够完成视频流人脸识别了。但是,这里要说明一下,为了快速的实现,我们的样本集是比较少的,识别成功率相对来说比较低。不过一个简单的动态人脸识别已经搭好了。

总结

虽然我们实现了动态的人脸识别,但是在更为复杂的应用场景下难以实现相应的需求,而且存在图片格式等限制,缺乏人脸处理的其他模块,美颜,鉴黄等功能。不过通过第三方的 SDK,例如声网等平台去实现对应的需求,园区的人脸识别,视频会议,云课堂等场景,能够实现快速搭建,能够几行代码就能够完成相应的接入,并围绕 RTE 等组件进行人脸识别的相关开发。为开发节约大量时间和成本,可以将开发重心转移到更加核心的业务。