基于Python实现人脸自动戴口罩系统

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1、项目背景

2019年新型冠状病毒感染的肺炎疫情发生以来，牵动人心，举国哀痛，口罩、酒精、消毒液奇货可居。

抢不到口罩，怎么办？作为技术人今天分享如何使用Python实现自动戴口罩系统，来安慰自己，系统效果如下所示：

本系统的实现原理是借助 Dlib模块的Landmark人脸68个关键点检测库轻松识别出人脸五官数据，根据这些数据，确定嘴唇部分的位置数据（48点~67点位置），根据检测到嘴部的尺寸和方向，借助PLL模块调整口罩的尺寸和方向，实现将口罩放在图像的适当位置。

2、页面设计

基于tkinter模块实现GUI设计，可载入人物图像，选择四种类型口罩（这里的口罩是处理好的图片），展示佩戴好口罩的效果，操作完成退出系统，效果如下所示：

页面布局实现代码如下所示：

def __init__(self):
 self.root = tk.Tk()
 self.root.title('基于Pyhon的人脸自动戴口罩系统')
 self.root.geometry('1200x500')
 self.path1_ = None
 self.path2_ = None
 self.seg_img_path = None
 self.mask = None
 self.label_Img_seg = None
 decoration = PIL.Image.open('./pic/bg.png').resize((1200, 500))
 render = ImageTk.PhotoImage(decoration)
 img = tk.Label(image=render)
 img.image = render
 img.place(x=0, y=0)
 # 原图1的展示
 tk.Button(self.root, text="打开头像", command=self.show_original1_pic).place(x=50, y=120)
 tk.Button(self.root, text="退出软件", command=quit).place(x=900, y=40)
 tk.Label(self.root, text="头像", font=10).place(x=280, y=120)
 self.cv_orinial1 = tk.Canvas(self.root, bg='white', width=270, height=270)
 self.cv_orinial1.create_rectangle(8, 8, 260, 260, width=1, outline='red')
 self.cv_orinial1.place(x=180, y=150)
 self.label_Img_original1 = tk.Label(self.root)
 self.label_Img_original1.place(x=180, y=150)
 tk.Label(self.root,text="选择口罩",font=10).place(x=600,y=120)
 first_pic = Image.open("./pic/Mask.png")
 first_pic = first_pic.resize((60, 60), Image.ANTIALIAS)
 first_pic = ImageTk.PhotoImage(first_pic)
 self.first = tk.Label(self.root, image=first_pic)
 self.first.place(x=600,y=160, width=60, height=60)
 self.first.bind("<Button-1>", self.mask0)
 second_pic = Image.open("./pic/Mask1.png")
 second_pic = second_pic.resize((60, 60), Image.ANTIALIAS)
 second_pic = ImageTk.PhotoImage(second_pic)
 self.second_pic = tk.Label(self.root, image=second_pic)
 self.second_pic.place(x=600, y=230, width=60, height=60)
 self.second_pic.bind("<Button-1>", self.mask1)
 third_pic = Image.open("./pic/Mask3.png")
 third_pic = third_pic.resize((60, 60), Image.ANTIALIAS)
 third_pic = ImageTk.PhotoImage(third_pic)
 self.third_pic = tk.Label(self.root, image=third_pic)
 self.third_pic.place(x=600, y=300, width=60, height=60)
 self.third_pic.bind("<Button-1>", self.mask3)
 forth_pic = Image.open("./pic/Mask4.png")
 forth_pic = forth_pic.resize((60, 60), Image.ANTIALIAS)
 forth_pic = ImageTk.PhotoImage(forth_pic)
 self.forth_pic = tk.Label(self.root, image=forth_pic)
 self.forth_pic.place(x=600, y=370, width=60, height=60)
 self.forth_pic.bind("<Button-1>", self.mask4)
 tk.Label(self.root, text="佩戴效果", font=10).place(x=920, y=120)
 self.cv_seg = tk.Canvas(self.root, bg='white', width=270, height=270)
 self.cv_seg.create_rectangle(8, 8, 260, 260, width=1, outline='red')
 self.cv_seg.place(x=820, y=150)
 self.label_Img_seg = tk.Label(self.root)
 self.label_Img_seg.place(x=820, y=150)
 self.root.mainloop()

载入人物图像，实现代码如下所示：

 # 原图1展示
 def show_original1_pic(self):
 self.path1_ = askopenfilename(title='选择文件')
 print(self.path1_)
 self.Img = PIL.Image.open(r'{}'.format(self.path1_))
 Img = self.Img.resize((270,270),PIL.Image.ANTIALIAS) # 调整图片大小至256x256
 img_png_original = ImageTk.PhotoImage(Img)
 self.label_Img_original1.config(image=img_png_original)
 self.label_Img_original1.image = img_png_original # keep a reference
 self.cv_orinial1.create_image(5, 5,anchor='nw', image=img_png_original)

人脸戴口罩展示，实现代码如下所示

# 人脸戴口罩效果展示
 def show_morpher_pic(self):
 img1 = cv2.imread(self.path1_)
 x_min, x_max, y_min, y_max, size = self.get_mouth(img1)
 adding = self.mask.resize(size)
 im = Image.fromarray(img1[:, :, ::-1]) # 切换RGB格式
 # 在合适位置添加头发图片
 im.paste(adding, (int(x_min), int(y_min)), adding)
 # im.show()
 save_path = self.path1_.split('.')[0]+'_result.jpg'
 im.save(save_path)
 Img = im.resize((270, 270), PIL.Image.ANTIALIAS) # 调整图片大小至270x270
 img_png_seg = ImageTk.PhotoImage(Img)
 self.label_Img_seg.config(image=img_png_seg)
 self.label_Img_seg.image = img_png_seg # keep a reference

导入四种口罩图像，实现代码如下所示：

def mask0(self, event):
 self.mask = Image.open('pic/mask.png')
 self.show_morpher_pic()
 def mask1(self, event):
 self.mask = Image.open('pic/mask1.png')
 self.show_morpher_pic()
 def mask3(self, event):
 self.mask = Image.open('pic/mask3.png')
 self.show_morpher_pic()
 def mask4(self, event):
 self.mask = Image.open('pic/mask4.png')
 self.show_morpher_pic()

3、器官识别

页面功能实现后就是依托Dlib库实现人脸器官关键点的识别，分析出嘴部位置及尺寸，这里为了方便各位直观了解，写了一个测试Demo，将人物脸部关键点都显示出来，代码如下所示：

#coding=utf-8
#图片检测 - Dlib版本
import cv2
import dlib
import time
t=time.time()
path = "./pic/im.jpg"
img = cv2.imread(path)
gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
 
#人脸分类器
detector = dlib.get_frontal_face_detector()
# 获取人脸检测器
predictor = dlib.shape_predictor(
 "./shape_predictor_68_face_landmarks.dat"
)
dets = detector(gray, 1)
for face in dets:
 shape = predictor(img, face) # 寻找人脸的68个标定点
 # 遍历所有点，打印出其坐标，并圈出来
 for pt in shape.parts():
 pt_pos = (pt.x, pt.y)
 cv2.circle(img, pt_pos, 1, (0, 255, 0), 2)
 cv2.imshow("image", img)
print('所用时间为{}'.format(time.time()-t))
cv2.waitKey(0)
#cv2.destroyAllWindows()
time.sleep(5)

效果如下所示：

在本系统中这些关键点无需绘制显示，直接使用就可以，实现代码如下所示：

def get_mouth(self, img):
 img_gray = cv2.cvtColor(img, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
 detector = dlib.get_frontal_face_detector()
 predictor = dlib.shape_predictor('./shape_predictor_68_face_landmarks.dat')
 faces = detector(img_gray, 0)
 for k, d in enumerate(faces):
 x = []
 y = []
 # 人脸大小的高度
 height = d.bottom() - d.top()
 # 人脸大小的宽度
 width = d.right() - d.left()
 shape = predictor(img_gray, d)
 # 48-67 为嘴唇部分
 for i in range(48, 68):
 x.append(shape.part(i).x)
 y.append(shape.part(i).y)
 # 根据人脸的大小扩大嘴唇对应口罩的区域
 y_max = (int)(max(y) + height / 3)
 y_min = (int)(min(y) - height / 3)
 x_max = (int)(max(x) + width / 3)
 x_min = (int)(min(x) - width / 3)
 size = ((x_max - x_min), (y_max - y_min))
 return x_min, x_max, y_min, y_max, size