人脸疲劳检测应用-米尔基于RK3576核心板/开发板

本篇源自：优秀创作者 lulugl

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本文将介绍基于米尔电子MYD-LR3576开发板（米尔基于瑞芯微 RK3576开发板）的人脸疲劳检测方案测试。

米尔基于RK3576核心板/开发板

【前言】

人脸疲劳检测：一种通过分析人脸特征来判断一个人是否处于疲劳状态的技术。其原理主要基于计算机视觉和机器学习方法。当人疲劳时，面部会出现一些特征变化，如眼睛闭合程度增加、眨眼频率变慢、打哈欠、头部姿态改变等。
例如，通过检测眼睛的状态来判断疲劳程度是一个关键部分。正常情况下，人的眨眼频率相对稳定，而当疲劳时，眨眼频率会降低，并且每次眨眼时眼睛闭合的时间可能会延长。同时，头部可能会不自觉地下垂或者摇晃，这些特征都可以作为疲劳检测的依据。米尔MYC-LR3576采用8核CPU+搭载6 TOPS的NPU加速器，3D GPU，能够非常轻松的实现这个功能，下面就如何实现这一功能分享如下：

【硬件】

1、米尔MYC-LR3576开发板
2、USB摄像头

【软件】

1、v4l2
2、openCV
3、dlib库：dlib 是一个现代化的 C++ 工具包，它包含了许多用于机器学习、图像处理、数值计算等多种任务的算法和工具。它的设计目标是提供高性能、易于使用的库，并且在开源社区中被广泛应用。

【实现步骤】

1、安装python-opencv
2、安装dlib库
3、安装v4l2库

【代码实现】

1、引入cv2、dlib以及线程等：

importcv2importdlibimportnumpyasnpimporttimefromconcurrent.futuresimportThreadPoolExecutorimport threading

2、初始化dlib的面部检测器和特征点预测器

detector=dlib.get_frontal_face_detector()predictor = dlib.shape_predictor('shape_predictor_68_face_landmarks.dat')

3、定义计算眼睛纵横比的函数

defeye_aspect_ratio(eye):A=np.linalg.norm(np.array(eye[1])-np.array(eye[5]))B=np.linalg.norm(np.array(eye[2])-np.array(eye[4]))C=np.linalg.norm(np.array(eye[0])-np.array(eye[3])) ear = (A + B) / (2.0 * C) return ear

4、定义计算头部姿势的函数

defget_head_pose(shape):

#定义面部特征点的三维坐标object_points=np.array([(0.0,0.0,0.0), #鼻尖(0.0,-330.0,-65.0),

#下巴(-225.0,170.0,-135.0),

#左眼左眼角 (225.0, 170.0, -135.0), # 右眼右眼角(-150.0,-150.0,-125.0), #左嘴角(150.0,-150.0,-125.0)

#右嘴角],dtype=np.float32)
image_pts=np.float32([shape[i]foriin[30,8,36,45,48,54]])size=frame.shapefocal_length=size[1]center=(size[1]//2,size[0]//2)camera_matrix=np.array([[focal_length,0,center[0]],[0,focal_length,center[1]],

[0,0,1]],dtype="double")
dist_coeffs=np.zeros((4,1))(success,rotation_vector,translation_vector)=cv2.solvePnP(object_points,image_pts,camera_matrix,dist_coeffs,flags=cv2.SOLVEPNP_ITERATIVE)
rmat,_=cv2.Rodrigues(rotation_vector)angles,_,_,_,_,_=cv2.RQDecomp3x3(rmat) return angles

5、定义眼睛纵横比阈值和连续帧数阈值

EYE_AR_THRESH=0.3EYE_AR_CONSEC_FRAMES = 48

6、打开摄像头
我们先使用v4l2-ctl --list-devices来例出接在开发板上的列表信息：

USBCamera:USBCamera(usb-xhci-hcd.0.auto-1.2): /dev/video60/dev/video61/dev/media7

在代码中填入60为摄像头的编号：

cap=cv2.VideoCapture(60)cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH,480) #降低分辨率cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT, 320)

7、创建多线程处理函数，实现采集与分析分离：

#多线程处理函数defprocess_frame(frame): globalCOUNTER,TOTALgray=cv2.cvtColor(frame,cv2.COLOR_BGR2GRAY)faces=detector(gray,0) #第二个参数为0，表示不使用upsampling
forfaceinfaces:landmarks=predictor(gray,face)shape=[(landmarks.part(i).x,landmarks.part(i).y)foriinrange(68)]
left_eye=shape[36:42]right_eye=shape[42:48]
left_ear=eye_aspect_ratio(left_eye)right_ear=eye_aspect_ratio(right_eye)ear=(left_ear+right_ear)/2.0
ifear< EYE_AR_THRESH:            with lock:                COUNTER += 1        else:            with lock:                if COUNTER >=EYE_AR_CONSEC_FRAMES:TOTAL+=1COUNTER=0
#绘制68个特征点

forninrange(0,68):x,y=shape[n]cv2.circle(frame,(x,y),2,(0,255,0),-1)
cv2.putText(frame,f"EyeAR:{ear:.2f}",(10,30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2)cv2.putText(frame,f"BlinkCount:{TOTAL}",(10,60),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2)
#计算头部姿势

angles=get_head_pose(shape)pitch,yaw,roll=anglescv2.putText(frame,f"Pitch:{pitch:.2f}",(10,120),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2)cv2.putText(frame,f"Yaw:{yaw:.2f}",(10,150),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2)cv2.putText(frame,f"Roll:{roll:.2f}",(10,180),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2)
#判断疲劳状态 ifCOUNTER>=EYE_AR_CONSEC_FRAMESorabs(pitch)>30orabs(yaw)>30orabs(roll)>30:cv2.putText(frame,"FatigueDetected!",(10,210),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2)
return frame

8、创建图像显示线程：

withThreadPoolExecutor(max_workers=2)asexecutor:future_to_frame={} whileTrue:ret,frame=cap.read() ifnotret: break

#提交当前帧到线程池

future=executor.submit(process_frame,frame.copy())future_to_frame[future]=frame

#获取已完成的任务结果

forfutureinlist(future_to_frame.keys()): iffuture.done():processed_frame=future.result()cv2.imshow("Frame",processed_frame) delfuture_to_frame[future] break

#计算帧数

fps_counter+=1elapsed_time=time.time()-start_time ifelapsed_time>1.0:fps=fps_counter/elapsed_timefps_counter=0start_time=time.time()cv2.putText(processed_frame,f"FPS:{fps:.2f}",(10,90),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,0.7,(0,0,255),2)
if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):

实现效果：

根据检测的结果，我们就可以来实现疲劳提醒等等的功能。
整体代码如下：

importcv2importdlibimportnumpyasnpimporttimefromconcurrent.futuresimportThreadPoolExecutorimportthreading
#初始化dlib的面部检测器和特征点预测器

detector=dlib.get_frontal_face_detector()predictor=dlib.shape_predictor('shape_predictor_68_face_landmarks.dat')
#修改字体大小font_scale=0.5 #原来的字体大小是0.7，现在改为0.5
#定义计算眼睛纵横比的函数

defeye_aspect_ratio(eye):A=np.linalg.norm(np.array(eye[1])-np.array(eye[5]))B=np.linalg.norm(np.array(eye[2])-np.array(eye[4]))C=np.linalg.norm(np.array(eye[0])-np.array(eye[3]))ear=(A+B)/(2.0*C) returnear
#定义计算头部姿势的函数

defget_head_pose(shape):

#定义面部特征点的三维坐标

object_points=np.array([(0.0,0.0,0.0),

#鼻尖(0.0,-330.0,-65.0),

#下巴(-225.0,170.0,-135.0),

#左眼左眼角(225.0,170.0,-135.0),

#右眼右眼角(-150.0,-150.0,-125.0),

#左嘴角(150.0,-150.0,-125.0)

#右嘴角],dtype=np.float32)
image_pts=np.float32([shape[i]foriin[30,8,36,45,48,54]])size=frame.shapefocal_length=size[1]center=(size[1]//2,size[0]//2)camera_matrix=np.array([[focal_length,0,center[0]],[0,focal_length,center[1]],[0,0,1]],dtype="double")
dist_coeffs=np.zeros((4,1))(success,rotation_vector,translation_vector)=cv2.solvePnP(object_points,image_pts,camera_matrix,dist_coeffs,flags=cv2.SOLVEPNP_ITERATIVE)
rmat,_=cv2.Rodrigues(rotation_vector)angles,_,_,_,_,_=cv2.RQDecomp3x3(rmat) returnangles
#定义眼睛纵横比阈值和连续帧数阈值

EYE_AR_THRESH=0.3EYE_AR_CONSEC_FRAMES=48
#初始化计数器

COUNTER=0TOTAL=0
#创建锁对象lock=threading.Lock()
#打开摄像头cap=cv2.VideoCapture(60)cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_WIDTH,480) #降低分辨率cap.set(cv2.CAP_PROP_FRAME_HEIGHT,320)
#初始化帧计数器和时间戳

fps_counter=0start_time=time.time()
#多线程处理函数

defprocess_frame(frame): globalCOUNTER,TOTALgray=cv2.cvtColor(frame,cv2.COLOR_BGR2GRAY) faces = detector(gray, 0) # 第二个参数为0，表示不使用upsampling
forfaceinfaces:landmarks=predictor(gray,face) shape = [(landmarks.part(i).x, landmarks.part(i).y) for i in range(68)]
left_eye=shape[36:42]right_eye=shape[42:48]
left_ear=eye_aspect_ratio(left_eye)right_ear=eye_aspect_ratio(right_eye)ear=(left_ear+right_ear)/2.0
ifear< EYE_AR_THRESH:            with lock:                COUNTER += 1        else:            with lock:                if COUNTER >=EYE_AR_CONSEC_FRAMES:TOTAL+=1COUNTER=0
#绘制68个特征点 forninrange(0,68):x,y=shape[n]cv2.circle(frame,(x,y),2,(0,255,0),-1)
cv2.putText(frame,f"EyeAR:{ear:.2f}",(10,30),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2) cv2.putText(frame, f"Blink Count: {TOTAL}", (10, 60), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, font_scale, (0, 0, 255), 2)
#计算头部姿势

angles=get_head_pose(shape)pitch,yaw,roll=anglescv2.putText(frame,f"Pitch:{pitch:.2f}",(10,120),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2)cv2.putText(frame,f"Yaw:{yaw:.2f}",(10,150),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2) cv2.putText(frame, f"Roll: {roll:.2f}", (10, 180), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, font_scale, (0, 0, 255), 2)
#判断疲劳状态

ifCOUNTER>=EYE_AR_CONSEC_FRAMESorabs(pitch)>30orabs(yaw)>30orabs(roll)>30:cv2.putText(frame,"FatigueDetected!",(10,210),cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX,font_scale,(0,0,255),2)
returnframe
withThreadPoolExecutor(max_workers=2)asexecutor:future_to_frame={} whileTrue:ret,frame=cap.read() ifnotret: break
#提交当前帧到线程池

future=executor.submit(process_frame,frame.copy())future_to_frame[future]=frame
#获取已完成的任务结果

forfutureinlist(future_to_frame.keys()): iffuture.done():processed_frame=future.result()cv2.imshow("Frame",processed_frame) delfuture_to_frame[future] break
#计算帧数

fps_counter+=1elapsed_time=time.time()-start_time ifelapsed_time>1.0:fps=fps_counter/elapsed_timefps_counter=0start_time=time.time() cv2.putText(processed_frame, f"FPS: {fps:.2f}", (10, 90), cv2.FONT_HERSHEY_SIMPLEX, 0.7, (0, 0, 255), 2)
ifcv2.waitKey(1)&0xFF==ord('q'): break
#释放摄像头并关闭所有窗口

cap.release()cv2.destroyAllWindows()

【总结】

【米尔MYC-LR3576核心板及开发板】
这块开发板性能强大，能轻松实现对人脸的疲劳检测，通过计算结果后进入非常多的工业、人工智能等等的实用功能。