CN111079625A - 一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法 - Google Patents

一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，包括以下步骤：S1，摄像头实时获取人脸图像帧，对人脸图像帧进行预处理；S2，基于多任务卷积神经网络模型对人脸图像帧进行实时运算，检测出图像中的所有人脸；S3，根据检测出人脸的位置坐标和得分信息，计算获取最佳人脸；S4，根据最佳人脸的位置信息计算人脸框与视频框中间的位置差值；S5，控制步进电机转动，使最佳人脸始终保持在视频框的中间位置。本发明通过上述方法使人脸始终保持在视频帧的中间位置，很好的克服了由于摄像头安装角度固定、用户姿势、光照或遮挡等原因造成的人脸检测精度低的问题，为人脸识别和身份认证提供高质量的人脸图片信息。

Description

一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法
技术领域
本发明涉及一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法。
背景技术
目前，随着人类科学技术的不断发展，人脸识别技术在人们日常生活中越来越普及，无论在人工智能研究还是公共安全应用方面，人脸识别技术一直是一项前沿、热门技术，拥有举足轻重的地位。
作为生物特征识别技术的一类，人脸识别由于其非接触性以及采集方便的特点，具有良好的发展和应用前景。人脸识别技术在诸多应用场景中都发挥了十分重要的作用，比如机场安检、边检通关等。近几年随着互联网金融的高速发展，人脸识别技术在移动支付上表现出极大的应用优势。人脸识别的目的是根据获取的用户人脸图像或视频得知用户的身份。
目前，人脸识别技术非受控环境下仍无法满足实用要求，其主要难点在于人脸识别技术仍存在着易变性的问题，人脸的外形很不稳定，人可以通过脸部的变化产生很多表情，而在不同观察角度，人脸的视觉图像也相差很大，研究中需要考虑到人的面部表情，姿态，年龄，位置，以及遮盖物等因素引起的类内变化，以及来自外界光照(例如白天和夜晚、室内和室外等)，背景等环境不同引起的类间变化。
因此，目前迫切需要一种方法，能够使人脸始终在最佳识别位置，来满足人们对人脸识别功能的要求，提高人脸识别的整体工作效率和工作质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，使人脸始终保持在视频帧的中间位置，很好的克服了由于摄像头安装角度固定、用户姿势、光照或遮挡等原因造成的人脸检测精度低的问题，是人脸识别和身份认证的核心技术，为人脸识别和身份认证提供高质量的人脸图片信息。
实现本发明目的的技术方案是：一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，包括以下步骤：
S1，摄像头实时获取人脸图像帧，对人脸图像帧进行预处理；
S2，基于多任务卷积神经网络模型对人脸图像帧进行实时运算，检测出图像中的所有人脸；
S3，根据检测出人脸的位置坐标和得分信息，计算获取最佳人脸；
S4，根据最佳人脸的位置信息计算人脸框与视频框中间的位置差值；
S5，控制步进电机转动，使最佳人脸始终保持在视频框的中间位置。
所述步骤二中的多任务卷积神经网络模型包括三个级联的网络，分别为生成候选人脸框的P-Net网络、对候选框优选过滤的R-Net网络和生成最终边界框与人脸关键点的O-Net网络。
所述步骤二中对人脸图像帧进行实时运算包括以下步骤：
S2.1：首先将图像进行不同尺度的变换，构建图像金字塔；
S2.2：将图像输入P-Net网络，P-Net网络输出人脸的ROI区域候选框和候选框边界回归向量；
S2.3：将P-Net网络的候选边框输入R-Net网络，得到人脸与非人脸的判定分类得分和候选框边界回归向量，如果分类得分超过阈值，则为人脸，继续保留该候选框，否则舍弃该候选框；然后通过回归向量对候选框边界进行回归，对保留下来的候选框边界进行校准；最后通过非极大值抑制算法去掉高度重叠的的候选框；
S2.4：O-Net网络给出人脸判定分类得分、候选框边界回归向量以及五个面部特征点的位置。
所述步骤S2.1具体为：将图像缩小到上一次操作图像面积的一半，直到达到预先设置的最小人脸尺寸为止。
所述步骤S2.2具体为：
对于输入大小为：W*H的图像，产生N*M个候选框和N*M*4个回归向量，其中W为图像的宽，H为图像的高，
Figure BDA0002313109850000021
保留得分超过阈值的候选框，通过回归向量对候选框边界进行回归，对保留的候选框边界进行校准，最终通过非极大值抑制算法去除高度重叠的候选边框。
所述多任务卷积神经网络对人脸/非人脸的分类、边界框的回归和特征点的定位进行训练。
所述人脸/非人脸的分类的训练函数为：
Figure BDA0002313109850000022
Figure BDA0002313109850000023
其中，pi为候选框样本被网络预测为人脸的分类概率，
Figure BDA0002313109850000024
表示该候选框样本为真的标记；
边界框的回归的训练函数为：
Figure BDA0002313109850000031
Figure BDA0002313109850000032
其中，
Figure BDA0002313109850000033
为人脸区域框，
Figure BDA0002313109850000034
为真实人脸区域框；
特征点的定位的训练函数为：
Figure BDA0002313109850000035
yi∈R10
其中，
Figure BDA0002313109850000036
为网络预测的特征点位置，
Figure BDA0002313109850000037
为真实人脸区域特征点的位置坐标。
所述多任务卷积神经网络使用wider_face数据集对人脸分类任务和候选框边界回归任务进行训练。
所述步骤4中人脸框的中间位置的计算公式为：
hbox-middle＝ymin+(ymax-ymin)/2；
人脸框与当前视频框中间位置的差值的计算公式为：
hcurrent＝hbox-middle-hframe/2；
其中，(xmin,ymin)为最佳人脸框左上角坐标，(xmax,ymax)为最佳人脸框右下角坐标，hframe为人脸图像帧的高度，单位为像素(px)。
所述步骤5中具体为：
首先计算人脸框面积S，公式为：
S＝(xmax-xmin)*(ymax-ymin)；
当人脸框面积S大于所设阈值时，若：0≤abs(hcurrent)≤25，说明人脸框处于视频帧的中间位置摄像头不需要转动，控制串口发送控制步进电机的PWM占空比为0％的命令；
若：±26≤hcurrent≤±100，则发送PWM占空比为25％的命令控制步进电机缓慢转动；
若:±101≤hcurrent≤±240，则发送PWM占空比为50％的命令控制步进电机快速转动；
使人脸框中间位置和视频框中间位置的差值小于阈值，从而保证人脸处于视频框的中间位置。
采用了上述技术方案，本发明具有以下的有益效果：
本发明通过多任务卷积神经网络计算出人脸图像最佳显示位置，而后控制摄像头对准最佳人脸识别位置，使人脸始终保持在视频帧的中间位置，很好的克服了由于摄像头安装角度固定、用户姿势、光照或遮挡等原因造成的人脸检测精度低的问题，为人脸识别和身份认证提供高质量的人脸图片信息。
附图说明
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中
图1为本发明的流程示意图。
图2为本发明的多任务卷积神经网络的结构图。
具体实施方式
(实施例1)
见图1和图2，本实施例的摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，包括以下步骤：
S1，摄像头实时获取人脸图像帧，对人脸图像帧进行预处理；
S2，基于多任务卷积神经网络模型对人脸图像帧进行实时运算，检测出图像中的所有人脸；
其中，多任务卷积神经网络模型包括三个级联的网络，分别为生成候选人脸框的P-Net网络、对候选框优选过滤的R-Net网络和生成最终边界框与人脸关键点的O-Net网络。
对人脸图像帧进行实时运算包括以下步骤：
S2.1：首先将图像进行不同尺度的变换，将图像缩小到上一次操作图像面积的一半，直到达到预先设置的最小人脸尺寸为止，构建图像金字塔。
S2.2：将图像输入P-Net网络，P-Net网络输出人脸的ROI区域候选框和候选框边界回归向量；对于输入大小为：W*H的图像，产生N*M个候选框和N*M*4个回归向量，其中W为图像的宽，H为图像的高，
Figure BDA0002313109850000041
保留得分超过阈值的候选框，通过回归向量对候选框边界进行回归，对保留的候选框边界进行校准，最终通过非极大值抑制算法去除高度重叠的候选边框。
S2.3：将P-Net网络的候选边框输入R-Net网络，通过人脸/非人脸的分类的训练函数：
Figure BDA0002313109850000042
Figure BDA0002313109850000043
其中，pi为候选框样本被网络预测为人脸的分类概率，
Figure BDA0002313109850000044
表示该候选框样本为真的标记；
得到人脸与非人脸的判定分类得分和候选框边界回归向量，如果分类得分超过阈值，则为人脸，继续保留该候选框，否则舍弃该候选框；
然后通过回归向量对候选框边界进行回归，所用边界框的回归的训练函数为：
Figure BDA0002313109850000051
Figure BDA0002313109850000052
其中，
Figure BDA0002313109850000053
为人脸区域框，
Figure BDA0002313109850000054
为真实人脸区域框；
对保留下来的候选框边界进行校准；最后通过非极大值抑制算法去掉高度重叠的的候选框。
S2.4：O-Net网络给出人脸判定分类得分、候选框边界回归向量以及五个面部特征点的位置，其中特征点定位的训练函数为：
Figure BDA0002313109850000055
yi∈R10
其中，
Figure BDA0002313109850000056
为网络预测的特征点位置，
Figure BDA0002313109850000057
为真实人脸区域特征点的位置坐标。
由于每个层级的CNN中完成不同的学习任务，所以在训练过程中使用不同类型的训练图像。那么总的学习目标函数为：
Figure BDA0002313109850000058
式中N代表训练样本的个数，系数αj表示任务的重要性。在训练P-Net和R-Net时，设置αdet为1，αbox为0.5，αlandmark为0.5。训练O-Net时，设置αdet为1，αbox为0.5，为了使特征点定位更准确，将αlandmark设置为1。
Figure BDA0002313109850000059
为样本类型指示器。
另外的，多任务卷积神经网络使用wider_face数据集对人脸分类任务和候选框边界回归任务进行训练。
数据集中包含一定比例的遮挡和姿势具有高度的变化性人脸标签，数据集中的人脸被随机划分，其中40％的数据用作训练集，10％的数据用作验证集，50％的数据作为测试集。使用CelebA数据集对特征点定位任务进行训练。CelebA数据集图片数量多，人脸姿势变化大、背景杂乱。每张照片有40个属性标注，5个特征点位置标注。该数据集可以用来进行面部属性识别，人脸检测和特征点定位。
在训练时，由于人脸检测和对齐任务同时进行，因此需要根据与真实人脸框的重叠率IoU(Intersection-over-Union)划分4种不同的数据集。负样本集：IoU小于0.3的样本。正样本集：IoU大于0.65的样本。半人脸集：IoU大于0.3并且小于0.65的样本。特征点集：标注了五个特征点位置的样本。正样本集和负样本集用来训练人脸分类任务，正样本集和半人脸集用来训练候选框边界回归任务，特征点数据集的数据用来训练特征点定位任务。训练P-Net时，随机从wider_face数据集中剪裁出正样本集，负样本集和半人脸集，从CelebA数据集中剪裁人脸作为特征点集。训练R-Net时，使用已经训练完的第一级网络P-Net对wider_fac数据集进行检测，并剪裁出正样本集，负样本集和半人脸集，并从CelebA数据集中检测特征点集。训练O-Net时的数据集收集同R-Net相似，只不过在检测时同时使用了前两级网络。
S3，根据检测出人脸的位置坐标和得分信息，计算获取最佳人脸。
S4，根据最佳人脸的位置信息计算人脸框与视频框中间的位置差值，其中，人脸框的中间位置的计算公式为：
hbox-middle＝ymin+(ymax-ymin)/2；
人脸框与当前视频框中间位置的差值的计算公式为：
hcurrent＝hbox-middle-hframe/2；
其中，(xmin,ymin)为最佳人脸框左上角坐标，(xmax,ymax)为最佳人脸框右下角坐标，hframe为人脸图像帧的高度，单位为像素(px)。
S5，首先计算人脸框面积S，公式为：
S＝(xmax-xmin)*(ymax-ymin)；
当人脸框面积S大于所设阈值时，若：0≤abs(hcurrent)≤25，说明人脸框处于视频帧的中间位置摄像头不需要转动，控制串口发送控制步进电机的PWM占空比为0％的命令；
若：±26≤hcurrent≤±100，则发送PWM占空比为25％的命令控制步进电机缓慢转动；
若:±101≤hcurrent≤±240，则发送PWM占空比为50％的命令控制步进电机快速转动；
使人脸框中间位置和视频框中间位置的差值小于阈值，从而保证人脸处于视频框的中间位置。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1，摄像头实时获取人脸图像帧，对人脸图像帧进行预处理；
S2，基于多任务卷积神经网络模型对人脸图像帧进行实时运算，检测出图像中的所有人脸；
S3，根据检测出人脸的位置坐标和得分信息，计算获取最佳人脸；
S4，根据最佳人脸的位置信息计算人脸框与视频框中间的位置差值；
S5，控制步进电机转动，使最佳人脸始终保持在视频框的中间位置。
2.根据权利要求1所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述步骤二中的多任务卷积神经网络模型包括三个级联的网络，分别为生成候选人脸框的P-Net网络、对候选框优选过滤的R-Net网络和生成最终边界框与人脸关键点的O-Net网络。
3.根据权利要求2所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述步骤二中对人脸图像帧进行实时运算包括以下步骤：
S2.1：首先将图像进行不同尺度的变换，构建图像金字塔；
S2.2：将图像输入P-Net网络，P-Net网络输出人脸的ROI区域候选框和候选框边界回归向量；
S2.3：将P-Net网络的候选边框输入R-Net网络，得到人脸与非人脸的判定分类得分和候选框边界回归向量，如果分类得分超过阈值，则为人脸，继续保留该候选框，否则舍弃该候选框；然后通过回归向量对候选框边界进行回归，对保留下来的候选框边界进行校准；最后通过非极大值抑制算法去掉高度重叠的的候选框；
S2.4：O-Net网络给出人脸判定分类得分、候选框边界回归向量以及五个面部特征点的位置。
4.根据权利要求3所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述步骤S2.1具体为：将图像缩小到上一次操作图像面积的一半，直到达到预先设置的最小人脸尺寸为止。
5.根据权利要求3所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述步骤S2.2具体为：
对于输入大小为：W*H的图像，产生N*M个候选框和N*M*4个回归向量，其中W为图像的宽，H为图像的高，
Figure FDA0002313109840000011
保留得分超过阈值的候选框，通过回归向量对候选框边界进行回归，对保留的候选框边界进行校准，最终通过非极大值抑制算法去除高度重叠的候选边框。
6.根据权利要求2所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述多任务卷积神经网络对人脸/非人脸的分类、边界框的回归和特征点的定位进行训练。
7.根据权利要求6所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述人脸/非人脸的分类的训练函数为：
Figure FDA0002313109840000021
Figure FDA0002313109840000022
其中，pi为候选框样本被网络预测为人脸的分类概率，
Figure FDA0002313109840000023
表示该候选框样本为真的标记；
边界框的回归的训练函数为：
Figure FDA0002313109840000024
Figure FDA0002313109840000025
其中，
Figure FDA0002313109840000026
为人脸区域框，
Figure FDA0002313109840000027
为真实人脸区域框；
特征点的定位的训练函数为：
Figure FDA0002313109840000028
yi∈R10
其中，
Figure FDA0002313109840000029
为网络预测的特征点位置，
Figure FDA00023131098400000210
为真实人脸区域特征点的位置坐标。
8.根据权利要求2所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述多任务卷积神经网络使用wider_face数据集对人脸分类任务和候选框边界回归任务进行训练。
9.根据权利要求1所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述步骤4中人脸框的中间位置的计算公式为：
hbox-middle＝ymin+(ymax-ymin)/2；
人脸框与当前视频框中间位置的差值的计算公式为：
hcurrent＝hbox-middle-hframe/2；
其中，(xmin,ymin)为最佳人脸框左上角坐标，(xmax,ymax)为最佳人脸框右下角坐标，hframe为人脸图像帧的高度，单位为像素(px)。
10.根据权利要求9所述的一种摄像头自动跟随人脸转动的控制方法，其特征在于：所述步骤5中具体为：
首先计算人脸框面积S，公式为：
S＝(xmax-xmin)*(ymax-ymin)；
当人脸框面积S大于所设阈值时，若：0≤abs(hcurrent)≤25，说明人脸框处于视频帧的中间位置摄像头不需要转动，控制串口发送控制步进电机的PWM占空比为0％的命令；
若：±26≤hcurrent≤±100，则发送PWM占空比为25％的命令控制步进电机缓慢转动；
若:±101≤hcurrent≤±240，则发送PWM占空比为50％的命令控制步进电机快速转动；
使人脸框中间位置和视频框中间位置的差值小于阈值，从而保证人脸处于视频框的中间位置。
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