讓虛谷號(hào)認(rèn)識(shí)你的朋友

于方軍 宋道星

人工智能有兩個(gè)重要的應(yīng)用領(lǐng)域：語音識(shí)別和人臉識(shí)別。人臉識(shí)別屬于計(jì)算機(jī)視覺的范疇，早期，人們的主要研究方向是人臉識(shí)別，即根據(jù)人臉來識(shí)別人物身份，后來，在復(fù)雜背景下的人臉檢測(cè)需求越來越大，人臉檢測(cè)也逐漸作為一個(gè)單獨(dú)的研究方向發(fā)展起來。本文介紹的是使用百度AI開放平臺(tái)的免費(fèi)人臉對(duì)比功能來實(shí)現(xiàn)的人臉識(shí)別的搭建，用開源的OpenCV進(jìn)行人臉檢測(cè)：攝像頭拍攝后檢測(cè)到人臉，把拍攝到的人臉圖像上傳到百度，和保存在文件夾中的已知人臉對(duì)比，如果相似度大于百分之五十，就把已知人臉的文件名加到攝像頭拍攝到的人臉圖像上，進(jìn)而識(shí)別出人臉。

課程設(shè)計(jì)的思路

本課例的設(shè)計(jì)步驟以體驗(yàn)為主，重點(diǎn)介紹基于開源OpenCV的人臉檢測(cè)工作的過程，即先搜索到圖片中的人臉，然后借助百度AI的免費(fèi)人臉對(duì)比功能，使學(xué)生較好地理解人臉識(shí)別的實(shí)現(xiàn)原理，從而啟發(fā)學(xué)生發(fā)揮創(chuàng)意，開發(fā)屬于自己的人工智能作品。

教學(xué)過程主要體現(xiàn)了函數(shù)層面的模塊化教學(xué)，通過將功能封裝成函數(shù)，再調(diào)用函數(shù)的方法，引導(dǎo)學(xué)生理解人臉檢測(cè)和識(shí)別的過程。

環(huán)境配置

虛谷號(hào)的固件已經(jīng)預(yù)裝了OpenCV，可以直接運(yùn)行，上頁圖1是OpenCV在虛谷號(hào)中的安裝位置（/usr/local/share/OpenCV）。

1.攝像頭管理

OpenCV是使用cv2.VideoCapture（0）創(chuàng)建視頻捕獲的對(duì)象，參數(shù)0為默認(rèn)攝像頭，虛谷號(hào)外接的USB攝像頭也設(shè)置為0。然后，打開一個(gè)mycamera窗口顯示攝像頭捕捉的幀，用條件循環(huán)捕捉幀，按下Esc鍵（鍵值是27），保存當(dāng)前幀為圖片faceme.jpg，上頁圖2是通過攝像頭捕捉圖像的程序。

2.人臉檢測(cè)

人臉有著共同的特征，如與臉頰相比眼部顏色較深，與眼睛相比鼻梁區(qū)域較為明亮，眼睛、嘴巴、鼻子的位置較為固定等，這些特征稱為Haar特征。OpenCV利用級(jí)聯(lián)分類器做人臉檢測(cè)，支持類Haar特征，并自帶了訓(xùn)練器和檢測(cè)器，這里介紹的XML文件，就是OpenCV自帶的檢測(cè)器。在OpenCV 3的庫文件中還會(huì)包含一個(gè)文件夾haarcascades，在虛谷號(hào)上的路徑為：/usr/local/shanre/OpenCV/haarcascades。在這個(gè)文件夾下包含了OpenCV的人臉檢測(cè)的XML文件，這些文件可用于檢測(cè)靜止圖像、視頻和攝像頭中的人臉圖像。這些XML文件，就是OpenCV在GitHub上共享出來的具有普適性的訓(xùn)練好的數(shù)據(jù)，可以直接拿來使用。圖3是在攝像頭管理程序基礎(chǔ)上又加了人臉檢測(cè)的Python程序。

然后，在讀取攝像頭幀數(shù)據(jù)后，通過face_cascade=cv2.CascadeClassifier（'./FaceRecognition/haarcascade_frontalface_default.xml'）加載人臉檢測(cè)器。其中，F(xiàn)aceRecognition的文件夾用來存放OpenCV源文件里面檢測(cè)人臉的XML文件，并和主程序放在同一個(gè)文件夾里方便使用。接著，進(jìn)行如下步驟：

①gray=cv2.cvtColor（frame， cv2.COLOR_BGR2GRAY），彩色圖片變成灰度圖片，簡(jiǎn)化圖像的信息。

②faces=face_cascade.detectMultiScale（gray， 1.3， 5），檢測(cè)人臉，調(diào)整函數(shù)的參數(shù)可以使檢測(cè)結(jié)果更加精確。

③for（x， y， w， h） in faces：img=cv2.rectangle（frame， （x， y）， （x + w， y + h）， （255， 255， 0），在檢測(cè)到的人臉上畫出方形。

3.人臉識(shí)別

進(jìn)行人臉識(shí)別，首先要前往百度AI開放平臺(tái)申請(qǐng)開發(fā)者賬號(hào)，進(jìn)入人臉識(shí)別控制臺(tái)創(chuàng)建一個(gè)新的應(yīng)用，并記下自己的AppID、API Key和Secret Key。接著，在程序所在的文件夾建立一個(gè)FaceFile的文件夾用來存放已知人臉的圖片，圖片文件名為圖片人臉的真實(shí)名稱，如yu.jpg。上頁圖4是將兩張圖片上傳到百度AI開放平臺(tái)的操作函數(shù)，會(huì)被后續(xù)的主函數(shù)調(diào)用。最后，通過result=Mactch（'faceMe.jpg'，tag）把攝像頭采集的圖片，和FaceFile文件夾中的保存圖片對(duì)比。

用識(shí)別結(jié)果控制舵機(jī)制作智能門鎖

用虛谷號(hào)完成對(duì)舵機(jī)的控制，首先要導(dǎo)入虛谷庫，并做相應(yīng)的設(shè)置。這里設(shè)置為用虛谷號(hào)12腳控制舵機(jī)。識(shí)別出是人臉文件夾中的熟人，控制舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)角度，打開門5秒鐘，5秒鐘后關(guān)上門，具體程序如圖5、圖6所示。

基于虛谷號(hào)的人臉識(shí)別可以開發(fā)的功能豐富，既可以從小處著手，開發(fā)小型的適合一個(gè)學(xué)生獨(dú)立完成的項(xiàng)目，也可以開發(fā)比較大型的適合團(tuán)隊(duì)完成的項(xiàng)目。在本課例中，可以使用虛谷號(hào)完成人臉識(shí)別的智能門鎖，也可以開發(fā)人臉識(shí)別的簽到系統(tǒng)，在完成作品的同時(shí)，不只是學(xué)習(xí)人工智能的應(yīng)用技術(shù)，更重要的是在教育活動(dòng)中融入了創(chuàng)客精神和內(nèi)涵，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)和實(shí)踐能力，這也正是虛谷號(hào)的初心與堅(jiān)持所在。