Java版人臉跟蹤三部曲之三：編碼實戰

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本篇概覽

• 作為《Java版人臉跟蹤三部曲》系列的終篇，本文會與大家一起寫出完整的人臉跟蹤應用代碼
• 前文《開發設計》中，已經對人臉跟蹤的核心技術、應用主流程、例外處理等方方面面做了詳細設計，建議您簡單回顧一下
• 接下來，自頂向下，先整體設計好主框架和關鍵類

程式主框架和關鍵類

• 聽欣宸嘮叨了兩篇文章，終于要看具體代碼了，整體上看，最關鍵的三個類如下圖：
  
• 可見把功能、流程、知識點梳理清楚后，代碼其實并不多，而且各司其職，分工明確，接下來開始編碼，ObejctTracker負責實作跟蹤功能，就從它開始

ObejctTracker.java：跟蹤能力的提供者

• 從前面的圖中可知，與跟蹤有關的服務都是ObejctTracker類提供的，此類涉及知識點略多，在撰寫代碼前，先做一下簡單的設計
• 從功能看，ObejctTracker會對外提供如下兩個方法：

• 除了上述兩個對外方法，ObejctTracker內部還要準備如下兩個輔助方法：

• 還有幾個成員變數也很重要：

    // 每一幀影像的反向投影圖都用這個成員變數來保存
    private Mat prob;

    // 保存最近一次確認的頭像的位置，每當新的一幀到來時，都從這個位置開始追蹤（也就是反向投影圖做CamShift計算的起始位置）
    private Rect trackRect;

    // 直方圖，在跟丟之前，每一幀影像都要用到這個直方圖來生成反向投影
    private Mat hist;

• 設計完成，現在可以給出完整的ObejctTracker.java原始碼了：

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 {

    /**
     * 上一個矩形和當前矩形的差距達到多少的時候，才算跟丟，您可以自行調整
     */
    private static final double LOST_GATE = 0.8d;

    // [0.0, 256.0]表示直方圖能表示像素值從0.0到256的像素
    private static final MatOfFloat RANGES = new MatOfFloat(0f, 256f);

    private Mat mask;

    // 保存用來追蹤的每一幀的反向投影圖
    private Mat prob;

    // 保存最近一次確認的頭像的位置，每當新的一幀到來時，都從這個位置開始追蹤（也就是反向投影圖做CamShift計算的起始位置）
    private Rect trackRect;

    // 直方圖
    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);
    }

    /**
     * 將攝像頭傳來的圖片提取出hue通道，放入hueList中
     * 將攝像頭傳來的RGB顏色空間的圖片轉為HSV顏色空間，
     * 然后檢查HSV三個通道的值是否在指定范圍內，mask中記錄了檢查結果
     * 再將hsv中的hue提取出來
     * @param rgba
     */
    private List<Mat> rgba2Hue(Mat rgba) {
        // 實體化Mat，顯然，hsv是三通道，hue是hsv三通道其中的一個，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. 先轉換
        // 轉換顏色空間，RGB到HSV
        Imgproc.cvtColor(rgba, hsv, Imgproc.COLOR_RGB2HSV);

        int vMin = 65, vMax = 256, sMin = 55;
        //inRange函式的功能是檢查輸入陣列每個元素大小是否在2個給定數值之間，可以有多通道,mask保存0通道的最小值，也就是h分量
        //這里利用了hsv的3個通道，比較h,0~180,s,smin~256,v,min(vmin,vmax),max(vmin,vmax)，如果3個通道都在對應的范圍內，
        //則mask對應的那個點的值全為1(0xff)，否則為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的資料放入hsvList中，用于稍后提取出其中的hue
        List<Mat> hsvList = new Vector<>();
        hsvList.add(hsv);

        // 準備好hueList，用于接收通道
        // hue初始化為與hsv大小深度一樣的矩陣，色調的度量是用角度表示的，紅綠藍之間相差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：從目標的0位置提取到目的地的0位置
        MatOfInt from_to = new MatOfInt(0, 0);

        // 提取操作：將hsv第一個通道(也就是色調)的數復制到hue中，0索引陣列
        Core.mixChannels(hsvList, hueList, from_to);

        return hueList;
    }

    /**
     * 當外部呼叫方確定了人臉在圖片中的位置后，就可以呼叫createTrackedObject開始跟蹤，
     * 該方法中會先生成人臉的hue的直方圖，用于給后續幀生成反向投影
     * @param mRgba
     * @param region
     */
    public void createTrackedObject(Mat mRgba, Rect region) {
        hist.release();

        //將攝像頭的視頻幀轉化成hsv，然后再提取出其中的hue通道
        List<Mat> hueList = rgba2Hue(mRgba);

        // 人臉區域的mask
        Mat tempMask = mask.submat(region);

        // histSize表示這個直方圖分成多少份（即多少個直方柱），就是 bin的個數
        MatOfInt histSize = new MatOfInt(25);
        // 只要頭像區域的資料
        List<Mat> images = Collections.singletonList(hueList.get(0).submat(region));
        // 計算頭像的hue直方圖，結果在hist中
        Imgproc.calcHist(images, new MatOfInt(0), tempMask, hist, histSize, RANGES);

        // 將hist矩陣進行陣列范圍歸一化，都歸一化到0~255
        Core.normalize(hist, hist, 0, 255, Core.NORM_MINMAX);

        // 這個trackRect記錄了人臉最后一次出現的位置，后面新的幀到來時，就從trackRect位置開始做CamShift計算
        trackRect = region;
    }

    /**
     * 在開始跟蹤后，每當攝像頭新的一幀到來時，外部就會呼叫objectTracking，將新的幀傳入，
     * 此時，會用前面準備好的人臉hue直方圖，將新的幀計算出反向投影圖，
     * 再在反向投影圖上執行CamShift計算，找到密度最大處，即人臉在新的幀上的位置，
     * 將這個位置作為回傳值，回傳
     * @param mRgba 新的一幀
     * @return 人臉在新的一幀上的位置
     */
    public Rect objectTracking(Mat mRgba) {
        // 新的圖片，提取hue
        List<Mat> hueList;
        try {
           // 實測此處可能拋出例外，要注意捕獲，避免程式退出
            hueList = rgba2Hue(mRgba);
        } catch (CvException cvException) {
            log.error("cvtColor exception", cvException);
            trackRect = null;
            return null;
        }

        // 用頭像直方圖在新圖片的hue通道資料中計算反向投影，
        Imgproc.calcBackProject(hueList, new MatOfInt(0), hist, prob, RANGES, 1.0);
        // 計算兩個陣列的按位連接（dst = src1 & src2）計算兩個陣列或陣列和標量的每個元素的逐位連接，
        Core.bitwise_and(prob, mask, prob, new Mat());

        // 在反向投影上進行CamShift計算，回傳值就是密度最大處，即追蹤結果
        RotatedRect rotatedRect = Video.CamShift(prob, trackRect, new TermCriteria(TermCriteria.EPS, 10, 1));

        // 轉為Rect物件
        Rect camShiftRect = rotatedRect.boundingRect();

        // 比較追蹤前和追蹤后的資料，如果出現太大偏差，就認為追蹤失敗
        if (lostTrace(trackRect, camShiftRect)) {
            log.info("lost trace!");
            trackRect = null;
            return null;
        }

        // 將本次最終到的目標作為下次追蹤的物件
        trackRect = camShiftRect;

        return camShiftRect;
    }

    /**
     * 變化率的絕對值
     * @param last 變化前
     * @param current 變化后
     * @return
     */
    private static double changeRate(int last, int current) {
        return Math.abs((double)(current-last)/(double) last);
    }

    /**
     * 本次和上一次寬度或者高度的變化率，一旦超過閾值就認為跟蹤失敗
     * @param lastRect
     * @param currentRect
     * @return
     */
    private static boolean lostTrace(Rect lastRect, Rect currentRect) {
        // 0不能做除數，如果發現0就認跟丟了
        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;
    }
}

• 最核心的跟蹤服務已經完成，接下來要實作完整業務邏輯，即：CamShiftDetectService.java

CamShiftDetectService.java：業務邏輯的提供者

• 有了核心能力，接下來要做的就是在業務中使用這個能力，前文已設計好完整的業務邏輯，這里先簡單回顧一下：
  
• 可見主要業務流程可以用兩個狀態+行為來表示：

1. 還未開始跟蹤：對每一幀做人臉檢測，一旦檢測到，就進入跟蹤狀態，并呼叫ObjectTracker.createTrackedObject生成人臉的hue直方圖
2. 已處于跟蹤狀態：對每一幀影像，都呼叫ObjectTracker.objectTracking去檢查人臉在影像中的位置，直到到跟丟了為止，一旦跟丟了，就重新進入到還未開始跟蹤的狀態

• 現在我們已經清楚了CamShiftDetectService.java要做的具體事情，接下來看看有哪些重要方法：

• 再來看看有哪些重要的成員變數，如下所示，isInTracing表示當前是否處于跟蹤狀態，classifier用于檢測人臉：

/**
     * 每一幀原始圖片的物件
     */
    private Mat grabbedImage = null;

    /**
     * 分類器
     */
    private CascadeClassifier classifier;

    /**
     * 轉換器
     */
    private OpenCVFrameConverter.ToMat converter = new OpenCVFrameConverter.ToMat();

    /**
     * 模型檔案的下載地址
     */
    private String modelFilePath;

    /**
     * 存放RGBA圖片Mat
     */
    private Mat mRgba;

    /**
     * 存放灰度圖片的Mat，僅用在人臉檢測的時候
     */
    private Mat mGray;

    /**
     * 跟蹤服務類
     */
    private ObjectTracker objectTracker;

    /**
     * 表示當前是否正在跟蹤目標
     */
    private boolean isInTracing = false;

• 現在可以給出CamShiftDetectService.java的完整代碼了：

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 {

    /**
     * 每一幀原始圖片的物件
     */
    private Mat grabbedImage = null;

    /**
     * 分類器
     */
    private CascadeClassifier classifier;

    /**
     * 轉換器
     */
    private OpenCVFrameConverter.ToMat converter = new OpenCVFrameConverter.ToMat();

    /**
     * 模型檔案的下載地址
     */
    private String modelFilePath;

    /**
     * 存放RGBA圖片Mat
     */
    private Mat mRgba;

    /**
     * 存放灰度圖片的Mat，僅用在人臉檢測的時候
     */
    private Mat mGray;

    /**
     * 跟蹤服務類
     */
    private ObjectTracker objectTracker;

    /**
     * 表示當前是否正在跟蹤目標
     */
    private boolean isInTracing = false;

    /**
     * 構造方法，在此指定模型檔案的下載地址
     * @param modelFilePath
     */
    public CamShiftDetectService(String modelFilePath) {
        this.modelFilePath = modelFilePath;
    }

    /**
     * 音頻采樣物件的初始化
     * @throws Exception
     */
    @Override
    public void init() throws Exception {
        log.info("開始加載模型檔案");
        // 模型檔案下載后的完整地址
        String classifierName = new File(modelFilePath).getAbsolutePath();

        // 根據模型檔案實體化分類器
        classifier = new CascadeClassifier(classifierName);

        if (classifier == null) {
            log.error("Error loading classifier file [{}]", classifierName);
            System.exit(1);
        }

        log.info("模型檔案加載完畢，初始化完成");
    }



    @Override
    public Frame convert(Frame frame) {
        // 由幀轉為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);
        }

        // 如果未在追蹤狀態
        if (!isInTracing) {
            // 存放檢測結果的容器
            RectVector objects = new RectVector();

            // 當前圖片轉為灰度圖片
            cvtColor(grabbedImage, mGray, CV_BGR2GRAY);

            // 開始檢測
            classifier.detectMultiScale(mGray, objects);

            // 檢測結果總數
            long total = objects.size();

            // 當前實體是只追蹤一人，因此一旦檢測結果不等于一，就不處理，您可以根據自己業務情況修改此處
            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方法內部，有可能在執行native方法的是否發生例外，要做針對性處理
            if (null==openCVRGBAMat) {
                objects.close();
                return frame;
            }

            // 如果第一次追蹤，要實體化objectTracker
            if (null==objectTracker) {
                objectTracker = new ObjectTracker(openCVRGBAMat);
            }

            // 創建跟蹤目標
            objectTracker.createTrackedObject(openCVRGBAMat, new org.opencv.core.Rect(x, y, w, h));
            // 根據本次檢測結果給原圖示注人臉矩形框
            Util.rectOnImage(grabbedImage, x, y, w, h);

            // 釋放檢測結果資源
            objects.close();

            // 修改標志，表示當前正在跟蹤
            isInTracing = true;

            // 將標注過的圖片轉為幀，回傳
            return converter.convert(grabbedImage);
        }

        // 代碼走到這里，表示已經在追蹤狀態了

        // 得到opencv的mat，其格式是RGBA
        org.opencv.core.Mat openCVRGBAMat = Util.buildJavacvBGR2OpenCVRGBA(grabbedImage, mRgba);

        // 在buildJavacvBGR2OpenCVRGBA方法內部，有可能在執行native方法的是否發生例外，要做針對性處理
        if (null==openCVRGBAMat) {
            return frame;
        }

        // 基于上一次的檢測結果開始跟蹤
        org.opencv.core.Rect rotatedRect = objectTracker.objectTracking(openCVRGBAMat);

        // 如果rotatedRect為空，表示跟蹤失敗，此時要修改狀態為"未跟蹤"
        if (null==rotatedRect) {
            isInTracing = false;
            // 回傳原始幀
            return frame;
        }

        // 代碼能走到這里，表示跟蹤成功，拿到的新的一幀上的目標的位置，此時就在新位置上
//        Util.rectOnImage(grabbedImage, rotatedRect.x, rotatedRect.y, rotatedRect.width, rotatedRect.height);
        // 矩形框的整體向下放一些(總高度的五分之一)，另外跟蹤得到的高度過大，畫出的矩形框把脖子也框上了，這里改用寬度作為高度
        Util.rectOnImage(grabbedImage, rotatedRect.x, rotatedRect.y + rotatedRect.height/5, rotatedRect.width, rotatedRect.width);
        return converter.convert(grabbedImage);
    }

    /**
     * 程式結束前，釋放人臉識別的資源
     */
    @Override
    public void releaseOutputResource() {
        if (null!=grabbedImage) {
            grabbedImage.release();
        }

        if (null!=mGray) {
            mGray.release();
        }

        if (null!=mRgba) {
            mRgba.release();
        }

        if (null==classifier) {
            classifier.close();
        }
    }
}

• 至此·，功能已經完成得七七八八，再來寫完主程式就可以運行了；

PreviewCameraWithCamShift.java：主程式

• 《JavaCV的攝像頭實戰之一：基礎》創建的simple-grab-push工程中已經準備好了父類AbstractCameraApplication，所以本篇繼續使用該工程，創建子類PreviewCameraWithCamShift實作那些抽象方法即可
• 編碼前先回顧父類的基礎結構，如下圖，粗體是父類定義的各個方法，紅色塊都是需要子類來實作抽象方法，所以接下來，咱們以本地視窗預覽為目標實作這三個紅色方法即可：
  
• 新建檔案PreviewCameraWithCamShift.java，這是AbstractCameraApplication的子類，其代碼很簡單，接下來按上圖順序依次說明
• 先定義CanvasFrame型別的成員變數previewCanvas，這是展示視頻幀的本地視窗：

protected CanvasFrame previewCanvas

• 把前面創建的DetectService作為成員變數，后面檢測的時候會用到：

    /**
     * 檢測工具介面
     */
    private DetectService detectService;

• PreviewCameraWithCamShift的構造方法，接受DetectService的實體：

    /**
     * 不同的檢測工具，可以通過構造方法傳入
     * @param detectService
     */
    public PreviewCameraWithCamShift(DetectService detectService) {
        this.detectService = detectService;
    }

• 然后是初始化操作，可見是previewCanvas的實體化和引數設定，還有檢測、識別的初始化操作：

    @Override
    protected void initOutput() throws Exception {
        previewCanvas = new CanvasFrame("攝像頭預覽", CanvasFrame.getDefaultGamma() / grabber.getGamma());
        previewCanvas.setDefaultCloseOperation(JFrame.EXIT_ON_CLOSE);
        previewCanvas.setAlwaysOnTop(true);

        // 檢測服務的初始化操作
        detectService.init();
    }

• 接下來是output方法，定義了拿到每一幀視頻資料后做什么事情，這里呼叫了detectService.convert檢測人臉并識別性別，然后在本地視窗顯示：

    @Override
    protected void output(Frame frame) {
        // 原始幀先交給檢測服務處理，這個處理包括物體檢測，再將檢測結果標注在原始圖片上，
        // 然后轉換為幀回傳
        Frame detectedFrame = detectService.convert(frame);
        // 預覽視窗上顯示的幀是標注了檢測結果的幀
        previewCanvas.showImage(detectedFrame);
    }

• 最后是處理視頻的回圈結束后，程式退出前要做的事情，先關閉本地視窗，再釋放檢測服務的資源：

    @Override
    protected void releaseOutputResource() {
        if (null!= previewCanvas) {
            previewCanvas.dispose();
        }

        // 檢測工具也要釋放資源
        detectService.releaseOutputResource();
    }

• 由于檢測有些耗時，所以兩幀之間的間隔時間要低于普通預覽：

    @Override
    protected int getInterval() {
        return super.getInterval()/8;
    }

• 至此，功能已開發完成，再寫上main方法，代碼如下，請注意人臉檢測所需的模型檔案的路徑來自系統變數：

    public static void main(String[] args) {
        String modelFilePath = System.getProperty("model.file.path");
        log.info("模型檔案本地路徑：{}", modelFilePath);
        new PreviewCameraWithCamShift(new CamShiftDetectService(modelFilePath)).action(1000);
    }

• 至此，《Java版人臉跟蹤三部曲》的代碼已經全部寫完了，可以像《Java版人臉跟蹤三部曲之一：極速體驗》文中那樣運行起來了

運行程式要注意的地方

1. 下載opencv在windows環境的元件：https://download.csdn.net/download/boling_cavalry/75121158，我這里下載后放在：C:\study\javacv\lib\opencv_java453.dll
2. 人臉檢測的模型檔案，在GitHub下載，地址是：https://raw.github.com/opencv/opencv/master/data/haarcascades/haarcascade_frontalface_alt.xml，我這里下載后放在：C:\study\javacv\model\haarcascade_frontalface_alt.xml
3. 運行程式的時候，不論是打包成jar，還是直接在IDEA中運行，都要添加下面這兩個命令引數，才能確保應用加載到dll和模型檔案（請按照您自己的存盤位置修改下面引數的值）：

• -Djava.library.path=C:\study\javacv\lib
• -Dmodel.file.path=C:\study\javacv\model\haarcascade_frontalface_alt.xml
• 程式運行起來后，具體的效果與像《Java版人臉跟蹤三部曲之一：極速體驗》中一模一樣，這里就不再贅述了，您自行驗證就好
• 其實本篇不運行程式，還有一個原因就是要過年了，用來檢測人臉的群眾演員臨時漲價，要兩份盒飯，欣宸實在是負擔不起...

原始碼下載

• 《JavaCV人臉識別三部曲》的完整原始碼可在GitHub下載到，地址和鏈接資訊如下表所示(https://github.com/zq2599/blog_demos)：

• 這個git專案中有多個檔案夾，本篇的原始碼在javacv-tutorials檔案夾下，如下圖紅框所示：
  
• javacv-tutorials里面有多個子工程，《JavaCV的攝像頭實戰》系列的代碼在simple-grab-push工程下：
  
• 至此，《Java版人臉跟蹤三部曲》完美收官，但是《JavaCV的攝像頭實戰》系列還會繼續呈現更多精彩內容，歡迎關注；

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