利用OpenCV进行人脸关键点检测（Facial Landmark Detection）

Summary：利用OpenCV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
转载：https://github.com/amusi/opencv-facial-landmark-detection

目录结构：

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

测试环境
Windows7
Visual Studio 2013
OpenCV3.4.1

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。
OpenCV Facemark : Facial Landmark Detection
在这里插入图片描述

本教程仅利用OpenCV，不依赖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

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。

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: 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. An alternative implementation of this algorithm can be found in DLIB
FacemarkAAM: 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.
FacemarkLBF: This implementation is based a paper titled “Face alignment at 3000 fps via regressing local binary features” by S. Ren published in CVPR 2014.

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。

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

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

// Summary: 利用OpenCV的LBF算法进行人脸关键点检测
// Author:  Amusi
// Date:    2018-03-20
// Reference:
//		[1]Tutorial: https://www.learnopencv.com/facemark-facial-landmark-detection-using-opencv/
//		[2]Code: https://github.com/spmallick/learnopencv/tree/master/FacialLandmarkDetection

// Note: OpenCV3.4以及上支持Facemark

#include <opencv2/opencv.hpp>
#include <opencv2/face.hpp>
#include "drawLandmarks.hpp"


using namespace std;
using namespace cv;
using namespace cv::face;


int main(int argc,char** argv)
{
    // 加载人脸检测器（Face Detector）
	// [1]Haar Face Detector
    //CascadeClassifier faceDetector("haarcascade_frontalface_alt2.xml");
	// [2]LBP Face Detector
	CascadeClassifier faceDetector("lbpcascade_frontalface.xml");

    // 创建Facemark类的对象
    Ptr<Facemark> facemark = FacemarkLBF::create();

    // 加载人脸检测器模型
    facemark->loadModel("lbfmodel.yaml");

    // 设置网络摄像头用来捕获视频
    VideoCapture cam(0);
    
    // 存储视频帧和灰度图的变量
    Mat frame, gray;
    
    // 读取帧
    while(cam.read(frame))
    {
      
      // 存储人脸矩形框的容器
      vector<Rect> faces;
	  // 将视频帧转换至灰度图, 因为Face Detector的输入是灰度图
      cvtColor(frame, gray, COLOR_BGR2GRAY);

      // 人脸检测
      faceDetector.detectMultiScale(gray, faces);
      
	  // 人脸关键点的容器
      vector< vector<Point2f> > landmarks;
      
	  // 运行人脸关键点检测器（landmark detector）
      bool success = facemark->fit(frame,faces,landmarks);
      
      if(success)
      {
        // 如果成功, 在视频帧上绘制关键点
        for(int i = 0; i < landmarks.size(); i++)
        {
			// 自定义绘制人脸特征点函数, 可绘制人脸特征点形状/轮廓
			drawLandmarks(frame, landmarks[i]);
			// OpenCV自带绘制人脸关键点函数: drawFacemarks
			drawFacemarks(frame, landmarks[i], Scalar(0, 0, 255));
        }
	
      }

      // 显示结果
      imshow("Facial Landmark Detection", frame);

      // 如果按下ESC键, 则退出程序
      if (waitKey(1) == 27) break;
      
    }
    return 0;
}

drawLandmarks.hpp

// Summary: 绘制人脸关键点和多边形线
// Author:  Amusi
// Date:    2018-03-20

#ifndef _renderFace_H_
#define _renderFace_H_

#include <iostream>
#include <opencv2/opencv.hpp>

using namespace cv; 
using namespace std; 

#define COLOR Scalar(255, 200,0)

// 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。
void drawPolyline
(
  Mat &im,
  const vector<Point2f> &landmarks,
  const int start,
  const int end,
  bool isClosed = false
)
{
    // 收集开始和结束索引之间的所有点
    vector <Point> points;
    for (int i = start; i <= end; i++)
    {
        points.push_back(cv::Point(landmarks[i].x, landmarks[i].y));
    }

    // 绘制多边形曲线
    polylines(im, points, isClosed, COLOR, 2, 16);
    
}

// 绘制人脸关键点
void drawLandmarks(Mat &im, vector<Point2f> &landmarks)
{
    // 在脸上绘制68点及轮廓（点的顺序是特定的，有属性的）
    if (landmarks.size() == 68)
    {
      drawPolyline(im, landmarks, 0, 16);           // Jaw line
      drawPolyline(im, landmarks, 17, 21);          // Left eyebrow
      drawPolyline(im, landmarks, 22, 26);          // Right eyebrow
      drawPolyline(im, landmarks, 27, 30);          // Nose bridge
      drawPolyline(im, landmarks, 30, 35, true);    // Lower nose
      drawPolyline(im, landmarks, 36, 41, true);    // Left eye
      drawPolyline(im, landmarks, 42, 47, true);    // Right Eye
      drawPolyline(im, landmarks, 48, 59, true);    // Outer lip
      drawPolyline(im, landmarks, 60, 67, true);    // Inner lip
    }
    else 
    { 
		// 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。
		for(int i = 0; i < landmarks.size(); i++)
		{
			circle(im,landmarks[i],3, COLOR, FILLED);
		}
    }
    
}

#endif // _renderFace_H_