关于人脸识别

目前的人脸识别已经相对成熟，有各种收费免费的商业方案和开源方案，其中OpenCV很早就支持了人脸识别，在我选择人脸识别开发库时，也横向对比了三种库，包括在线识别的百度、开源的OpenCV和商业库虹软（中小型规模免费）。

百度的人脸识别，才上线不久，文档不太完善，之前联系百度，官方也给了我基于Android的Example，但是不太符合我的需求，一是照片需要上传至百度服务器（这个是最大的问题），其次，人脸的定位需要自行去实现（捕获到人脸后上传进行识别）。

OpenCV很早以前就用过，当时做人脸+车牌识别时，最先考虑的就是OpenCV，但是识别率在当时不算很高，后来是采用了一个电子科大的老师自行开发的识别库（相对易用，识别率也还不错），所以这次准备做时，没有选择OpenCV。

虹软其实在无意间发现的，当时正在寻找开发库，正在测试Python的一个方案，就发现有新闻说虹软的识别库全面开放并且可以免费使用，而且是离线识别，所以就下载尝试了一下，发现识别率还不错，所以就暂定了采用虹软的识别方案。这里主要就给大家分享一下开发过程当中的一些坑和使用心得，顺便开源识别库的C# Wrapper。

SDK的C# Wrapper

由于虹软的库是采用C++开发的，而我的应用程序采用的是C#，所以，需要对库进行包装，便于C#的调用，包装的主要需求是可以在C#中快速方便的调用，无需考虑内存、指针等问题，并且具备一定的容错性。Wrapper库目前已经开源，大家可以到Github上进行下载，地址点击这里。Wrapper库基本上没有什么可以说的，无非是对PInvoke的包装，只是里面做了比较多的细节处理，屏蔽了调用细节，提供了相对高层的函数。有兴趣的可以看看源代码。

Wrapper库的使用例子

基本使用

人脸检测（静态图片）：

using (var detection = LocatorFactory.GetDetectionLocator("appId", "sdkKey"))
{
    var image = Image.FromFile("test.jpg");
    var bitmap = new Bitmap(image);

    var result = detection.Detect(bitmap, out var locateResult);
    //检测到位置信息在使用完毕后，需要释放资源，避免内存泄露
    using (locateResult)
    {
        if (result == ErrorCode.Ok && locateResult.FaceCount > 0)
        {
            using (var g = Graphics.FromImage(bitmap))
            {
                var face = locateResult.Faces[0].ToRectangle();
                g.DrawRectangle(new Pen(Color.Chartreuse), face.X, face.Y, face.Width, face.Height);
            }

            bitmap.Save("output.jpg", ImageFormat.Jpeg);
        }
    }
}

人脸跟踪（人脸跟踪一般用于视频的连续帧识别，相较于检测，又更高的执行效率，这里用静态图片做例子，实际使用和检测没啥区别）：

using (var detection = LocatorFactory.GetTrackingLocator("appId", "sdkKey"))
{
    var image = Image.FromFile("test.jpg");
    var bitmap = new Bitmap(image);

    var result = detection.Detect(bitmap, out var locateResult);
    using (locateResult)
    {
        if (result == ErrorCode.Ok && locateResult.FaceCount > 0)
        {
            using (var g = Graphics.FromImage(bitmap))
            {
                var face = locateResult.Faces[0].ToRectangle();
                g.DrawRectangle(new Pen(Color.Chartreuse), face.X, face.Y, face.Width, face.Height);
            }

            bitmap.Save("output.jpg", ImageFormat.Jpeg);
        }
    }
}

人脸对比：

using (var proccesor = new FaceProcessor("appid",
                "locatorKey", "recognizeKey", true))
{
    var image1 = Image.FromFile("test2.jpg");
    var image2 = Image.FromFile("test.jpg");

    var result1 = proccesor.LocateExtract(new Bitmap(image1));
    var result2 = proccesor.LocateExtract(new Bitmap(image2));
    
    //FaceProcessor是个整合包装类，集成了检测和识别，如果要单独使用识别，可以使用FaceRecognize类
    //这里做演示，假设图片都只有一张脸
    //可以将FeatureData持久化保存，这个即是人脸特征数据，用于后续的人脸匹配
    //File.WriteAllBytes("XXX.data", feature.FeatureData);FeatureData会自动转型为byte数组

    if ((result1 != null) & (result2 != null))
        Console.WriteLine(proccesor.Match(result1[0].FeatureData, result2[0].FeatureData, true));
}

使用注意事项

LocateResult（检测结果）和Feature（人脸特征）都包含需要释放的内存资源，在使用完毕后，记得需要释放，否则会引起内存泄露。FaceProcessor和FaceRecognize的Match函数，在完成比较后，可以自动释放，只需要最后两个参数指定为true即可，如果是用于人脸匹配（1:N），则可以采用默认参数，这种情况下，第一个参数指定的特征数据不会自动释放，用于循环和特征库的特征进行比对。

整合的完整例子

在Github上，有完整的FaceDemo例子，里面主要实现了通过ffmpeg采集RTSP协议的图像（使用海康的摄像机），然后进行人脸匹配。在开发过程中遇到不少的坑。

人脸识别的首要工作就是捕获摄像机视频帧，这一块上是坑的最久的，因为最开始采用的是OpenCV的包装库，Emgu.CV，在开发过程中，捕获USB摄像头时，倒是问题不大，没有出现过异常。在捕获RTSP视频流时，会不定时的出现AccessviolationException异常，短则几十分钟，长则几个小时，总之就是不稳定。在官方Github地址上，也提了Issue，他们给出的答复是屏蔽的我业务逻辑，仅捕获视频流试试，结果问题依然，所以，我基本坑定了试Emgu.CV上面的问题。后来经过反复的实验，最终确定了选择ffmpeg。

ffmepg主要采用ProcessStartInfo进行调用，我采用的是NReco.VideoConverter（一个ffmpeg调用的包装，可以通过nuget搜索安装），虽然ffmpeg解决了稳定性问题，但是实际开发时，也遇到了不少坑，其中，最主要的是NReco.VideoConverter没有任何文档和例子（实际有，需要75刀购买），所以，自己研究了半天，如何捕获视频流并转换为Bitmap对象。只要实现这一步，后续就是调用Wrapper就行了。

FaceDemo详解

上面说到了，通过ffmpeg捕获视频流并转换Bitmap是重点，所以，这里也主要介绍这一块。

首先是ffmpeg的调用参数：

var setting =
new ConvertSettings
{
    CustomOutputArgs = "-an -r 15 -pix_fmt bgr24 -updatefirst 1"
}; //-s 1920x1080 -q:v 2 -b:v 64k

task = ffmpeg.ConvertLiveMedia("rtsp://admin:12qwaszxA@192.168.1.64:554/h264/ch1/main/av_stream", null,
outputStream, Format.raw_video, setting);
task.OutputDataReceived += DataReceived;
task.Start();

-an表示不捕获音频流，-r表示帧率，根据需求和实际设备调整此参数，-pix_fmt比较重要，一般情况下，指定为bgr24不会有太大问题（还是看具体设备），之前就是用成了rgb24，结果捕获出来的图像，人都变成阿凡达了，颜色是反的。最后一个参数，坑的我差点放弃这个方案。本身，ffmpeg在调用时，需要指定一个文件名模板，捕获到的输出会按照模板生成文件，如果要将数据输出到控制台，则最后传入一个-即可，最开始没有指定updatefirst，ffmpeg在捕获了第一帧后就抛出了异常，最后查了半天ffmpeg说明（完整参数说明非常多，输出到文本有1319KB），发现了这个参数，表示持续更新第一个文件。最后，在调用视频捕获是，需要指定输出格式，必须指定为Format.raw_video，实际上这个格式名称有些误导人，按道理将应该叫做raw_image，因为最终输出的是每帧原始的位图数据。

到此为止，还并没有解决视频流数据的捕获，因为又来一个坑，ProcessStartInfo的控制台缓冲区大小只有32768 bytes，即，每一次的输出，实际上并不是一个完整的位图数据。

//完整代码参加Github源代码
//代码片段1
private Bitmap _image;
private IntPtr _pImage;

{
    _pImage = Marshal.AllocHGlobal(1920 * 1080 * 3);
    _image = new Bitmap(1920, 1080, 1920 * 3, PixelFormat.Format24bppRgb, _pImage);
}

//代码片段2
private MemoryStream outputStream;

private void DataReceived(object sender, EventArgs e)
{
    if (outputStream.Position == 6220800)
        lock (_imageLock)
        {
            var data = outputStream.ToArray();

            Marshal.Copy(data, 0, _pImage, data.Length);

            outputStream.Seek(0, SeekOrigin.Begin);
        }
}

花了不少时间摸索（不要看只有几行，人都整崩溃了），得出了上述代码。首先，我捕获的图像数据是24位的，并且图像大小是1080p的，所以，实际上，一个原始位图数据的大小为stride * height，即width * 3 * height，大小为6220800 bytes。所以，在判断了捕获数据到达这个大小后，就进行Bitmap转换处理，然后将MemoryStream的位置移动到最开始。需要注意的时，由于捕获到的是原始数据（不包含bmp的HeaderInfo），所以注意看Bitmap的构造方式，是通过一个指向原始数据位置的指针就行构造的，更新该图像时，也仅需要更新指针指向的位置数据即可，无需在建立新的Bitmap实例。

位图数据获取到了，就可以进行识别处理了，高高兴兴的加上了识别逻辑，但是现实总是充满了意外和惊喜，没错，坑又来了。没有加入识别逻辑的时候，捕获到的图像在PictureBox上显示非常正常，清晰、流畅，加上识别逻辑后，开始出现花屏（捕获到的图像花屏）、拖影、显示延迟（至少会延迟10-20秒以上）、程序卡顿，总之就是各种问题。最开始，我的识别逻辑写到DataReceived方法里面的，这个方法是运行于主线程外的另一个线程中的，其实按道理将，捕获、识别、显示位于一个线程中，应该是不会出现问题，我估计（不确定，没有去深入研究，如果谁知道实际原因，可以留言告诉我），是因为ffmpeg的原因，因为ffmpeg是单独的一个进程在跑，他的数据捕获是持续在进行的，而识别模块的处理时间大于每一帧的采集时间，所以，缓冲区中的数据没有得到及时处理，ffmpeg接收到的部分图像数据（大于32768的数据）被丢弃了，然后就出现了各种问题。最后，又是一次耗时不短的探索之旅。

private void Render()
{
    while (_renderRunning)
    {
        if (_image == null)
            continue;

        Bitmap image;

        lock (_imageLock)
        {
            image = (Bitmap) _image.Clone();
        }

        if (_shouldShot){
            WriteFeature(image);
            _shouldShot = false;
        }

        Verify(image);

        if (videoImage.InvokeRequired)
            videoImage.Invoke(new Action(() => { videoImage.Image = image; }));
        else
            videoImage.Image = image;
    }
}

如上代码所述，我单独开了一个线程，用于图像的识别处理和显示，每次都从已捕获到的图像中克隆出新的Bitmap实例进行处理。这种方式的缺点在于，有可能会导致丢帧的现象，因为上面说到了，识别时间（如果检测到新的人脸，那么加上匹配，大约需要130ms左右）大于每帧时间，但是并不影响识别效果和需求的实现，基本丢弃的帧可以忽律。最后，运行，稳定了、完美了，实际也感觉不到丢帧。

Demo程序，我运行了大约4天左右，中间没有出现过任何异常和识别错误。

写在最后

虽然虹软官方表示，免费识别库适用于1000人脸库以下的识别，实际上，做一定的工作（工作量其实也不小），也是可以实现较大规模的人脸搜索滴。例如，采用多线程进行匹配，如果人脸库人脸数量大于1000，则可以考虑每个线程分别进行处理，人脸特征数据做缓存（一个人脸的特征数据是22KB，对内存要求较高），以提升程序的识别搜索效率。或者人脸库特别大的情况下，可以采用分布式处理，人脸特征加载到Redis数据库当中，多个进程多个线程读取处理，每个线程上传自己的识别结果，然后主进程做结果合并判断工作，主要的挑战就在于多线程的工作分配一致性和对单点故障的容错性。