人脸检测与美颜技术介绍（OpenCV）_c yuv 美颜算法

人脸检测与美颜技术介绍

人工智能(AI)

• 人工智能（Artificial Intelligence），英文缩写为AI。它是研究、开发用于模拟、延伸和扩展人的智能的理论、方法、技术及应用系统的一门新的技术科学。
• 人工智能是计算机科学的一个分支，它企图了解智能的实质，并生产出一种新的能以人类智能相似的方式做出反应的智能机器，该领域的研究包括机器人、语言识别、图像识别、自然语言处理和专家系统等。
• 人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为（如学习、推理、思考、规划等）的学科，主要包括计算机实现智能的原理、制造类似于人脑智能的计算机，使计算机能实现更高层次的应用。人工智能将涉及到计算机科学、心理学、哲学和语言学等学科。可以说几乎是自然科学和社会科学的所有学科，其范围已远远超出了计算机科学的范畴，人工智能与思维科学的关系是实践和理论的关系，人工智能是处于思维科学的技术应用层次，是它的一个应用分支。
• 人工智能在计算机上实现时有2种不同的方式。一种是采用传统的编程技术，使系统呈现智能的效果，而不考虑所用方法是否与人或动物机体所用的方法相同。这种方法叫工程学方法（ENGINEERING APPROACH），它已在一些领域内作出了成果，如文字识别、电脑下棋等。另一种是模拟法（MODELING APPROACH），它不仅要看效果，还要求实现方法也和人类或生物机体所用的方法相同或相类似。遗传算法（GENERIC ALGORITHM，简称GA）和人工神经网络（ARTIFICIAL NEURAL NETWORK，简称ANN）均属后一类型。

人工智能、机器学习与深度学习的关系

机器学习与深度学习的区别

• 机器学习(Machine Learning，ML)是人工智能的子领域，也是人工智能的核心。它囊括了几乎所有对世界影响最大的方法(包括深度学习)。机器学习理论主要是设计和分析一些让计算机可以自动学习的算法。
• 深度学习(Deep Learning，DL)属于机器学习的子类。它的灵感来源于人类大脑的工作方式，是利用深度神经网络来解决特征表达的一种学习过程。深度神经网络本身并非是一个全新的概念，可理解为包含多个隐含层的神经网络结构。为了提高深层神经网络的训练效果，人们对神经元的连接方法以及激活函数等方面做出了调整。其目的在于建立、模拟人脑进行分析学习的神经网络，模仿人脑的机制来解释数据，如文本、图像、声音。
• 机器学习在指纹识别、特征物体检测等领域的应用基本达到了商业化的要求。
• 深度学习主要应用于文字识别、人脸技术、语义分析、智能监控等领域。目前在智能硬件、教育、医疗等行业也在快速布局。
• 机器学习能够适应各种数据量，特别是数据量较小的场景。如果数据量迅速增加，那么深度学习的效果将更加突出，这是因为深度学习算法需要大量数据才能完美理解。
• 深度学习算法需要大量时间进行训练。这是因为该算法包含有很多参数，因此训练它们需要比平时更长的时间。相对而言，机器学习算法的执行时间更少。
• 机器学习算法遵循标准程序以解决问题。它将问题拆分成数个部分，对其进行分别解决，而后再将结果结合起来以获得所需的答案。深度学习则以集中方式解决问题，而不必进行问题拆分。

深度学习简介

• 深度学习(DL, Deep Learning)是机器学习(ML, Machine Learning)领域中一个新的研究方向。
• 最初的目标——人工智能(AI, Artificial Intelligence)。
• 学习样本数据的内在规律和表示层次，最终目标是让机器能够像人一样具有分析学习能力，能够识别文字、图像和声音等数据。
• 深度学习是一类模式分析方法的统称，就具体研究内容而言，主要涉及三类方法：

1. 基于卷积运算的神经网络系统，即卷积神经网络(CNN)。
2. 基于多层神经元的自编码神经网络。
3. 以多层自编码神经网络的方式进行预训练，进而结合鉴别信息进一步优化神经网络权值的深度置信网络(DBN)。

深度学习模型

深度学习的历史

• 第一代神经网络：起源于1943年的MCP人工神经元模型。
• 第二代神经网络：现代DL大牛Hinton在1986年发明了适用于多层感知器（MLP）的BP算法，并采用Sigmoid进行非线性映射，有效解决了非线性分类和学习的问题。
• 第三代神经网络：2006年，DL元年。是年，Hinton提出了深层网络训练中梯度消失问题的解决方案：无监督预训练对权值进行初始化+有监督训练微调。2013,2014,2015年，通过ImageNet图像识别比赛，DL的网络结构，训练方法，GPU硬件的不断进步，促使神经网络发展爆发期的到来。
  

深度学习的工具

• TensorFlow：Google基于DistBelief研发的第二代人工智能学习系统。
• Caffe：清晰而高效的深度学习框架，作者是毕业于UC Berkeley的贾扬清。开源，核心语言是C++，支持命令行、Python和MATLAB接口。
• Torch：是一个广泛支持机器学习算法的科学计算框架，具有简单和快速的脚本语言LuaJIT和底层C/CUDA实现。
• Keras：Keras是一个简约的、高度模块化的神经网络库，Python语言编写，支持GPU和CPU。
• MXNet：轻量化分布式可移植的深度学习计算平台，使用C++实现，并提供C风格的头文件。支持Python、R、Julia、Go和JavaScript
• CNTK：微软用于搭建深度神经网络的计算网络工具包。
• Theano：Theano是BSD许可证下发布的一个开源项目，是由LISA(现MILA)在加拿大魁北克的蒙特利尔大学，开发的基于Python的深度学习框架。

神经网络的几个概念

• ANN- Artificial Neural Networks，人工神经网络。人工神经网络是由大量处理单元互联组成的非线性、自适应信息处理系统。
• FNN- Full Connected Neural Networks，全连接神经网络。神经网络的层与层之间是全连接的，也就是说，第i层的任意一个神经元一定与第i+1层的任意一个神经元相连。
• DNN- Deep Neural Networks，深度神经网络。是深度学习的基础。有两个以上隐含层的网络就可被称为深度神经网络。 DNN内部的神经网络层可以分为三类，输入层，隐藏层和输出层,如下图示例，一般来说第一层是输出层，最后一层是输出层，而中间的层数都是隐藏层。DNN是全连接的。
• CNN- Convolutional Neural Networks，卷积神经网络。是一类包含卷积计算且具有深度结构的前向神经网络（Feedforward Neural Networks），是深度学习的代表算法之一。由于卷积神经网络能够进行平移不变分类，也被称为“平移不变人工神经网络“。CNN是通过卷积核将上下层进行链接，同一个卷积核在所有图像中是共享的，图像通过卷积操作后仍然保留原先的位置关系。
• RNN- Recurrent Neural Network，循环神经网络。 DNN无法对时间序列上的变化进行建模。然而，样本出现的时间顺序对于自然语言处理、语音识别、手写体识别等应用非常重要。为了适应这种需求，就出现了大家所说的另一种神经网络结构——循环神经网络RNN。循环神经网络特别用于顺序数据，其中先前的输出用于预测下一个输出。在这种情况下，网络中有循环。在普通的全连接网络或CNN中，每层神经元的信号只能向上一层传播，样本的处理在各个时刻独立，因此又被成为前向神经网络(Feed-forward Neural Networks)。而在RNN中，神经元的输出可以在下一个时间段直接作用到自身，即第i层神经元在m时刻的输入，除了(i-1)层神经元在该时刻的输出外，还包括其自身在(m-1)时刻的输出。

OpenCV

• OpenCV是一个基于BSD许可（开源）发行的跨平台计算机视觉和机器学习软件库，用于图像处理、分析、机器视觉方面。
• 可以运行在Linux、Windows、Android和Mac OS操作系统上。
• 轻量级而且高效——由一系列 C 函数和少量 C++ 类构成。
• 提供了C，C++，Python、Ruby，Java、MATLAB等语言的接口。
• 实现了图像处理和计算机视觉方面的很多通用算法。

1. 图像处理（Image Processing）是用计算机对图像进行分析，以达到所需结果的技术。图像处理技术一般包括图像压缩，增强和复原，匹配、描述和识别3个部分。数字图像处理（Digital Image Processing）是通过计算机对图像进行去除噪声、增强、复原、分割、提取特征等处理的方法和技术。
2. 计算机视觉（Computer Vision）是指用摄像机和电脑代替人眼对目标进行识别、跟踪和测量等机器视觉，并进一步做图形处理，使之成为更适合人眼观察或仪器检测图像的一门学科。

• OpenCV致力于真实世界的实时应用，通过优化的C代码的编写对其执行速度带来了可观的提升。
• 使用类BSDlicense，所以对非商业应用和商业应用都是免费的。

OpenCV与其它视觉函数库性能对比

OpenCV应用领域

• 人机互动
• 物体识别
• 图像分割
• 人脸识别
• 动作识别
• 运动跟踪
• 机器人
• 运动分析
• 机器视觉
• 结构分析
• 汽车安全驾驶

OpenCV Windows版本

• 如果使用Python，可以直接下载安装编译好的OpenCV。
• 也可以从GitHub下载源代码自己编译，https://github.com/opencv，下载opencv和opencv_contrib。
• CMake编译（选择VS版本，动态或静态库，编译为多个库或一个库等），生成opencv库。
• 应用：添加头文件，添加库文件。
• OpenCV应用。

OpenCV MAC版本

• 从GitHub下载源代码（opencv + opencv_contrib）。
• CMake编译，生成opencv库。
• 应用：添加头文件，添加库文件。
• OpenCV应用。

OpenCV Android版本

• 下载Android版本Opencv sdk。
• 或者使用OpenCV源码交叉编译Android库。
• Sdk中包含不用硬件版本的动态库，静态库，java接口以及头文件等。
• 选择硬件版本（arm64-v8a/armeabi-v7a/x86/x86_64）。
• 导入头文件，导入对应版本的库文件。
• OpenCV应用。

OpenCV模块

Core-核心功能模块

• OpenCV基本数据结构
• 动态数据结构
• 绘图函数
• 数组操作相关函数
• 辅助功能与系统函数和宏
• 与OpenGL的互操作

Imgproc-图像处理模块

• 线性和非线性的图像滤波
• 图像的几何变换
• 其它（Miscellaneous）图像转换
• 直方图相关
• 结构分析和形状描述
• 运动分析和对象跟踪
• 特征检测
• 目标检测等内容

features2D-2D功能模块

• 特征检测和描述
• 特征检测器（Feature Detectors）
• 通用接口描述符提取器（Descriptor Extractors）
• 通用接口描述符匹配器（Descriptor Matchers）
• 通用接口通用描述符（Generic Descriptor）
• 匹配器通用接口关键点绘制函数和匹配功能绘制函数

Highgui-高层gui图形用户界面（high GUI）

• 媒体的I / O输入输出
• 视频捕捉
• 图像和视频的编码解码
• 图形交互界面的接口等内容
• 关键点绘制函数和匹配功能绘制函数
• 关键点绘制函数和匹配功能绘制函数

Ml-机器学习模块(Machine Learning)

• 统计模型 （Statistical Models）
• 一般贝叶斯分类器 （Normal Bayes Classifier）
• K-近邻 （K-NearestNeighbors）
• 支持向量机 （Support Vector Machines）
• 决策树 （Decision Trees）
• 提升（Boosting）
• 梯度提高树（Gradient Boosted Trees）
• 随机树 （Random Trees）
• 超随机树 （Extremely randomized trees）
• 期望最大化 （Expectation Maximization）
• 神经网络 （Neural Networks）
• MLData

Stitching-图像拼接模块(images stitching)

• 拼接流水线
• 特点寻找和匹配图像
• 估计旋转
• 自动校准
• 图片歪斜
• 接缝估测
• 曝光补偿
• 图片混合

DNN-深度学习模块

Tiny-dnn模块：支持深度学习框架

• Caffe
• TensorFlow
• Torch/PyTorch

OpenCV中DNN模块已经支持与测试过这些常见的网络模块

• AlexNet
• GoogLeNet v1 (also referred to as Inception-5h)
• ResNet-34/50/…
• SqueezeNet v1.1
• VGG-based FCN (semantical segmentation network)
• ENet (lightweight semantical segmentation network)
• VGG-based SSD (object detection network)
• MobileNet-based SSD (light-weight object detection network)

DNN运用

• 图像分类
• 对象检测
• 实时对象检测
• 图像分割
• 预测
• 视频对象跟踪

其它模块

• Photo-也就是Computational Photography，包含图像修复和图像去噪两部分
• Flann-Fast Library for Approximate Nearest Neighbors，高维的近似近邻快速搜索算法库

OpenCV主要结构

神经网络-Net类：

• 这个类中定义了创建和操作网络的方法；所谓神经网络其实是一个有向无环图(DAG)，图的顶点是层的实例，边表示输入输出关系。每一个层，在网络中都有唯一的整数ID和字符串名称作为标识；同时，这个类支持副本的引用计数，也就是说副本指向同一个实例。

cv::Rect

• Opencv Rect_模板类是一个比较重要的类，可以设置图像ROI区域，截取图像等。
• Rect_类的成员变量有x,y,width,height，分别为左上角座标和矩形宽高。

OpenCV主要结构—Mat

Mat类用来保存矩阵类型的数据信息，包括向量、矩阵、灰度或彩色图像等数据。Mat类分为矩阵头和指向存储数据的矩阵指针两部分。矩阵头中包含矩阵的尺寸、存储方法、地址和引用次数等。矩阵头的大小是一个常数，不会随着矩阵尺寸大小而改变。

flags：int类型，共32位。

• 0-2位代表depth即数据类型（如CV_8U），OpenCV的数据类型共7类；
• 3-11位代表通道数channels；0-11位共同代表type即通道数和数据类型（如CV_8UC3）；
• 14位代表Mat的内存是否连续，一般由creat创建的mat均是连续的；
• 15位代表该Mat是否为某一个Mat的submatrix，一般通过ROI以及row()、col()、rowRange()、colRange()等得到的mat均为submatrix。

dims：矩阵的维数。

channels：图像的通道数。

cols，rows：图像的列数，行数。

data：指向数据单元的指针。

refcount：记录了这个矩阵的数据被其他变量引用了多少次。

OpenCV应用：人脸检测

• 人脸检测（Face Detection），就是给一幅图像，找出图像中的所有人脸位置，通常用一个矩形框框起来，输入是一幅图像img，输出是若干个包含人脸的矩形框位置(x,y,w,h)。
• 自动人脸检测是围绕自动人脸图像分析的所有应用的基础，包括但不限于：人脸识别和验证，监控场合的人脸跟踪，面部表情分析，面部属性识别（性别/年龄识别，颜值评估），面部光照调整和变形，面部形状重建，图像视频检索，数字相册的组织和演示。
• 人脸检测是所有现代基于视觉的人与电脑，和人与机器人，交互系统的初始步骤。
• 主流商业数码相机都内嵌人脸检测，辅助自动对焦。
• 很多社交网络如FaceBook，用人脸检测机制实现图像/人物标记。
  

人脸检测历史

人脸检测也可分为两个时期：一个是深度学习之前的时期，在深度学习之前，人们做人脸检测，主要使用人工设计好的特征，根据人工特征来训练检测器检测人脸。

另一个是深度学习时期。当深度学习在计算机视觉领域占据绝对主导地位之后，人们开始尝试用深度神经网络来做人脸检测。

• 级联CNN系列，有CNN Cascade, FaceCraft, MTNN, ICC-CNN，这一系列是深度学习方法中速度最快的，CPU都在10 FPS以上，级联CNN系列优化后轻松可以在CPU上实时，全面优化后的fastMTCNN甚至可以在ARM上跑起来；
• Faster-RCNN系列：这类方法的优点是性能高，缺点是速度慢，在GPU上都无法实时，无法满足人脸检测对速度的极高要求，既然性能不是问题，这类方法的研究重点是提高效率。
• SSD系列：这类方法的优势是速度快，在GPU上能实时，缺点是对密集小目标的检测比较差，而人脸刚好是密集小目标，这类方法的研究重点是提高密集小目标的检测性能，同时速度也需要尽可能快，GPU实时算法在应用中依然受限。

深度学习的人脸检测算法比较

OpenCV基于DNN+caffe的人脸检测

使用caffe框架的resnetface做人脸检测。

模型文件res10_300x300_ssd_iter_140000.caffemodel，模型定义deploy.prototxt.txt。

主要步骤如下：

• 导入模型文件到网络：readNetFromCaffe()
• 图片预处理：blobFormImage()
• 将经过预处理的图片输入神经网络：setInput()
• 前向运行计算输出层：forword()
• 提取人脸信息(x,y,w,h)并画矩形框：rectangle()

blobFormImage

1. image：输入图像。
2. scalefactor: multiplier for image values。
3. size：指的不是输入图像的尺寸，是指所需要的尺寸，也就是返回的Mat中数据的尺寸。
4. swapRB：是否交换R和B分量，这在之前的色彩空间转换的文章中介绍过。
5. crop：输入图像大小与size不符的时候，是否需要裁剪。
6. ddepth：图像的数据类型，目前仅支持32F和8U。
7. crop：裁剪标志，指示是否在调整大小后裁剪图像。
8. 函数返回一个 （ [N，C，H，W] dimensions）。

setInput

1. blob：一个新的blob。 应该有CV_32F或CV_8U深度。就是上文中介绍的blobFromImage的返回值。
2. name：输入图层的名称（prototxt文件中的inputlayer）。
3. scalefactor：可选的标准化比例。
4. mean：一个可选的平均减法值。

forword

1. output Name：需要输出的图层的名称。
2. 返回：指定图层outputName的第一个输出的blob。默认情况下，为整个网络运行正向传递。
3. 注意：返回Mat类型，这是一个4D数，rows and cols can only hold 2 dimensions, so they are not used here, and set to -1。
4. 转换：cv::Mat detection = net->forward(“detection_out”);cv::Mat detectionMat(detection.size[2], detection.size[3], CV_32F, detection.ptr())；

rectangle

• 提取多个人脸位置信息。
• 画人脸矩形框。

OpenCV应用：“美颜”

• “美颜”，即对图片里的人脸进行美化。
• “美颜”是一个深度学习+图像处理+图形学的技术。“美颜”牵涉到这些技术包括：人脸检测、人脸关键点定位、瘦脸、磨皮、美白等。
• 磨皮：是使皮肤变得更加光滑，其技术原理是：对图片进行肤色检测。只对皮肤区域做磨皮，磨皮一般使用图像处理的一些滤波算法，例如双边滤波，高斯滤波等。
• 美白：是操作图片上的所有像素点，获得像素点的R、G、B的值然后对获取到的值进行一定数目的增量。

磨皮效果

美白效果

OpenCV实现“美颜”

皮肤检测：

• 基于RGB的皮肤检测：根据RGB颜色模型找出定义好的肤色范围内的像素点，但受光线影响，鲁棒性不好。
• 基于椭圆皮肤模型的皮肤检测：如果将皮肤信息映射到YCrCb空间，则在CrCb二维空间中这些皮肤像素点近似成一个椭圆分布。
• YCrCb颜色空间Cr分量+Otsu法阈值分割：Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异，对Cr做自二值化阈值分割处理（Otsu法）。
• YCrCb颜色空间Cr分量+Otsu法阈值分割：Cr反映了RGB输入信号红色部分与RGB信号亮度值之间的差异，对Cr做自二值化阈值分割处理（Otsu法）。
• HSV颜色空间H范围筛选法。
• opencv自带肤色检测类AdaptiveSkinDetector ：背景有杂质。

双边滤波：cv::bilateralFilter()。

亮度增强：

• int tmp= (uchar)image->at<Vec3b>(i, j)[k] * contrast + bright; if (tmp > 255) image->at<Vec3b>(i, j)[k] = 2 * 255 - tmp; else image->at<Vec3b>(i, j)[k] = tmp;

人脸识别

• 人脸识别，是基于人的脸部特征信息进行身份识别的一种生物识别技术。用摄像机或摄像头采集含有人脸的图像或视频流，并自动在图像中检测和跟踪人脸，进而对检测到的人脸进行脸部识别的一系列相关技术，通常也叫做人像识别、面部识别。
• 技术流程：人脸图像采集及检测、人脸图像预处理、人脸图像特征提取以及匹配与识别。
• 识别算法：

1. 识别算法：基于人脸特征点的识别算法（Feature-based recognition algorithms）。
2. 基于整幅人脸图像的识别算法（Appearance-based recognition algorithms）。
3. 基于模板的识别算法（Template-based recognition algorithms）。
4. 利用神经网络进行识别的算法（Recognition algorithms using neural network）。

• 主要用途：主要用于身份识别，例：门禁系统，身份辨识，网络应用，娱乐应用等
• 应用领域：政府、军队、银行、社会福利保障、电子商务、安全防务、金融、司法、军队、公安、边检、政府、航天、电力、工厂、教育、医疗及企事业单位。

人脸识别算法演化史

• 早期算法：早期的算法有基于几何特征的算法，基于模板匹配的算法，子空间算法等多种类型
• 第二阶段的人脸识别算法普遍采用了人工特征 + 分类器的思路。这里的关键是人工特征的设计，它要能有效的区分不同的人。描述图像的很多特征都先后被用于人脸识别问题，包括HOG、SIFT、Gabor、LBP等。
• 第三个阶段是基于深度学习的方法。卷积神经网络在图像分类中显示出了巨大的威力，通过学习得到的卷积核明显优于人工设计的特征+分类器的方案。在人脸识别的研究者利用卷积神经网络（CNN）对海量的人脸图片进行学习，然后对输入图像提取出对区分不同人的脸有用的特征向量，替代人工设计的特征。在前期，研究人员在网络结构、输入数据的设计等方面尝试了各种方案，然后送入卷积神经网络进行经典的目标分类模型训练；在后期，主要的改进集中在损失函数上，即迫使卷积网络学习得到对分辨不同的人更有效的特征，这时候人脸识别领域彻底被深度学习改造了！

人脸识别工作原理

人脸识别算法

人脸识别算法主要包含三个模块：

• 人脸检测（Face Detection）：人脸检测用于确定人脸在图像中的大小和位置，即解决“人脸在哪里”的问题，把真正的人脸区域从图像中裁剪出来，便于后续的人脸特征分析和识别。
• 人脸对齐（Face Alignment）：原理是找到人脸的若干个关键点（基准点，如眼角，鼻尖，嘴角等），然后利用这些对应的关键点通过相似变换（Similarity Transform，旋转、缩放和平移）将人脸尽可能变换到标准人脸。
• 人脸特征表征（Feature Representation）：输入是标准化的人脸图像，通过特征建模得到向量化的人脸特征，最后通过分类器判别得到识别的结果。

什么是caffe？

Caffe,全称Convolutional Architecture for Fast Feature Embedding,中文名：卷积神经网络框架。

基本概念：

• Blobs: Caffe使用blobs结构来存储，交换和处理网络中正向和反向迭代时的数据和导数信息，有统一的接口类型。
• Layers: layer是Caffe模型和计算的基本单元。
• Nets: Net是一系列 layers 和其连接的集合。
• Forward and Backward: Caffe的两条计算生命线，Forward产生loss和输出结果；BackWard 产生反向梯度。
• Loss：计算真实值和预测值之间的误差，指导下一步工作，由loss定义待学习的任务。
• Solver: solver协调模型的优化。
• Layer Catalogue: 学习Caffe中构建先进模型所需的各种层的功能。
• Interface：Caffe的命令行、python和matlab版接口。
• 总体印象：Blob包含在Layer里包含在Net里，Solver时Net的求解。

如何训练caffe模型

• 安装caffe
• 准备数据：下载训练图片，整理归一化。
• 制作标签文件。
• 制作caffe格式数据：LMDB格式、H5PY格式等。
• 计算均值并保存。
• 创建模型并编写配置文件（或直接下载模型文件）。
• 开始训练。

solver.prototxt

sovler的主要作用就是交替调用前向传导和反向传导 (forward & backward) 来更新神经网络的连接权值，从而达到最小化loss，实际上就是迭代优化算法中的参数。

Solver.prototxt流程：

• 首先设计好需要优化的对象，以及用于学习的训练网络和测试网络的prototxt文件（通常是train.prototxt和test.prototxt文件）。
• 定期对网络进行评价。
• 优化过程中显示模型和solver的状态。
• 通过forward和backward迭代进行优化来更新参数。
  

训练用残差网络：ResNet-50-train-val.prototxt

残差网络：ResNet-50.prototxt

ResNet 152：ILSVRC 竞赛2015年冠军网络

END