1 前言

🔥 優(yōu)質(zhì)競賽項目系列，今天要分享的是

🚩 基于深度學習的人臉專注度檢測計算算法

該項目較為新穎，適合作為競賽課題方向，學長非常推薦！

🥇學長這里給一個題目綜合評分(每項滿分5分)

• 難度系數(shù)：3分
• 工作量：3分
• 創(chuàng)新點：5分

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2 相關技術

2.1CNN簡介

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(CNN)，是由多層卷積結構組成的一種神經(jīng)網(wǎng)絡。卷積結構可以減少網(wǎng)絡的內(nèi)存占用、參數(shù)和模型的過擬合。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡是一種典型的深度學習算法。廣泛應用于視覺處理和人工智能領域，特別是在圖像識別和人臉識別領域。與完全連接的神經(jīng)網(wǎng)絡相比，CNN輸入是通過交換參數(shù)和局部感知來提取圖像特征的圖像。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡是由輸入層、卷積層、池化層、全連接層和輸出層五層結構組成。其具體模型如下圖所示。

(1)輸入層(Input
layer)：輸入層就是神經(jīng)網(wǎng)絡的輸入端口，就是把輸入傳入的入口。通常傳入的圖像的R，G，B三個通道的數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)的輸入一般是多維的矩陣向量，其中矩陣中的數(shù)值代表的是圖像對應位置的像素點的值。

(2)卷積層(Convolution layer)：卷積層在CNN中主要具有學習功能，它主要提取輸入的數(shù)據(jù)的特征值。

(3)池化層(Pooling
layer)：池化層通過對卷積層的特征值進行壓縮來獲得自己的特征值，減小特征值的矩陣的維度，減小網(wǎng)絡計算量，加速收斂速度可以有效避免過擬合問題。

(4)全連接層(Full connected
layer)：全連接層主要實現(xiàn)是把經(jīng)過卷積層和池化層處理的數(shù)據(jù)進行集合在一起，形成一個或者多個的全連接層，該層在CNN的功能主要是實現(xiàn)高階推理計算。

(5)輸出層(Output layer)：輸出層在全連接層之后，是整個神經(jīng)網(wǎng)絡的輸出端口即把處理分析后的數(shù)據(jù)進行輸出。

2.2 人臉識別算法

利用dlib實現(xiàn)人臉68個關鍵點檢測并標注，關鍵代碼

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import cv2# 加載人臉識別模型face_rec_model_path = 'dlib_face_recognition_resnet_model_v1.dat'facerec = dlib.face_recognition_model_v1(face_rec_model_path)# 加載特征點識別模型predictor_path = "shape_predictor_5_face_landmarks.dat"predictor = dlib.shape_predictor(predictor_path)# 讀取圖片img_path = "step1/image/face.jpg"img = cv2.imread(img_path)# 轉(zhuǎn)換為灰階圖片gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 正向人臉檢測器將圖像detector = dlib.get_frontal_face_detector()# 使用人臉識別模型來檢測圖像中的人臉faces = detector(gray, 1)# 使用特征點識別模型來檢測人臉中的特征for i, face in enumerate(faces):# 獲取人臉特征點shape = predictor(img, face)

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2.3專注檢測原理

總體流程

主要通過電腦攝像頭去實時的抓拍學生當前的狀態(tài)和行為，不間斷的采集學生上課時的面部表情和眼睛注視的方向，利用CNN提取相應的特征數(shù)據(jù)并進行分析處理，若對應輸出的判斷值大于設置的閾值時，則認為學生在走神沒有認真學習。并且對拍攝時間進行計時，在界面上實時輸出該學生在課堂上的有效學習時間和學生在課堂上專注時間的比例并進行存入表格中。

眼睛檢測算法

基于dlib人臉識別68特征點檢測、分別獲取左右眼面部標志的索引，通過opencv對視頻流進行灰度化處理，檢測出人眼的位置信息。人臉特征點檢測用到了dlib，dlib有兩個關鍵函數(shù)：dlib.get_frontal_face_detector()和dlib.shape_predictor(predictor_path)。

前者是內(nèi)置的人臉檢測算法，使用HOG pyramid，檢測人臉區(qū)域的界限（bounds）。
后者是用來檢測一個區(qū)域內(nèi)的特征點，并輸出這些特征點的坐標，它需要一個預先訓練好的模型（通過文件路徑的方法傳入），才能正常工作。
使用開源模型shape_predictor_68_face_landmarks.dat，可以得到68個特征點位置的坐標，連起來后，可以有如圖所示的效果（紅色是HOG
pyramid檢測的結果，綠色是shape_predictor的結果，僅把同一個器官的特征點連線）。

通過計算眼睛的寬高比來確定專注狀態(tài)

基本原理：計算 眼睛長寬比 Eye Aspect Ratio，EAR.當人眼睜開時，EAR在某個值上下波動，當人眼閉合時

關鍵代碼

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 # -*- coding: utf-8 -*-# import the necessary packagesfrom scipy.spatial import distance as distfrom imutils.video import FileVideoStreamfrom imutils.video import VideoStreamfrom imutils import face_utilsimport numpy as np # 數(shù)據(jù)處理的庫 numpyimport argparseimport imutilsimport timeimport dlibimport cv2def eye_aspect_ratio(eye):# 垂直眼標志（X，Y）坐標A = dist.euclidean(eye[1], eye[5])# 計算兩個集合之間的歐式距離B = dist.euclidean(eye[2], eye[4])# 計算水平之間的歐幾里得距離# 水平眼標志（X，Y）坐標C = dist.euclidean(eye[0], eye[3])# 眼睛長寬比的計算ear = (A + B) / (2.0 * C)# 返回眼睛的長寬比return ear# 定義兩個常數(shù)# 眼睛長寬比# 閃爍閾值EYE_AR_THRESH = 0.2EYE_AR_CONSEC_FRAMES = 3# 初始化幀計數(shù)器和眨眼總數(shù)COUNTER = 0TOTAL = 0# 初始化DLIB的人臉檢測器（HOG），然后創(chuàng)建面部標志物預測print("[INFO] loading facial landmark predictor...")# 第一步：使用dlib.get_frontal_face_detector() 獲得臉部位置檢測器detector = dlib.get_frontal_face_detector()# 第二步：使用dlib.shape_predictor獲得臉部特征位置檢測器predictor = dlib.shape_predictor('D:/myworkspace/JupyterNotebook/fatigue_detecting/model/shape_predictor_68_face_landmarks.dat')# 第三步：分別獲取左右眼面部標志的索引(lStart, lEnd) = face_utils.FACIAL_LANDMARKS_IDXS["left_eye"](rStart, rEnd) = face_utils.FACIAL_LANDMARKS_IDXS["right_eye"]# 第四步：打開cv2 本地攝像頭cap = cv2.VideoCapture(0)# 從視頻流循環(huán)幀while True:# 第五步：進行循環(huán)，讀取圖片，并對圖片做維度擴大，并進灰度化ret, frame = cap.read()frame = imutils.resize(frame, width=720)gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)# 第六步：使用detector(gray, 0) 進行臉部位置檢測rects = detector(gray, 0)# 第七步：循環(huán)臉部位置信息，使用predictor(gray, rect)獲得臉部特征位置的信息for rect in rects:shape = predictor(gray, rect)# 第八步：將臉部特征信息轉(zhuǎn)換為數(shù)組array的格式shape = face_utils.shape_to_np(shape)# 第九步：提取左眼和右眼坐標leftEye = shape[lStart:lEnd]rightEye = shape[rStart:rEnd]# 第十步：構造函數(shù)計算左右眼的EAR值，使用平均值作為最終的EARleftEAR = eye_aspect_ratio(leftEye)rightEAR = eye_aspect_ratio(rightEye)ear = (leftEAR + rightEAR) / 2.0# 第十一步：使用cv2.convexHull獲得凸包位置，使用drawContours畫出輪廓位置進行畫圖操作leftEyeHull = cv2.convexHull(leftEye)rightEyeHull = cv2.convexHull(rightEye)cv2.drawContours(frame, [leftEyeHull], -1, (0, 255, 0), 1)cv2.drawContours(frame, [rightEyeHull], -1, (0, 255, 0), 1)# 第十二步：進行畫圖操作，用矩形框標注人臉left = rect.left()top = rect.top()right = rect.right()bottom = rect.bottom()cv2.rectangle(frame, (left, top), (right, bottom), (0, 255, 0), 3)    '''分別計算左眼和右眼的評分求平均作為最終的評分，如果小于閾值，則加1，如果連續(xù)3次都小于閾值，則表示進行了一次眨眼活動'''# 第十三步：循環(huán)，滿足條件的，眨眼次數(shù)+1if ear < EYE_AR_THRESH:# 眼睛長寬比：0.2COUNTER += 1else:# 如果連續(xù)3次都小于閾值，則表示進行了一次眨眼活動if COUNTER >= EYE_AR_CONSEC_FRAMES:# 閾值：3TOTAL += 1# 重置眼幀計數(shù)器COUNTER = 0# 第十四步：進行畫圖操作，68個特征點標識for (x, y) in shape:cv2.circle(frame, (x, y), 1, (0, 0, 255), -1)# 第十五步：進行畫圖操作，同時使用cv2.putText將眨眼次數(shù)進行顯示cv2.putText(frame, "Faces: {}".format(len(rects)), (10, 30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)cv2.putText(frame, "Blinks: {}".format(TOTAL), (150, 30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)cv2.putText(frame, "COUNTER: {}".format(COUNTER), (300, 30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2) cv2.putText(frame, "EAR: {:.2f}".format(ear), (450, 30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)print('眼睛實時長寬比:{:.2f} '.format(ear))if TOTAL >= 50:cv2.putText(frame, "SLEEP!!!", (200, 200),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.8, (0, 0, 255), 2)cv2.putText(frame, "Press 'q': Quit", (20, 500),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (84, 255, 159), 2)# 窗口顯示 show with opencvcv2.imshow("Frame", frame)# if the `q` key was pressed, break from the loopif cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):break# 釋放攝像頭 release cameracap.release()# do a bit of cleanupcv2.destroyAllWindows()

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2.4 OpenCV

OpenCV是計算機視覺中一個經(jīng)典的數(shù)據(jù)庫。支持多語言、跨平臺、功能強大。其提供了一個Python接口，用戶可以在保證可讀性和操作效率的前提下，用Python調(diào)用C/C++實現(xiàn)所需的功能。OpenCV是一個基于BSD許可證的跨平臺計算機視覺庫，可以在Linux、windows和Mac
OS操作系統(tǒng)上運行。它由一系列C函數(shù)和少量C++類組成。同時，它還提供了與Python、ruby、MATLAB等語言的接口，實現(xiàn)了圖像處理和計算機視覺中的許多通用算法。

本項目中OpenCV主要是在圖片的采集的圖片的預處理方面使用，通過操作界面中的按鈕選項選擇是否打開攝像頭，使用OpenCV來調(diào)用電腦攝像頭來檢測錄像過程中的聚焦和人臉鏡頭的矯正等狀態(tài)，然后在攝像頭的錄像的視頻流中抓取對應的人臉照片，然后調(diào)用內(nèi)部的函數(shù)對照片的尺寸和光線等進行矯正處理后，傳給神經(jīng)網(wǎng)絡進行特征值提取。

3 功能介紹

3.1人臉錄入功能

數(shù)據(jù)庫數(shù)據(jù)錄入

將采集到的人臉信息和姓名、學號錄入到數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)庫表如下圖所示：

過程演示

3.2 人臉識別

3.3 人臉專注度檢測

拍攝時間進行計時，在界面上實時輸出該學生在課堂上的有效學習時間和學生在課堂上專注時間的比例

3.4 識別記錄

4 最后

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