Java版人脸跟踪三部曲之三：编码实战
Posted 程序员欣宸
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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Java版人脸跟踪三部曲之三：编码实战相关的知识，希望对你有一定的参考价值。
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《Java版人脸跟踪三部曲》全文链接
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HSV
Imgproc.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hue
List<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mask
Mat 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0~255
Core.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hue
List<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
*/
@Override
public 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");
@Override
public Frame convert(Frame frame)
// 由帧转为Mat
grabbedImage = converter.convert(frame);
// 初始化灰度Mat
if (null==mGray)
mGray = Util.initGrayImageMat(grabbedImage);
// 初始化RGBA的Mat
if (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RGBA
org.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objectTracker
if (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(grabbedImageDocker下RabbitMQ四部曲之三：细说java开发