Java版人脸跟踪三部曲之三：编码实战
2024-04-24 08:27:58
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《Java版人脸跟踪三部曲》全文链接
- 《极速体验》
- 《开发设计》
- 《编码实战》
本篇概览
- 作为《Java版人脸跟踪三部曲》系列的终篇，本文会与大家一起写出完整的人脸跟踪应用代码
- 前文《开发设计》中，已经对人脸跟踪的核心技术、应用主流程、异常处理等方方面面做了详细设计，建议您简单回顾一下
- 接下来，自顶向下，先整体设计好主框架和关键类
程序主框架和关键类
- 听欣宸唠叨了两篇文章，终于要看具体代码了，整体上看，最关键的三个类如下图：
- 可见把功能、流程、知识点梳理清楚后，代码其实并不多，而且各司其职，分工明确，接下来开始编码，ObejctTracker负责实现跟踪功能，就从它开始
ObejctTracker.java：跟踪能力的提供者
- 从前面的图中可知，与跟踪有关的服务都是ObejctTracker类提供的，此类涉及知识点略多，在编写代码前，先做一下简单的设计
- 从功能看，ObejctTracker会对外提供如下两个方法：
| 方法名 | 作用 | 入参 | 返回 | 内部实现 |
|---|---|---|---|---|
| createTrackedObject | 主程序如果从视频帧中首次次检测到人脸，就会调用createTrackedObject方法，表示开始跟踪了 |
mRgba：出现人脸的图片 region：人脸在图片中的位置 |
无 | 提取人脸的hue，生成直方图 |
| objectTracking | 开始跟踪后，主程序从摄像头取到的每一帧图片后，都会调用此方法，用于得到人脸在这一帧中的位置 | mRgba：图片 | 人脸在输入图片中位置 | 用人脸hue直方图对输入图片进行计算，得到反向投影图，在反向投影图上做CamShift计算得到人脸位置 |
- 除了上述两个对外方法，ObejctTracker内部还要准备如下两个辅助方法：
| 方法名 | 作用 | 入参 | 返回 | 内部实现 |
|---|---|---|---|---|
| rgba2Hue | 将RGB颜色空间的图片转为HSV，再提取出hue通道，生成直方图 | rgba：人脸图片 | 无 | List<Mat>：直方图 |
| lostTrace | 对比objectTracking方法返回的结果与上次出现的位置，确定人有没有跟丢 |
lastRect：上次出现的位置 currentRect：objectTracking方法检测到的当前帧上的位置 |
true表示跟丢了，false表示没有跟丢 | 对比两个矩形的差距是否超过一个门限，正常情况下连续两帧中的人脸差别不会太大，所以一旦差别大了就表示跟丢了，currentRect的位置上不是人脸 |
- 还有几个成员变量也很重要：
// 每一帧图像的反向投影图都用这个成员变量来保存private Mat prob;// 保存最近一次确认的头像的位置，每当新的一帧到来时，都从这个位置开始追踪（也就是反向投影图做CamShift计算的起始位置）private Rect trackRect;// 直方图，在跟丢之前，每一帧图像都要用到这个直方图来生成反向投影private Mat hist;
- 设计完成，现在可以给出完整的ObejctTracker.java源码了：
package com.bolingcavalry.grabpush.extend;import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.opencv.core.*;
import org.opencv.imgproc.Imgproc;
import org.opencv.video.Video;
import java.util.Collections;
import java.util.List;
import java.util.Vector;/*** @author willzhao* @version 1.0* @description TODO* @date 2022/1/8 21:21*/
@Slf4j
public class ObjectTracker {/*** 上一个矩形和当前矩形的差距达到多少的时候，才算跟丢，您可以自行调整*/private static final double LOST_GATE = 0.8d;// [0.0, 256.0]表示直方图能表示像素值从0.0到256的像素private static final MatOfFloat RANGES = new MatOfFloat(0f, 256f);private Mat mask;// 保存用来追踪的每一帧的反向投影图private Mat prob;// 保存最近一次确认的头像的位置，每当新的一帧到来时，都从这个位置开始追踪（也就是反向投影图做CamShift计算的起始位置）private Rect trackRect;// 直方图private Mat hist;public ObjectTracker(Mat rgba) {hist = new Mat();trackRect = new Rect();mask = new Mat(rgba.size(), CvType.CV_8UC1);prob = new Mat(rgba.size(), CvType.CV_8UC1);}/*** 将摄像头传来的图片提取出hue通道，放入hueList中* 将摄像头传来的RGB颜色空间的图片转为HSV颜色空间，* 然后检查HSV三个通道的值是否在指定范围内，mask中记录了检查结果* 再将hsv中的hue提取出来* @param rgba*/private List<Mat> rgba2Hue(Mat rgba) {// 实例化Mat，显然，hsv是三通道，hue是hsv三通道其中的一个，所以hue是一通道Mat hsv = new Mat(rgba.size(), CvType.CV_8UC3);Mat hue = new Mat(rgba.size(), CvType.CV_8UC1);// 1. 先转换// 转换颜色空间，RGB到HSVImgproc.cvtColor(rgba, hsv, Imgproc.COLOR_RGB2HSV);int vMin = 65, vMax = 256, sMin = 55;//inRange函数的功能是检查输入数组每个元素大小是否在2个给定数值之间，可以有多通道,mask保存0通道的最小值，也就是h分量//这里利用了hsv的3个通道，比较h,0~180,s,smin~256,v,min(vmin,vmax),max(vmin,vmax)。如果3个通道都在对应的范围内，//则mask对应的那个点的值全为1(0xff)，否则为0(0x00).Core.inRange(hsv,new Scalar(0, sMin, Math.min(vMin, vMax)),new Scalar(180, 256, Math.max(vMin, vMax)),mask);// 2. 再提取// 把hsv的数据放入hsvList中，用于稍后提取出其中的hueList<Mat> hsvList = new Vector<>();hsvList.add(hsv);// 准备好hueList，用于接收通道// hue初始化为与hsv大小深度一样的矩阵，色调的度量是用角度表示的，红绿蓝之间相差120度，反色相差180度hue.create(hsv.size(), hsv.depth());List<Mat> hueList = new Vector<>();hueList.add(hue);// 描述如何提取：从目标的0位置提取到目的地的0位置MatOfInt from_to = new MatOfInt(0, 0);// 提取操作：将hsv第一个通道(也就是色调)的数复制到hue中，0索引数组Core.mixChannels(hsvList, hueList, from_to);return hueList;}/*** 当外部调用方确定了人脸在图片中的位置后，就可以调用createTrackedObject开始跟踪，* 该方法中会先生成人脸的hue的直方图，用于给后续帧生成反向投影* @param mRgba* @param region*/public void createTrackedObject(Mat mRgba, Rect region) {hist.release();//将摄像头的视频帧转化成hsv，然后再提取出其中的hue通道List<Mat> hueList = rgba2Hue(mRgba);// 人脸区域的maskMat tempMask = mask.submat(region);// histSize表示这个直方图分成多少份（即多少个直方柱），就是 bin的个数MatOfInt histSize = new MatOfInt(25);// 只要头像区域的数据List<Mat> images = Collections.singletonList(hueList.get(0).submat(region));// 计算头像的hue直方图，结果在hist中Imgproc.calcHist(images, new MatOfInt(0), tempMask, hist, histSize, RANGES);// 将hist矩阵进行数组范围归一化，都归一化到0~255Core.normalize(hist, hist, 0, 255, Core.NORM_MINMAX);// 这个trackRect记录了人脸最后一次出现的位置，后面新的帧到来时，就从trackRect位置开始做CamShift计算trackRect = region;}/*** 在开始跟踪后，每当摄像头新的一帧到来时，外部就会调用objectTracking，将新的帧传入，* 此时，会用前面准备好的人脸hue直方图，将新的帧计算出反向投影图，* 再在反向投影图上执行CamShift计算，找到密度最大处，即人脸在新的帧上的位置，* 将这个位置作为返回值，返回* @param mRgba 新的一帧* @return 人脸在新的一帧上的位置*/public Rect objectTracking(Mat mRgba) {// 新的图片，提取hueList<Mat> hueList;try {// 实测此处可能抛出异常，要注意捕获，避免程序退出hueList = rgba2Hue(mRgba);} catch (CvException cvException) {log.error("cvtColor exception", cvException);trackRect = null;return null;}// 用头像直方图在新图片的hue通道数据中计算反向投影。Imgproc.calcBackProject(hueList, new MatOfInt(0), hist, prob, RANGES, 1.0);// 计算两个数组的按位连接（dst = src1 & src2）计算两个数组或数组和标量的每个元素的逐位连接。Core.bitwise_and(prob, mask, prob, new Mat());// 在反向投影上进行CamShift计算，返回值就是密度最大处，即追踪结果RotatedRect rotatedRect = Video.CamShift(prob, trackRect, new TermCriteria(TermCriteria.EPS, 10, 1));// 转为Rect对象Rect camShiftRect = rotatedRect.boundingRect();// 比较追踪前和追踪后的数据，如果出现太大偏差，就认为追踪失败if (lostTrace(trackRect, camShiftRect)) {log.info("lost trace!");trackRect = null;return null;}// 将本次最终到的目标作为下次追踪的对象trackRect = camShiftRect;return camShiftRect;}/*** 变化率的绝对值* @param last 变化前* @param current 变化后* @return*/private static double changeRate(int last, int current) {return Math.abs((double)(current-last)/(double) last);}/*** 本次和上一次宽度或者高度的变化率，一旦超过阈值就认为跟踪失败* @param lastRect* @param currentRect* @return*/private static boolean lostTrace(Rect lastRect, Rect currentRect) {// 0不能做除数，如果发现0就认跟丢了if (lastRect.width<1 || lastRect.height<1) {return true;}double widthChangeRate = changeRate(lastRect.width, currentRect.width);if (widthChangeRate>LOST_GATE) {log.info("1. lost trace, old [{}], new [{}], rate [{}]", lastRect.width, currentRect.width, widthChangeRate);return true;}double heightChangeRate = changeRate(lastRect.height, currentRect.height);if (heightChangeRate>LOST_GATE) {log.info("2. lost trace, old [{}], new [{}], rate [{}]", lastRect.height, currentRect.height, heightChangeRate);return true;}return false;}
}
- 最核心的跟踪服务已经完成，接下来要实现完整业务逻辑，即：CamShiftDetectService.java
CamShiftDetectService.java：业务逻辑的提供者
- 有了核心能力，接下来要做的就是在业务中使用这个能力，前文已设计好完整的业务逻辑，这里先简单回顾一下：
- 可见主要业务流程可以用两个状态+行为来表示：
- 还未开始跟踪：对每一帧做人脸检测，一旦检测到，就进入跟踪状态，并调用ObjectTracker.createTrackedObject生成人脸的hue直方图
- 已处于跟踪状态：对每一帧图像，都调用ObjectTracker.objectTracking去检查人脸在图像中的位置，直到到跟丢了为止，一旦跟丢了，就重新进入到还未开始跟踪的状态
- 现在我们已经清楚了CamShiftDetectService.java要做的具体事情，接下来看看有哪些重要方法：
| 方法名 | 作用 | 入参 | 返回 | 内部实现 |
|---|---|---|---|---|
| init | 被主程序调用的初始化方法，在应用启动的时候会调用一次 | 无 | 无 | 加载人脸检测的模型 |
| convert | 每当主程序从摄像头拿到新的一帧后，都会调用此方法 | frame：来自摄像头的最新一帧 | 被处理后的帧，会被主程序展现在预览窗口 | convert方法内部实现了前面提到的两种状态和行为（还未开始跟踪、已处于跟踪状态） |
| releaseOutputResource | 程序结束前，被主程序调用的释放资源的方法 | 无 | 无 | 释放一些成员变量的资源 |
- 再来看看有哪些重要的成员变量，如下所示，isInTracing表示当前是否处于跟踪状态，classifier用于检测人脸：
/*** 每一帧原始图片的对象*/private Mat grabbedImage = null;/*** 分类器*/private CascadeClassifier classifier;/*** 转换器*/private OpenCVFrameConverter.ToMat converter = new OpenCVFrameConverter.ToMat();/*** 模型文件的下载地址*/private String modelFilePath;/*** 存放RGBA图片Mat*/private Mat mRgba;/*** 存放灰度图片的Mat，仅用在人脸检测的时候*/private Mat mGray;/*** 跟踪服务类*/private ObjectTracker objectTracker;/*** 表示当前是否正在跟踪目标*/private boolean isInTracing = false;
- 现在可以给出CamShiftDetectService.java的完整代码了：
package com.bolingcavalry.grabpush.extend;import com.bolingcavalry.grabpush.Util;
import lombok.extern.slf4j.Slf4j;
import org.bytedeco.javacv.Frame;
import org.bytedeco.javacv.OpenCVFrameConverter;
import org.bytedeco.opencv.opencv_core.Mat;
import org.bytedeco.opencv.opencv_core.Rect;
import org.bytedeco.opencv.opencv_core.RectVector;
import org.bytedeco.opencv.opencv_objdetect.CascadeClassifier;
import java.io.File;
import static org.bytedeco.opencv.global.opencv_imgproc.CV_BGR2GRAY;
import static org.bytedeco.opencv.global.opencv_imgproc.cvtColor;@Slf4j
public class CamShiftDetectService implements DetectService {/*** 每一帧原始图片的对象*/private Mat grabbedImage = null;/*** 分类器*/private CascadeClassifier classifier;/*** 转换器*/private OpenCVFrameConverter.ToMat converter = new OpenCVFrameConverter.ToMat();/*** 模型文件的下载地址*/private String modelFilePath;/*** 存放RGBA图片Mat*/private Mat mRgba;/*** 存放灰度图片的Mat，仅用在人脸检测的时候*/private Mat mGray;/*** 跟踪服务类*/private ObjectTracker objectTracker;/*** 表示当前是否正在跟踪目标*/private boolean isInTracing = false;/*** 构造方法，在此指定模型文件的下载地址* @param modelFilePath*/public CamShiftDetectService(String modelFilePath) {this.modelFilePath = modelFilePath;}/*** 音频采样对象的初始化* @throws Exception*/@Overridepublic void init() throws Exception {log.info("开始加载模型文件");// 模型文件下载后的完整地址String classifierName = new File(modelFilePath).getAbsolutePath();// 根据模型文件实例化分类器classifier = new CascadeClassifier(classifierName);if (classifier == null) {log.error("Error loading classifier file [{}]", classifierName);System.exit(1);}log.info("模型文件加载完毕，初始化完成");}@Overridepublic Frame convert(Frame frame) {// 由帧转为MatgrabbedImage = converter.convert(frame);// 初始化灰度Matif (null==mGray) {mGray = Util.initGrayImageMat(grabbedImage);}// 初始化RGBA的Matif (null==mRgba) {mRgba = Util.initRgbaImageMat(grabbedImage);}// 如果未在追踪状态if (!isInTracing) {// 存放检测结果的容器RectVector objects = new RectVector();// 当前图片转为灰度图片cvtColor(grabbedImage, mGray, CV_BGR2GRAY);// 开始检测classifier.detectMultiScale(mGray, objects);// 检测结果总数long total = objects.size();// 当前实例是只追踪一人，因此一旦检测结果不等于一，就不处理，您可以根据自己业务情况修改此处if (total!=1) {objects.close();return frame;}log.info("start new trace");Rect r = objects.get(0);int x = r.x(), y = r.y(), w = r.width(), h = r.height();// 得到opencv的mat，其格式是RGBAorg.opencv.core.Mat openCVRGBAMat = Util.buildJavacvBGR2OpenCVRGBA(grabbedImage, mRgba);// 在buildJavacvBGR2OpenCVRGBA方法内部，有可能在执行native方法的是否发生异常，要做针对性处理if (null==openCVRGBAMat) {objects.close();return frame;}// 如果第一次追踪，要实例化objectTrackerif (null==objectTracker) {objectTracker = new ObjectTracker(openCVRGBAMat);}// 创建跟踪目标objectTracker.createTrackedObject(openCVRGBAMat, new org.opencv.core.Rect(x, y, w, h));// 根据本次检测结果给原图标注人脸矩形框Util.rectOnImage(grabbedImage, x, y, w, h);// 释放检测结果资源objects.close();// 修改标志，表示当前正在跟踪isInTracing = true;// 将标注过的图片转为帧，返回return converter.convert(grabbedImage);}// 代码走到这里，表示已经在追踪状态了// 得到opencv的mat，其格式是RGBAorg.opencv.core.Mat openCVRGBAMat = Util.buildJavacvBGR2OpenCVRGBA(grabbedImage, mRgba);// 在buildJavacvBGR2OpenCVRGBA方法内部，有可能在执行native方法的是否发生异常，要做针对性处理if (null==openCVRGBAMat) {return frame;}// 基于上一次的检测结果开始跟踪org.opencv.core.Rect rotatedRect = objectTracker.objectTracking(openCVRGBAMat);// 如果rotatedRect为空，表示跟踪失败，此时要修改状态为"未跟踪"if (null==rotatedRect) {isInTracing = false;// 返回原始帧return frame;}// 代码能走到这里，表示跟踪成功，拿到的新的一帧上的目标的位置，此时就在新位置上
// Util.rectOnImage(grabbedImage, rotatedRect.x, rotatedRect.y, rotatedRect.width, rotatedRect.height);// 矩形框的整体向下放一些(总高度的五分之一)，另外跟踪得到的高度过大，画出的矩形框把脖子也框上了，这里改用宽度作为高度Util.rectOnImage(grabbedImage, rotatedRect.x, rotatedRect.y + rotatedRect.height/5, rotatedRect.width, rotatedRect.width);return converter.convert(grabbedImage);}/*** 程序结束前，释放人脸识别的资源*/@Overridepublic void releaseOutputResource() {if (null!=grabbedImage) {grabbedImage.release();}if (null!=mGray) {mGray.release();}if (null!=mRgba) {mRgba.release();}if (null==classifier) {classifier.close();}}
}
- 至此·，功能已经完成得七七八八，再来写完主程序就可以运行了；
PreviewCameraWithCamShift.java：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PreviewCameraWithCamShift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PreviewCameraWithCamShift.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;
- PreviewCameraWithCamShift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 PreviewCameraWithCamShift(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：
@Overrideprotected 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：
@Overrideprotected 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：
@Overrideprotected 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：
@Overrideprotected 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，请注意人脸检测所需的模型文件的路径来自系统变量：
public static void main(String[] args) {String modelFilePath = System.getProperty("model.file.path");log.info("模型文件本地路径：{}", modelFilePath);new PreviewCameraWithCamShift(new CamShiftDetectService(modelFilePath)).action(1000);}
- 至此，《Java版人脸跟踪三部曲》的代码已经全部写完了，可以像《Java版人脸跟踪三部曲之一：极速体验》文中那样运行起来了
运行程序要注意的地方
- 下载opencv在windows环境的动态链接库：https://download.csdn.net/download/boling_cavalry/75121158，我这里下载后放在：C:\study\javacv\lib\opencv_java453.dll
- 人脸检测的模型文件，在GitHub下载，地址是：https://raw.github.com/opencv/opencv/master/data/haarcascades/haarcascade_frontalface_alt.xml，我这里下载后放在：C:\study\javacv\model\haarcascade_frontalface_alt.xml
- 运行程序的时候，不论是打包成jar，还是直接在IDEA中运行，都要添加下面这两个命令参数，才能确保应用加载到dll和模型文件（请按照您自己的存储位置修改下面参数的值）：
- -Djava.library.path=C:\study\javacv\lib
- -Dmodel.file.path=C:\study\javacv\model\haarcascade_frontalface_alt.xml
- 程序运行起来后，具体的效果与像《Java版人脸跟踪三部曲之一：极速体验》中一模一样，这里就不再赘述了，您自行验证就好
- 其实本篇不运行程序，还有一个原因就是要过年了，用来检测人脸的群众演员临时涨价，要两份盒饭，欣宸实在是负担不起…
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：
- 至此，《Java版人脸跟踪三部曲》完美收官，但是《JavaCV的摄像头实战》系列还会继续呈现更多精彩内容，欢迎关注；
- 马上过年了，欣宸祝各位读者们新年快乐！
你不孤单，欣宸原创一路相伴
- Java系列
- Spring系列
- Docker系列
- kubernetes系列
- 数据库+中间件系列
- DevOps系列
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