JavaCV的摄像头实战之十二：性别检测

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这里分类和汇总了欣宸的全部原创(含配套源码)：https://github.com/zq2599/blog_demos

本篇概览

• 本文是《JavaCV的摄像头实战》系列的第十二篇，咱们来开发一个实用功能：识别性别并显示在预览页面，如下图：
  

• 今天的代码，主要功能如下图所示：
  

• 如果您看过《JavaCV的摄像头实战》系列的其他文章，就会发现上图中只有蓝色部分是新增内容，其余的步骤都是固定套路，《JavaCV的摄像头实战》系列的每一个应用玩的都是相同套路：别看步骤挺多，其实都是同一个流程

关于性别和年龄检测

• 使用卷积神经网络推理性别和年龄的更多技术细节，这里有更详细的说明：
  https://talhassner.github.io/home/publication/2015_CVPR
• 本篇会使用已训练好的Caffe 模型，训练该模型的数据来自Flickr相册，通过从 iPhone5（或更高版本）智能手机设备自动上传组装而成，并由其作者根据知识共享 (CC) 许可向公众发布，共有26580张照片，涉及2284人，这些人的年龄一共被标识成八组：（0-2、4-6、8-13、15-20、25-32、38-43、48-53、60 -)
• 关于数据源的更多详细，请参考：https://talhassner.github.io/home/projects/Adience/Adience-data.html
• 论文地址：https://talhassner.github.io/home/projects/cnn_agegender/CVPR2015_CNN_AgeGenderEstimation.pdf

源码下载

• 《JavaCV人脸识别三部曲》的完整源码可在GitHub下载到，地址和链接信息如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：

名称	链接	备注
项目主页	https://github.com/zq2599/blog_demos	该项目在GitHub上的主页
git仓库地址(https)	https://github.com/zq2599/blog_demos.git	该项目源码的仓库地址，https协议
git仓库地址(ssh)	git@github.com:zq2599/blog_demos.git	该项目源码的仓库地址，ssh协议

• 这个git项目中有多个文件夹，本篇的源码在javacv-tutorials文件夹下，如下图红框所示：
  
• javacv-tutorials里面有多个子工程，《JavaCV的摄像头实战》系列的代码在simple-grab-push工程下：
  

准备：文件下载

• 本次实战需要三个文件：

1. 人脸检测的模型文件：https://raw.github.com/opencv/opencv/master/data/haarcascades/haarcascade_frontalface_alt.xml
2. 性别识别的配置文件：https://raw.githubusercontent.com/GilLevi/AgeGenderDeepLearning/master/gender_net_definitions/deploy.prototxt
3. 性别识别的模型文件：https://raw.githubusercontent.com/GilLevi/AgeGenderDeepLearning/master/models/gender_net.caffemodel

• 我已将上述文件打包上传到CSDN，您也可以在CSDN下载（无需积分）：
  https://download.csdn.net/download/boling_cavalry/70730586

准备：代码接口简介

• 编码前，先把涉及到的所有java文件说明一下：

1. AbstractCameraApplication.java：主程序的抽象类，这里面定义了打开摄像头、抓取每一帧、处理每一帧的基本框架，避免每个应用都把这些事情重复做一遍
2. PreviewCameraWithGenderAge.java：主程序，是AbstractCameraApplication的实现类，本次实战的核心功能人脸检测和性别检测，都委托给它的成员变量detectService去完成
3. DetectService.java：检测服务的接口，里面定义了几个重要的api，例如初始化、处理每一帧、释放资源等
4. GenderDetectService.java：是DetectService接口的实现类，本次实战的核心功能都写在这个类中

• 介绍完毕，可以开始编码了，先从最简单的主程序开始

编码：主程序

• 《JavaCV的摄像头实战之一：基础》创建的simple-grab-push工程中已经准备好了父类AbstractCameraApplication，所以本篇继续使用该工程，创建子类实现那些抽象方法即可
• 编码前先回顾父类的基础结构，如下图，粗体是父类定义的各个方法，红色块都是需要子类来实现抽象方法，所以接下来，咱们以本地窗口预览为目标实现这三个红色方法即可：
  
• 新建文件PreviewCameraWithGenderAge.java，这是AbstractCameraApplication的子类，其代码很简单，接下来按上图顺序依次说明
• 先定义CanvasFrame类型的成员变量previewCanvas，这是展示视频帧的本地窗口：

protected CanvasFrame previewCanvas

• 把前面创建的DetectService作为成员变量，后面检测的时候会用到：

    /**
     * 检测工具接口
     */
    private DetectService detectService;

• PreviewCameraWithGenderAge的构造方法，接受DetectService的实例：

    /**
     * 不同的检测工具，可以通过构造方法传入
     * @param detectService
     */
    public PreviewCameraWithGenderAge(DetectService detectService) {
        this.detectService = detectService;
    }

• 然后是初始化操作，可见是previewCanvas的实例化和参数设置，还有检测、识别的初始化操作：

    @Override
    protected void initOutput() throws Exception {
        previewCanvas = new CanvasFrame("摄像头预览", CanvasFrame.getDefaultGamma() / grabber.getGamma());
        previewCanvas.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        previewCanvas.setAlwaysOnTop(true);

        // 检测服务的初始化操作
        detectService.init();
    }

• 接下来是output方法，定义了拿到每一帧视频数据后做什么事情，这里调用了detectService.convert检测人脸并识别性别，然后在本地窗口显示：

    @Override
    protected void output(Frame frame) {
        // 原始帧先交给检测服务处理，这个处理包括物体检测，再将检测结果标注在原始图片上，
        // 然后转换为帧返回
        Frame detectedFrame = detectService.convert(frame);
        // 预览窗口上显示的帧是标注了检测结果的帧
        previewCanvas.showImage(detectedFrame);
    }

• 最后是处理视频的循环结束后，程序退出前要做的事情，先关闭本地窗口，再释放检测服务的资源：

    @Override
    protected void releaseOutputResource() {
        if (null!= previewCanvas) {
            previewCanvas.dispose();
        }

        // 检测工具也要释放资源
        detectService.releaseOutputResource();
    }

• 由于检测有些耗时，所以两帧之间的间隔时间要低于普通预览：

    @Override
    protected int getInterval() {
        return super.getInterval()/8;
    }

• 至此，功能已开发完成，再写上main方法，代码如下，请注意AgeDetectService构造方法的三个入参，分别是前面下载的三个文件在本机的位置：

    public static void main(String[] args) {
        String base = "E:\\temp\\202112\\25\\opencv\\";
  
        DetectService detectService = new GenderDetectService(
                base + "haarcascade_frontalface_alt.xml",
                base + "gender\\deploy.prototxt",
                base + "gender\\gender_net.caffemodel");
                
        new PreviewCameraWithGenderAge(detectService).action(1000);
    }

• 主程序已经写完，接下来是核心功能

编码：服务接口回顾

• 本篇的核心功能是检测性别，相关代码被封装在DetectService接口的实现类GenderDetectService中，这个DetectService接口是咱们的老朋友了，之前识别相关的实战都有它的身影，再来回顾一下，如下，定义了初始化、处理原始帧、释放资源等关键行为的接口：

package com.bolingcavalry.grabpush.extend;

public interface DetectService {
    /**
     * 根据传入的MAT构造相同尺寸的MAT，存放灰度图片用于以后的检测
     * @param src 原始图片的MAT对象
     * @return 相同尺寸的灰度图片的MAT对象
     */
    static Mat buildGrayImage(Mat src) {
        return new Mat(src.rows(), src.cols(), CV_8UC1);
    }
    
    /**
     * 初始化操作，例如模型下载
     * @throws Exception
     */
    void init() throws Exception;

    /**
     * 得到原始帧，做识别，添加框选
     * @param frame
     * @return
     */
    Frame convert(Frame frame);

    /**
     * 释放资源
     */
    void releaseOutputResource();
}

• 接下来，就是DetectService接口的实现类，也就是今天实战的核心：GenderDetectService.java

编码：检测服务实现

• 今天的核心功能都集中在GenderDetectService.java中，直接贴出全部源码吧，有几处要注意的地方稍后会提到：

package com.bolingcavalry.grabpush.extend;

import com.bolingcavalry.grabpush.Constants;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.bytedeco.javacpp.indexer.Indexer;
import org.bytedeco.javacv.Frame;
import org.bytedeco.javacv.OpenCVFrameConverter;
import org.bytedeco.opencv.opencv_core.*;
import org.bytedeco.opencv.opencv_dnn.Net;
import org.bytedeco.opencv.opencv_objdetect.CascadeClassifier;

import static org.bytedeco.opencv.global.opencv_core.NORM_MINMAX;
import static org.bytedeco.opencv.global.opencv_core.normalize;
import static org.bytedeco.opencv.global.opencv_dnn.blobFromImage;
import static org.bytedeco.opencv.global.opencv_dnn.readNetFromCaffe;
import static org.bytedeco.opencv.global.opencv_imgproc.*;

/**
 * @author willzhao
 * @version 1.0
 * @description 音频相关的服务
 * @date 2021/12/3 8:09
 */
@Slf4j
public class GenderDetectService implements DetectService {

    /**
     * 每一帧原始图片的对象
     */
    private Mat grabbedImage = null;

    /**
     * 原始图片对应的灰度图片对象
     */
    private Mat grayImage = null;

    /**
     * 分类器
     */
    private CascadeClassifier classifier;

    /**
     * 转换器
     */
    private OpenCVFrameConverter.ToMat converter = new OpenCVFrameConverter.ToMat();

    /**
     * 人脸检测模型文件的下载地址
     */
    private String classifierModelFilePath;

    /**
     * 性别识别proto文件的下载地址
     */
    private String genderProtoFilePath;

    /**
     * 性别识别模型文件的下载地址
     */
    private String genderModelFilePath;

    /**
     * 推理性别的神经网络对象
     */
    private Net cnnNet;

    /**
     * 构造方法，在此指定proto和模型文件的下载地址
     * @param classifierModelFilePath
     * @param cnnProtoFilePath
     * @param cnnModelFilePath
     */
    public GenderDetectService(String classifierModelFilePath,
                               String cnnProtoFilePath,
                               String cnnModelFilePath) {
        this.classifierModelFilePath = classifierModelFilePath;
        this.genderProtoFilePath = cnnProtoFilePath;
        this.genderModelFilePath = cnnModelFilePath;
    }

    /**
     * 初始化操作，主要是创建推理用的神经网络
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void init() throws Exception {
        // 根据模型文件实例化分类器
        classifier = new CascadeClassifier(classifierModelFilePath);
        // 实例化推理性别的神经网络
        cnnNet = readNetFromCaffe(genderProtoFilePath, genderModelFilePath);
    }

    @Override
    public Frame convert(Frame frame) {
        // 由帧转为Mat
        grabbedImage = converter.convert(frame);

        // 灰度Mat，用于检测
        if (null==grayImage) {
            grayImage = DetectService.buildGrayImage(grabbedImage);
        }

        // 当前图片转为灰度图片
        cvtColor(grabbedImage, grayImage, CV_BGR2GRAY);

        // 存放检测结果的容器
        RectVector objects = new RectVector();

        // 开始检测
        classifier.detectMultiScale(grayImage, objects);

        // 检测结果总数
        long total = objects.size();

        // 如果没有检测到结果，就用原始帧返回
        if (total<1) {
            return frame;
        }

        int pos_x;
        int pos_y;

        Mat faceMat;

        //推理时的入参
        Mat inputBlob;

        // 推理结果
        Mat prob;

        // 如果有检测结果，就根据结果的数据构造矩形框，画在原图上
        for (long i = 0; i < total; i++) {
            Rect r = objects.get(i);

            // 人脸对应的Mat实例（注意：要用彩图，不能用灰度图！！！）
            faceMat = new Mat(grabbedImage, r);
            // 缩放到神经网络所需的尺寸
            resize(faceMat, faceMat, new Size(Constants.CNN_PREIDICT_IMG_WIDTH, Constants.CNN_PREIDICT_IMG_HEIGHT));
            // 归一化
            normalize(faceMat, faceMat, 0, Math.pow(2, frame.imageDepth), NORM_MINMAX, -1, null);
            // 转为推理时所需的的blob类型
            inputBlob = blobFromImage(faceMat);
            // 为神经网络设置入参
            cnnNet.setInput(inputBlob, "data", 1.0, null);      //set the network input
            // 推理
            prob = cnnNet.forward("prob");

            // 根据推理结果得到在人脸上标注的内容
            String lable = getDescriptionFromPredictResult(prob);

            // 人脸标注的横坐标
            pos_x = Math.max(r.tl().x()-10, 0);
            // 人脸标注的纵坐标
            pos_y = Math.max(r.tl().y()-10, 0);

            // 给人脸做标注，标注性别
            putText(grabbedImage, lable, new Point(pos_x, pos_y), FONT_HERSHEY_PLAIN, 1.5, new Scalar(0,255,0,2.0));

            // 给人脸加边框时的边框位置
            int x = r.x(), y = r.y(), w = r.width(), h = r.height();
            // 给人脸加边框
            rectangle(grabbedImage, new Point(x, y), new Point(x + w, y + h), Scalar.RED, 1, CV_AA, 0);
        }

        // 释放检测结果资源
        objects.close();

        // 将标注过的图片转为帧，返回
        return converter.convert(grabbedImage);
    }

    /**
     * 程序结束前，释放人脸识别的资源
     */
    @Override
    public void releaseOutputResource() {
        if (null!=grabbedImage) {
            grabbedImage.release();
        }

        if (null!=grayImage) {
            grayImage.release();
        }

        if (null!=classifier) {
            classifier.close();
        }

        if (null!= cnnNet) {
            cnnNet.close();
        }
    }

    /**
     * 根据推理结果得到在头像上要标注的内容
     * @param prob
     * @return
     */
    protected String getDescriptionFromPredictResult(Mat prob) {
        Indexer indexer = prob.createIndexer();

        // 比较两种性别的概率，概率大的作为当前头像的性别
        return indexer.getDouble(0,0) > indexer.getDouble(0,1)
               ? "male"
               : "female";
    }
}

• 上述代码，有以下几处需要注意的：

1. 构造方法的三个入参：classifierModelFilePath、cnnProtoFilePath、cnnModelFilePath分别是人脸检测模型、性别检测配置、性别检测模型三个文件的本地存放地址
2. 检测性别靠的是卷积神经网络的推理，初始化的时候通过readNetFromCaffe方法新建神经网络对象
3. convert方法被调用时，会收到摄像头捕捉的每一帧，在这里面先检测出每个人脸，再拿每个人脸去神经网络进行推理
4. 用神经网络的推理结果生成人脸的标注内容，这段逻辑被放入getDescriptionFromPredictResult，下一篇《年龄检测》的实战同样是使用神经网络推理头像的年龄，咱们只要写一个GenderDetectService，并重写getDescriptionFromPredictResult方法，里面的逻辑改成根据推理结果得到年龄，即可轻松完成任务，其他类都可以维持不变

• 至此，编码完成，接下来开始验证

验证

• 确保摄像头工作正常，运行PreviewCameraWithGenderAge类的main方法
• 请群众演员登场，让他站在摄像头前，如下图，性别识别成功，且实时展示：
  
• 至此，本地窗口预览集成人脸检测和性别检测的功能就完成了，得益于JavaCV的强大，整个过程是如此的轻松愉快，接下来请继续关注欣宸原创，《JavaCV的摄像头实战》系列还会呈现更多丰富的应用；
• 得益于本篇所做的扩展准备，下一篇《年龄检测》会更加简单，一起来期待下一段轻松愉快的旅程吧；

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