计算机视觉应用（二）疲劳检测之打哈欠_opencv python 打哈欠

目的
经查阅相关文献，疲劳在人体面部表情中表现出大致三个类型：打哈欠（嘴巴张大且相对较长时间保持这一状态）、眨眼（或眼睛微闭，此时眨眼次数增多，且眨眼速度变慢）、点头（瞌睡点头）。本实验从人脸朝向、位置、瞳孔朝向、眼睛开合度、眨眼频率、瞳孔收缩率等数据入手，并通过这些数据，实时地计算出驾驶员的注意力集中程度，分析驾驶员是否疲劳驾驶和及时作出安全提示。

技术背景
环境：Win10、Python3.7、anaconda3、JupyterNotebook
技术：

Opencv：图像处理
Dlib：一个很经典的用于图像处理的开源库，shape_predictor_68_face_landmarks.dat是一个用于人脸68个关键点检测的dat模型库，使用这个模型库可以很方便地进行人脸检测，并进行简单的应用。
Numpy：基于Python的n维数值计算扩展。
Imutils ：一系列使得opencv 便利的功能，包括图像旋转、缩放、平移，骨架化、边缘检测、显示
matplotlib 图像（imutils.opencv2matplotlib(image）。
正文
（1）环境搭建
（2）下载开源数据集
参考前一文：Dlib模型之驾驶员疲劳检测一（眨眼）

（3）打哈欠疲劳检测原理
基于dlib人脸识别68特征点检测、获取嘴部面部标志的索引，通过opencv对视频流进行灰度化处理，检测出人嘴的位置信息。
人脸特征点检测用到了dlib，dlib有两个关键函数：dlib.get_frontal_face_detector()和dlib.shape_predictor(predictor_path)。

前者是内置的人脸检测算法，使用HOG pyramid，检测人脸区域的界限（bounds）。
后者是用来检测一个区域内的特征点，并输出这些特征点的坐标，它需要一个预先训练好的模型（通过文件路径的方法传入），才能正常工作。
使用开源模型shape_predictor_68_face_landmarks.dat，可以得到68个特征点位置的坐标，连起来后，可以有如图所示的效果（红色是HOG pyramid检测的结果，绿色是shape_predictor的结果，仅把同一个器官的特征点连线）。

只要产生打哈欠的动作即归类为“疲劳”。
68脸部特征图lamark：

嘴部主要取六个参考点：

打哈欠可利用嘴巴处通过计算51、59、53、57、的纵坐标、49、55的横坐标来计算眼睛的睁开度。如：1/2*[(y51+y53)-(y59+y57)]/(x55-x49)点的距离来判断是否张嘴及张嘴时间，从而确定人是否是在打哈欠，同时这个阈值应当合理，应经过大量实验，能够与正常说话或哼歌区分开来。

同眼睛相类似方法求嘴部欧式距离：

最终判定：
进行加权评分：基于眼睛和打哈欠的特征进行融合决策（打分，以模糊度表示）

（4）主要代码思路
双阈值法哈欠检测——即对内轮廓进行检测：结合张口度与张口时间。
Yawn为符合打哈欠的帧数，N为1min内总帧数，设阈值为10%，当Freq>10%时认为打了一个深度哈欠或者至少连续两个浅哈欠，此时给出疲劳提醒。

Step1：提取帧图像检测人脸，嘴部粗定位进行肤色分割；
Step2:嘴部精确定位，获取嘴部特征值K1，若k1大于阈值T1，则Step3,；否则K2=K1/2，count=0回到step1，检测下一帧。
Step3:提取嘴部内轮廓特征值K2，若K2大于阈值T2，则Step4，否则count=0,返回Step1，检测下一帧。
Step4:统计哈欠特征count=count+1,当count超过阈值且下一帧的哈欠特征消失，保存count到Yawn，Yawn(i)=count，count=0（count清0）回到Step1，否则的话也直接转回Step1。
Step5:分析完1min内所有图像，计算哈欠特征总数，按照计算Freq值，超过阈值则发出疲劳提醒。（推荐阈值为0.1）

# -*- coding: utf-8 -*-
# import the necessary packages
from scipy.spatial import distance as dist
from imutils.video import FileVideoStream
from imutils.video import VideoStream
from imutils import face_utils
import numpy as np # 数据处理的库 numpy
import argparse
import imutils
import time
import dlib
import cv2
 
 
def eye_aspect_ratio(eye):
    # 垂直眼标志（X，Y）坐标
    A = dist.euclidean(eye[1], eye[5])# 计算两个集合之间的欧式距离
    B = dist.euclidean(eye[2], eye[4])
    # 计算水平之间的欧几里得距离
    # 水平眼标志（X，Y）坐标
    C = dist.euclidean(eye[0], eye[3])
    # 眼睛长宽比的计算
    ear = (A + B) / (2.0 * C)
    # 返回眼睛的长宽比
    return ear
 
def mouth_aspect_ratio(mouth):
    A = np.linalg.norm(mouth[2] - mouth[9])  # 51, 59
    B = np.linalg.norm(mouth[4] - mouth[7])  # 53, 57
    C = np.linalg.norm(mouth[0] - mouth[6])  # 49, 55
    mar = (A + B) / (2.0 * C)
    return mar

# 定义两个常数
# 眼睛长宽比
# 闪烁阈值
EYE_AR_THRESH = 0.2
EYE_AR_CONSEC_FRAMES = 3
# 打哈欠长宽比
# 闪烁阈值
MAR_THRESH = 0.5
MOUTH_AR_CONSEC_FRAMES = 3
# 初始化帧计数器和眨眼总数
COUNTER = 0
TOTAL = 0
# 初始化帧计数器和打哈欠总数
mCOUNTER = 0
mTOTAL = 0
 
# 初始化DLIB的人脸检测器（HOG），然后创建面部标志物预测
print("[INFO] loading facial landmark predictor...")
# 第一步：使用dlib.get_frontal_face_detector() 获得脸部位置检测器
detector = dlib.get_frontal_face_detector()
# 第二步：使用dlib.shape_predictor获得脸部特征位置检测器
predictor = dlib.shape_predictor('D:/myworkspace/JupyterNotebook/fatigue_detecting/model/shape_predictor_68_face_landmarks.dat')
 
# 第三步：分别获取左右眼面部标志的索引
(lStart, lEnd) = face_utils.FACIAL_LANDMARKS_IDXS["left_eye"]
(rStart, rEnd) = face_utils.FACIAL_LANDMARKS_IDXS["right_eye"]
(mStart, mEnd) = face_utils.FACIAL_LANDMARKS_IDXS["mouth"]

# 第四步：打开cv2 本地摄像头
cap = cv2.VideoCapture(0)
 
# 从视频流循环帧
while True:
    # 第五步：进行循环，读取图片，并对图片做维度扩大，并进灰度化
    ret, frame = cap.read()
    frame = imutils.resize(frame, width=720)
    gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
    # 第六步：使用detector(gray, 0) 进行脸部位置检测
    rects = detector(gray, 0)
    
    # 第七步：循环脸部位置信息，使用predictor(gray, rect)获得脸部特征位置的信息
    for rect in rects:
        shape = predictor(gray, rect)
        
        # 第八步：将脸部特征信息转换为数组array的格式
        shape = face_utils.shape_to_np(shape)
        
        # 第九步：提取左眼和右眼坐标
        leftEye = shape[lStart:lEnd]
        rightEye = shape[rStart:rEnd]
        # 嘴巴坐标
        mouth = shape[mStart:mEnd]
        
        
        # 第十步：构造函数计算左右眼的EAR值，使用平均值作为最终的EAR
        leftEAR = eye_aspect_ratio(leftEye)
        rightEAR = eye_aspect_ratio(rightEye)
        ear = (leftEAR + rightEAR) / 2.0
        # 打哈欠
        mar = mouth_aspect_ratio(mouth)
 
        # 第十一步：使用cv2.convexHull获得凸包位置，使用drawContours画出轮廓位置进行画图操作
        leftEyeHull = cv2.convexHull(leftEye)
        rightEyeHull = cv2.convexHull(rightEye)
        cv2.drawContours(frame, [leftEyeHull], -1, (0, 255, 0), 1)
        cv2.drawContours(frame, [rightEyeHull], -1, (0, 255, 0), 1)
        mouthHull = cv2.convexHull(mouth)
        cv2.drawContours(frame, [mouthHull], -1, (0, 255, 0), 1)
 
        # 第十二步：进行画图操作，用矩形框标注人脸
        left = rect.left()
        top = rect.top()
        right = rect.right()
        bottom = rect.bottom()
        cv2.rectangle(frame, (left, top), (right, bottom), (0, 255, 0), 3)    
 
        '''
            分别计算左眼和右眼的评分求平均作为最终的评分，如果小于阈值，则加1，如果连续3次都小于阈值，则表示进行了一次眨眼活动
        '''
        # 第十三步：循环，满足条件的，眨眼次数+1
        if ear < EYE_AR_THRESH:# 眼睛长宽比：0.2
            COUNTER += 1
           
        else:
            # 如果连续3次都小于阈值，则表示进行了一次眨眼活动
            if COUNTER >= EYE_AR_CONSEC_FRAMES:# 阈值：3
                TOTAL += 1
            # 重置眼帧计数器
            COUNTER = 0
            
        # 第十四步：进行画图操作，同时使用cv2.putText将眨眼次数进行显示
        cv2.putText(frame, "Faces: {}".format(len(rects)), (10, 30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)
        cv2.putText(frame, "Blinks: {}".format(TOTAL), (150, 30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)
        cv2.putText(frame, "COUNTER: {}".format(COUNTER), (300, 30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2) 
        cv2.putText(frame, "EAR: {:.2f}".format(ear), (450, 30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)
        
        '''
            计算张嘴评分，如果小于阈值，则加1，如果连续3次都小于阈值，则表示打了一次哈欠，同一次哈欠大约在3帧
        '''
        # 同理，判断是否打哈欠    
        if mar > MAR_THRESH:# 张嘴阈值0.5
            mCOUNTER += 1
            cv2.putText(frame, "Yawning!", (10, 60),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)
        else:
            # 如果连续3次都小于阈值，则表示打了一次哈欠
            if mCOUNTER >= MOUTH_AR_CONSEC_FRAMES:# 阈值：3
                mTOTAL += 1
            # 重置嘴帧计数器
            mCOUNTER = 0
        cv2.putText(frame, "Yawning: {}".format(mTOTAL), (150, 60),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)
        cv2.putText(frame, "mCOUNTER: {}".format(mCOUNTER), (300, 60),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2) 
        cv2.putText(frame, "MAR: {:.2f}".format(mar), (480, 60),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)
            
        # 第十五步：进行画图操作，68个特征点标识
        for (x, y) in shape:
            cv2.circle(frame, (x, y), 1, (0, 0, 255), -1)

    print('嘴巴实时长宽比:{:.2f} '.format(mar)+"\t是否张嘴："+str([False,True][mar > MAR_THRESH]))
    print('眼睛实时长宽比:{:.2f} '.format(ear)+"\t是否眨眼："+str([False,True][COUNTER>=1]))
    
    # 确定疲劳提示
    if TOTAL >= 50 or mTOTAL>=15:
        cv2.putText(frame, "SLEEP!!!", (100, 200),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 1, (0, 0, 255), 3)
        
    # 按q退出
    cv2.putText(frame, "Press 'q': Quit", (20, 500),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (84, 255, 159), 2)
    # 窗口显示 show with opencv
    cv2.imshow("Frame", frame)
    
    # if the `q` key was pressed, break from the loop
    if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
        break
        
# 释放摄像头 release camera
cap.release()
# do a bit of cleanup
cv2.destroyAllWindows()

（5）运行效果

码云源码链接：
https://gitee.com/cungudafa/fatigue_detecting