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樹莓派 + Docker 輕鬆實現人臉識別應用

人臉識別技術已經被廣泛應用在眾多場景中。今天我們將利用Docker容器在樹莓派上快速打造一個人臉識別應用。
本文使用 https://github.com/ageitgey/facerecognition 開源框架,基於 dlib(Deep Metric Learning)支援人臉識別功能。dlib 在Labeled Faces in the Wild 測試基準上的準確率達到 99.38%。facerecognition的應用開發極為簡單,只用幾行 Python 命令列就可以輕鬆實現人臉識別應用,而且也提供了樹莓派的支援。
在Raspberry Pi 2+ 平臺安裝face_recognition的指南如下:
https://gist.github.com/ageitgey/1ac8dbe8572f3f533df6269dab35df65
樹莓派是Geek們最愛的開發板,其原因就在於成熟的軟體生態和豐富的I/O介面,然而在樹莓派上搞深度學習應用開發並非易事。
  1. 很多包需要下載編譯,以孱弱的Raspberry Pi編譯應用,需要極大的耐心。

  2. 然而開源的深度學習框架很多,不同類庫的依賴不同,有些會互相衝突,比如有些需要Python 2.7,有些則依賴 3.x。雖然我們可以用virtualenv對Python環境進行隔離,但是對於一些系統級的依賴衝突就不好辦了。在漫長構建中遇到依賴導致編譯失敗,讓人非常有挫敗感。

  3. 如果需要在另外一塊板上部署相同應用,整個過程需要重新來過。


下麵我們將利用Docker來構建打包應用映象,這樣可以一次構建到處執行,也可以充分利用Dockerfile自帶的分層能力,可以方便地調整依賴包,這樣在開發部署過程中格外高效。

樹莓派上部署人臉識別應用

得益於樹莓派和Docker安裝部署人臉識別開發環境非常簡單:
1、在 Raspberry PI 3 安裝最新的 Raspbian。
2、執行如下命令安裝最新的 Docker Engine 社群版。
# Install Docker
curl -sSL https://get.docker.com | sh
# Add pi to Docker group
sudo usermod pi -aG docker
# config cgroup for Docker
echo Adding " cgroup_enable=cpuset cgroup_enable=memory" to /boot/cmdline.txt
sudo cp /boot/cmdline.txt /boot/cmdline_backup.txt
# if you encounter problems, try changing cgroup_memory=1 to cgroup_enable=memory.
orig="$(head -n1 /boot/cmdline.txt) cgroup_enable=cpuset cgroup_memory=1"
echo $orig | sudo tee /boot/cmdline.txt
sudo reboot
3、安裝 Raspberry Camera ,我用的是Camera Module2 註意藍色膠帶對著乙太網介面方向。並透過 raspi-config 命令來開啟 camera 模組。
4、在容器中開發、執行facerecognition應用,我們可以利用如下的命令來啟動容器。其包含了facerecognition 的完整開發環境和示例應用。下文會介紹映象的具體資訊。
docker run -it \
   --name face_recognition \
   --device /dev/vchiq \
     registry.cn-hangzhou.aliyuncs.com/denverdino/face_recognition \
     bash
其中關鍵之處就在於將攝像頭裝置/dev/vchiq掛載到容器內部,這樣就可以讓容器中的應用來拍攝照片和影片。
大家可以利用 docker cp 命令,向容器中複製檔案,比如照片,或者在容器中利用 nano 等命令來編輯程式碼。

人臉識別應用解析

基於 examples/facereconraspberry_pi.py 我修改了一個面部識別應用供參考,其實現如下:

# This is a demo of running face recognition on a Raspberry Pi.
# This program will print out the names of anyone it recognizes to the console.
# To run this, you need a Raspberry Pi 2 (or greater) with face_recognition and
# the picamera[array] module installed.
# You can follow this installation instructions to get your RPi set up:
# https://gist.github.com/ageitgey/1ac8dbe8572f3f533df6269dab35df65
import face_recognition
import picamera
import numpy as np
known_face_encodings = []
names = []
def load_face_encoding(name, file_name):
   image = face_recognition.load_image_file(file_name)
   face_encoding = face_recognition.face_encodings(image)[0]
   known_face_encodings.append(face_encoding)
   names.append(name)
# Get a reference to the Raspberry Pi camera.
# If this fails, make sure you have a camera connected to the RPi and that you
# enabled your camera in raspi-config and rebooted first.
camera = picamera.PiCamera()
camera.resolution = (320, 240)
output = np.empty((240, 320, 3), dtype=np.uint8)
# Load a sample picture and learn how to recognize it.
print("Loading known face image(s)")
load_face_encoding("Yi Li", "yili.jpg")
load_face_encoding("Zhang Kai", "zhangkai.jpg")
load_face_encoding("Che Yang", "cheyang.jpg")
# Initialize some variables
face_locations = []
face_encodings = []
while True:
   print("Capturing image.")
   # Grab a single frame of video from the RPi camera as a numpy array
   camera.capture(output, format="rgb")
   # Find all the faces and face encodings in the current frame of video
   face_locations = face_recognition.face_locations(output)
   print("Found {} faces in image.".format(len(face_locations)))
   face_encodings = face_recognition.face_encodings(output, face_locations)
   # Loop over each face found in the frame to see if it's someone we know.
   for face_encoding in face_encodings:
       # See if the face is a match for the known face(s)
       matches = face_recognition.face_distance(known_face_encodings, face_encoding)
       name = ""
       min_distance = min(matches)
       if min_distance < 0.6:
           i = matches.argmin()
           name = names[i]
       print("I see someone named {}!".format(name))

首先,程式碼中透過如下方法,載入指定人名的頭像照片,您可以把自己、好基友的照片加入人臉庫。
load_face_encoding("Yi Li", "yili.jpg")
然後,攝像頭持續拍攝照片,如下方法會檢測到照片中的面部資訊。
face_locations = face_recognition.face_locations(output)
...
face_encodings = face_recognition.face_encodings(output, face_locations)
然後,對比面部資訊和已知人臉資訊的相似度,如果超過一個閾值,傳回最為相近的同學名稱,這樣一個簡單的人臉識別應用就完成了,是不是非常簡單?
matches = face_recognition.face_distance(known_face_encodings, face_encoding)
執行的結果如下:
# python3 facerec_on_raspberry_pi.py 
Loading known face image(s)
Found 0 faces in image.
Capturing image.
Found 0 faces in image.
Capturing image.
Found 1 faces in image.
I see someone named Yi Li!
...
效果符合預期,但是受限於樹莓派的處理能力,還遠遠達不到實時的效果,識別出人臉需要幾秒的延遲。但是已經可以應用於一些簡單的場景了,大家自己去開腦洞自己開發吧。
大家如果需要定製自己的人臉識別應用,可以從 https://github.com/denverdino/facerecognitionpi 獲得相關的Dockerfile,來根據自己的需要構建一個完整的應用。
FROM resin/raspberry-pi-python:3
COPY pip.conf /root/.pip/pip.conf
RUN apt-get -y update
RUN apt-get install -y --fix-missing \
   build-essential \
   cmake \
   gfortran \
   git \
   wget \
   curl \
   graphicsmagick \
   libgraphicsmagick1-dev \
   libatlas-dev \
   libavcodec-dev \
   libavformat-dev \
   libboost-all-dev \
   libgtk2.0-dev \
   libjpeg-dev \
   liblapack-dev \
   libswscale-dev \
   pkg-config \
   python3-dev \
   zip \
   && apt-get clean && rm -rf /tmp/* /var/tmp/*
RUN python3 -m ensurepip --upgrade && pip3 install --upgrade picamera[array] dlib
# The rest of this file just runs an example script.
# If you wanted to use this Dockerfile to run your own app instead, maybe you would do this:
# COPY . /root/your_app_or_whatever
# RUN cd /root/your_app_or_whatever && \
#     pip3 install -r requirements.txt
# RUN whatever_command_you_run_to_start_your_app
RUN git clone --single-branch https://github.com/ageitgey/face_recognition.git
RUN cd /face_recognition && \
   pip3 install -r requirements.txt && \
   python3 setup.py install
CMD cd /face_recognition/examples && \
   python3 recognize_faces_in_pictures.py
大家如果希望將自己應用打包到Docker映象中,可以新增修改Dockerfile,我就不多說了。
最後來曬一下我的樹莓派3配置,除了Camera之外還加裝了一個液晶顯示屏,透過GPIO驅動,可以方便地透過程式設計來顯示CPU/Memory/溫度等各種資訊。

總結

容器技術已經越來越多運用於IoT、邊緣計算等場景,利用容器可以極大地簡化智慧裝置的應用生命週期管理。今天我們演示了一個執行在樹莓派上的人臉識別應用。本文實體程式碼可以從 https://github.com/denverdino/facerecognitionpi 獲取。
2017我們見證了容器技術的快速發展,Kubernetes,Containerd/OCI等容器技術標準得到了生態的共識,這也將催生更多的應用創新。2018我們不但可以看見容器在企業使用者的生產環境中被廣泛應用,容器技術也將無處不在,給我們更多的驚喜。
原文連結:https://yq.aliyun.com/articles/346459

基於Kubernetes的DevOps實踐培訓

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