dlib实现脸部分割与人脸对齐

参考资料

  1. 【Dlib】人脸检测、特征点检测、人脸对齐、人脸识别
  2. 深度学习与人脸识别之-脸部分割与校正
  3. github项目FaceSegmentation
  4. http://dlib.net/face_alignment.py.html
  5. 知乎问答

关键点检测

首先获取模型,下载地址在,我使用的是获取脸部68个关键点的模型shape_predictor_68_face_landmarks.dat
68关键点位置示意图如下:

首先贴出python代码

"""
代码功能:
1. 用dlib人脸检测器检测出人脸,返回的人脸矩形框
2. 对检测出的人脸进行关键点检测并用圈进行标记
3. 将检测出的人脸关键点信息写到txt文本中
"""
import cv2
import dlib
import numpy as np


predictor_model = 'shape_predictor_68_face_landmarks.dat'
detector = dlib.get_frontal_face_detector()# dlib人脸检测器
predictor = dlib.shape_predictor(predictor_model)

# cv2读取图像
test_img_path = "input/Messi.jpg"
output_pos_info = "output_pos_info/Messi.txt"
img = cv2.imread(test_img_path)
file_handle = open(output_pos_info, 'a')
# 取灰度
img_gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_RGB2GRAY)

# 人脸数rects(rectangles)
rects = detector(img_gray, 0)


for i in range(len(rects)):
    landmarks = np.matrix([[p.x, p.y] for p in predictor(img,rects[i]).parts()])
    for idx, point in enumerate(landmarks):
        # 68点的坐标
        pos = (point[0, 0], point[0, 1])
        print(idx+1, pos)
        pos_info = str(point[0, 0]) + ' ' + str(point[0, 1]) + '\n'
        file_handle.write(pos_info)
        # 利用cv2.circle给每个特征点画一个圈,共68个
        cv2.circle(img, pos, 3, color=(0, 255, 0))
        # 利用cv2.putText输出1-68
        #font = cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX
        #cv2.putText(img, str(idx+1), pos, font, 0.5, (0, 0, 255), 1, cv2.LINE_AA)

file_handle.close()
cv2.imwrite("output/Messi_keypoints.png", img)


大致过程如下:先用人脸检测器获取到人脸矩形框rectangles,再用68点shape模型获取full_object_detection对象。最后将关键点标记出来,并写入文本中。

rects = detector(img_gray, 0)返回的是人脸的bounding box,多张人脸可能对应有多个。

predictor = dlib.shape_predictor(predictor_model)
predictor(img,rects[i]).parts()
predictor(img, rects[i]).part(1)

predictor返回的是一个full_object_detection对象,通过parts()可以获得所有关键点的位置,通过part(idx)idx从0开始,可以获取某个关键点的信息。

测试图片的原图与标注关键点后图片如下图所示。

脸部分割

两种方式:矩形框分割人脸和 不规则形状分割人脸

矩形框分割人脸

可以采用dlib.get_face_chip()来分割人脸

"""
代码功能:
1. 用dlib人脸检测器检测出人脸,返回的人脸矩形框
2. 对检测出的人脸进行关键点检测并切割出人脸
"""
import cv2
import dlib
import numpy as np

predictor_model = 'shape_predictor_68_face_landmarks.dat'
detector = dlib.get_frontal_face_detector()# dlib人脸检测器
predictor = dlib.shape_predictor(predictor_model)

# cv2读取图像
test_img_path = "input/Messi.jpg"
img = cv2.imread(test_img_path)
img = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2RGB)
# 人脸数rects
rects = detector(img, 0)
# faces存储full_object_detection对象
faces = dlib.full_object_detections()

for i in range(len(rects)):
    faces.append(predictor(img,rects[i]))

face_images = dlib.get_face_chips(img, faces, size=320)
for image in face_images:
    cv_bgr_img = cv2.cvtColor(image, cv2.COLOR_RGB2BGR)
    cv2.imwrite('output/Messi_clip.png', cv_bgr_img)

Dlib检测出的脸部区域对于下巴和额头区域会做过多的裁剪,并且分割使用的是矩形框。

分割结果如图

不规则形状分割人脸

先用dlib等打点工具把人脸最外层的landmark点打出来,然后利用opencv的convexhull得到凸包然后就可以抠出人脸区域了.

python代码(获取人脸的掩模)

def get_image_hull_mask(image_shape, image_landmarks, ie_polys=None):
    # get the mask of the image
    if image_landmarks.shape[0] != 68:
        raise Exception(
            'get_image_hull_mask works only with 68 landmarks')
    int_lmrks = np.array(image_landmarks, dtype=np.int)

    #hull_mask = np.zeros(image_shape[0:2]+(1,), dtype=np.float32)
    hull_mask = np.full(image_shape[0:2] + (1,), 0, dtype=np.float32)

    cv2.fillConvexPoly(hull_mask, cv2.convexHull(
        np.concatenate((int_lmrks[0:9],
                        int_lmrks[17:18]))), (1,))

    cv2.fillConvexPoly(hull_mask, cv2.convexHull(
        np.concatenate((int_lmrks[8:17],
                        int_lmrks[26:27]))), (1,))

    cv2.fillConvexPoly(hull_mask, cv2.convexHull(
        np.concatenate((int_lmrks[17:20],
                        int_lmrks[8:9]))), (1,))

    cv2.fillConvexPoly(hull_mask, cv2.convexHull(
        np.concatenate((int_lmrks[24:27],
                        int_lmrks[8:9]))), (1,))

    cv2.fillConvexPoly(hull_mask, cv2.convexHull(
        np.concatenate((int_lmrks[19:25],
                        int_lmrks[8:9],
                        ))), (1,))

    cv2.fillConvexPoly(hull_mask, cv2.convexHull(
        np.concatenate((int_lmrks[17:22],
                        int_lmrks[27:28],
                        int_lmrks[31:36],
                        int_lmrks[8:9]
                        ))), (1,))

    cv2.fillConvexPoly(hull_mask, cv2.convexHull(
        np.concatenate((int_lmrks[22:27],
                        int_lmrks[27:28],
                        int_lmrks[31:36],
                        int_lmrks[8:9]
                        ))), (1,))

    # nose
    cv2.fillConvexPoly(
        hull_mask, cv2.convexHull(int_lmrks[27:36]), (1,))

    if ie_polys is not None:
        ie_polys.overlay_mask(hull_mask)
    print()
    return hull_mask

方法利用的就是opencv的convexhull得到凸包然后就可以抠出人脸区域。

得到掩模,这里使用两种方式来得到人脸区域
1. 将mask作为\alpha通道,来控制图片区域的透明度,最后得到图片是4通道的

def merge_add_alpha(img_1, mask):
    # merge rgb and mask into a rgba image
    r_channel, g_channel, b_channel = cv2.split(img_1)
    if mask is not None:
        alpha_channel = np.ones(mask.shape, dtype=img_1.dtype)
        alpha_channel *= mask*255
    else:
        alpha_channel = np.zeros(img_1.shape[:2], dtype=img_1.dtype)
    img_BGRA = cv2.merge((b_channel, g_channel, r_channel, alpha_channel))
    return img_BGRA

分割结果

  1. 掩模与原始图像进行与运算,返回图像是三通道。
def merge_add_mask(img_1, mask):
    if mask is not None:
        height = mask.shape[0]
        width = mask.shape[1]
        channel_num = mask.shape[2]
        for row in range(height):
            for col in range(width):
                for c in range(channel_num):
                    if mask[row, col, c] == 0:
                        mask[row, col, c] = 0
                    else:
                        mask[row, col, c] = 255

        r_channel, g_channel, b_channel = cv2.split(img_1)
        r_channel = cv2.bitwise_and(r_channel, mask)
        g_channel = cv2.bitwise_and(g_channel, mask)
        b_channel = cv2.bitwise_and(b_channel, mask)
        res_img = cv2.merge((b_channel, g_channel, r_channel))
    else:
        res_img = img_1
    return res_img

分割结果为

人脸对齐

思路比较简单,计算两眼连线与水平线的夹角,然后通过角度得到对应的旋转矩阵。对图片进行相应的变换。

def single_face_alignment(face, landmarks):
    eye_center = ((landmarks[36, 0] + landmarks[45, 0]) * 1. / 2,  # 计算两眼的中心坐标
                  (landmarks[36, 1] + landmarks[45, 1]) * 1. / 2)
    dx = (landmarks[45, 0] - landmarks[36, 0])  # note: right - right
    dy = (landmarks[45, 1] - landmarks[36, 1])

    angle = math.atan2(dy, dx) * 180. / math.pi  # 计算角度
    RotateMatrix = cv2.getRotationMatrix2D(eye_center, angle, scale=1)  # 计算仿射矩阵
    align_face = cv2.warpAffine(face, RotateMatrix, (face.shape[0], face.shape[1]))  # 进行放射变换,即旋转
    return align_face

人脸对齐后如图

这样就完成人脸检测–>人脸关键点检测–>人脸分割–>人脸对齐。

具体代码参照github
可以用以上方法对fer2013数据集进行预处理,如图所示。

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