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教程 | face-api.js：在浏览器中进行人脸识别的JavaScript接口

百家作者：机器之心 2018-07-16 10:55:13

选自IT Next

作者：Vincent Mühler

机器之心编译

参与：Geek AI、张倩

本文将为大家介绍一个建立在「tensorflow.js」内核上的 javascript API——「face-api.js」，它实现了三种卷积神经网络架构，用于完成人脸检测、识别和特征点检测任务，可以在浏览器中进行人脸识别。

号外！号外！现在人们终于可以在浏览器中进行人脸识别了！本文将为大家介绍「face-api.js」，这是一个建立在「tensorflow.js」内核上的 javascript 模块，它实现了三种卷积神经网络（CNN）架构，用于完成人脸检测、识别和特征点检测任务。

face-api.js：https://github.com/justadudewhohacks/face-api.js
TensorFlow.js：https://github.com/tensorflow/tfjs-core

像往常一样，我们将查看一个简单的代码示例，这将使你能立即通过短短几行代码中的程序包开始了解这个 API。让我们开始吧！

我们已经有了「face-recognition.js」，现在又来了另一个同样的程序包？

如果你阅读过本文作者另一篇关于「node.js」环境下进行人脸识别的文章《Node.js + face-recognition.js : Simple and Robust Face Recognition using Deep Learning》（Node.js + face-recognition.js：通过深度学习实现简单而鲁棒的人脸识别）（https://medium.com/@muehler.v/node-js-face-recognition-js-simple-and-robust-face-recognition-using-deep-learning-ea5ba8e852），你就会知道他在之前组装过一个类似的程序包，例如「face-recgnition.js」，从而为「node.js」引入了人脸识别功能。

起初，作者并没有预见到 JavaScript 社区对与人脸识别程序包的需求程度如此之高。对许多人而言，「face-recognition.js」似乎是一个不错的、能够免费试用的开源选项，它可以替代由微软或亚马逊等公司提供的付费人脸识别服务。但是作者曾多次被问道：是否有可能在浏览器中运行完整的人脸识别的工作流水线？

多亏了「tensorflow.js」，这种设想最终变为了现实！作者设法使用「tf.js

」内核实现了部分类似的工具，它们能得到和「face-recognition.js」几乎相同的结果，但是作者是在浏览器中完成的这项工作！而且最棒的是，这套工具不需要建立任何的外部依赖，使用它非常方便。并且这套工具还能通过 GPU 进行加速，相关操作可以使用 WebGL 运行。

这足以让我相信，JavaScript 社区需要这样的一个为浏览器环境而编写的程序包！可以设想一下你能通过它构建何种应用程序。

如何利用深度学习解决人脸识别问题

如果想要尽快开始实战部分，那么你可以跳过这一章，直接跳到代码分析部分去。但是为了更好地理解「face-api.js」中为了实现人脸识别所使用的方法，我强烈建议你顺着这个章节阅读下去，因为我常常被人们问到这个问题。

为简单起见，我们实际想要实现的目标是在给定一张人脸的图像时，识别出图像中的人。为了实现这个目标，我们需要为每一个我们想要识别的人提供一张（或更多）他们的人脸图像，并且给这些图像打上人脸主人姓名的标签作为参考数据。现在，我们将输入图像和参考数据进行对比，找到与输入图像最相似的参考图像。如果有两张图像都与输入足够相似，那么我们输出人名，否则输出「unknown」（未知）。

听起来确实是个好主意！然而，这个方案仍然存在两个问题。首先，如果我们有一张显示了多人的图像，并且我们需要识别出其中所有的人，将会怎样呢？其次，我们需要建立一种相似度度量手段，用来比较两张人脸图像。

人脸检测

我们可以从人脸检测技术中找到第一个问题的答案。简单地说，我们将首先定位输入图像中的所有人脸。「face-api.js」针对人脸检测工作实现了一个 SSD（Single Shot Multibox Detector）算法，它本质上是一个基于 MobileNetV1 的卷积神经网络（CNN），在网络的顶层加入了一些人脸边框预测层。

该网络将返回每张人脸的边界框，并返回每个边框相应的分数，即每个边界框表示一张人脸的概率。这些分数被用于过滤边界框，因为可能存在一张图片并不包含任何一张人脸的情况。请注意，为了对边界框进行检索，即使图像中仅仅只有一个人，也应该执行人脸检测过程。

人脸特征点检测及人脸对齐

在上文中，我们已经解决了第一个问题！然而，我想要指出的是，我们需要对齐边界框，从而抽取出每个边界框中的人脸居中的图像，接着将其作为输入传给人脸识别网络，因为这样可以使人脸识别更加准确！

为了实现这个目标，「face-api.js」实现了一个简单的卷积神经网络（CNN），它将返回给定图像的 68 个人脸特征点：

从特征点位置上看，边界框可以将人脸居中。你可以从下图中看到人脸检测结果（左图）与对齐后的人脸图像（右图）的对比：

人脸识别

现在，我们可以将提取出的对齐后的人脸图像输入到人脸识别网络中，该网络基于一个类似于 ResNet-34 的架构，基本上与 dlib（https://github.com/davisking/dlib/blob/master/examples/dnn_face_recognition_ex.cpp）中实现的架构一致。该网络已经被训练去学习出人脸特征到人脸描述符的映射（一个包含 128 个值的特征向量），这个过程通常也被称为人脸嵌入。

现在让我们回到最初对比两张人脸图像的问题：我们将使用每张抽取出的人脸图像的人脸描述符，并且将它们与参考数据的人脸描述符进行对比。更确切地说，我们可以计算两个人脸描述符之间的欧氏距离，并根据阈值判断两张人脸图像是否相似（对于 150*150 的图像来说，0.6 是一个很好的阈值）。使用欧氏距离的效果惊人的好，当然，你也可以选用任何一种分类器。下面的 gif 动图可视化了通过欧氏距离比较两张人脸图像的过程：

至此，我们已经对人脸识别的理论有所了解。接下来让我们开始编写一个代码示例。

是时候开始编程了！

在这个简短的示例中，我们将看到如何一步步地运行人脸识别程序，识别出如下所示的输入图像中的多个人物：

导入脚本

首先，从 dist/face-api.js 获得最新的版本（https://github.com/justadudewhohacks/face-api.js/tree/master/dist），或者从 dist/face-api.min.js 获得缩减版，并且导入脚本：

如果你使用 npm 包管理工具，可以输入如下指令：

npm i face-api.js

加载模型数据

你可以根据应用程序的要求加载你需要的特定模型。但是如果要运行一个完整的端到端的示例，我们还需要加载人脸检测、人脸特征点检测和人脸识别模型。相关的模型文件可以在代码仓库中找到，链接如下：https://github.com/justadudewhohacks/face-api.js/tree/master/weights。

其中，模型的权重已经被量化，文件大小相对于初始模型减小了 75%，使你的客户端仅仅需要加载所需的最少的数据。此外，模型的权重被分到了最大为 4 MB 的数据块中，使浏览器能够缓存这些文件，这样它们就只需要被加载一次。

模型文件可以直接作为你的 web 应用中的静态资源被使用，或者你可以将它们存放在另外的主机上，通过指定的路径或文件的 url 链接来加载。假如你将它们与你在 public/models 文件夹下的资产共同存放在一个 models 目录中：

const MODEL_URL = '/models'
await faceapi.loadModels(MODEL_URL)

或者，如果你仅仅想要加载特定的模型：

const MODEL_URL = '/models'
await faceapi.loadFaceDetectionModel(MODEL_URL)
await faceapi.loadFaceLandmarkModel(MODEL_URL)
await faceapi.loadFaceRecognitionModel(MODEL_URL)

从输入图像中得到对所有人脸的完整描述

该神经网络可以接收 HTML 图像、画布、视频元素或张量（tensor）作为输入。为了检测出输入图像中分数（score）大于最小阈值（minScore）的人脸边界框，我们可以使用下面的简单操作：

const minConfidence = 0.8
const fullFaceDescriptions = await faceapi.allFaces(input, minConfidence)

一个完整的人脸描述符包含了检测结果（边界框+分数），人脸特征点以及计算出的描述符。正如你所看到的，「faceapi.allFaces」在底层完成了本文前面的章节所讨论的所有工作。然而，你也可以手动地获取人脸定位和特征点。如果这是你的目的，你可以参考 github repo 中的几个示例。

请注意，边界框和特征点的位置与原始图像/媒体文件的尺寸有关。当显示出的图像尺寸与原始图像的尺寸不相符时，你可以简单地通过下面的方法重新调整它们的大小：

const resized = fullFaceDescriptions.map(fd => fd.forSize(width, height))

我们可以通过将边界框在画布上绘制出来对检测结果进行可视化：

fullFaceDescription.forEach((fd, i) => {
  faceapi.drawDetection(canvas, fd.detection, { withScore: true })
})

可以通过下面的方法将人脸特征点显示出来：

fullFaceDescription.forEach((fd, i) => {
  faceapi.drawLandmarks(canvas, fd.landmarks, { drawLines: true })
})

通常，我会在 img 元素的顶层覆盖一个具有相同宽度和高度的绝对定位的画布（想获取更多信息，请参阅 github 上的示例）。

人脸识别

当我们知道了如何得到给定的图像中所有人脸的位置和描述符后，我们将得到一些每张图片显示一个人的图像，并且计算出它们的人脸描述符。这些描述符将作为我们的参考数据。

假设我们有一些可以用的示例图片，我们首先从一个 url 链接处获取图片，然后使用「faceapi.bufferToImage」从它们的数据缓存中创建 HTML 图像元素：

// fetch images from url as blobs
const blobs = await Promise.all(
  ['sheldon.png' 'raj.png', 'leonard.png', 'howard.png'].map(
    uri => (await fetch(uri)).blob()
  )
)

// convert blobs (buffers) to HTMLImage elements
const images = await Promise.all(blobs.map(
  blob => await faceapi.bufferToImage(blob)
))

接下来，在每张图像中，正如我们之前对输入图像所做的那样，我们对人脸进行定位、计算人脸描述符：

const refDescriptions = await Promsie.all(images.map(
  img => (await faceapi.allFaces(img))[0]
))

const refDescriptors = refDescriptions.map(fd => fd.descriptor)

现在，我们还需要做的就是遍历我们输入图像的人脸描述符，并且找到参考数据中与输入图像距离最小的描述符：

const sortAsc = (a, b) => a - b
const labels = ['sheldon', 'raj', 'leonard', 'howard']

const results = fullFaceDescription.map((fd, i) => {
  const bestMatch = refDescriptors.map(
    refDesc => ({
      label: labels[i],
      distance: faceapi.euclideanDistance(fd.descriptor, refDesc)
    })
  ).sort(sortAsc)[0]

  return {
    detection: fd.detection,
    label: bestMatch.label,
    distance: bestMatch.distance
  }
})

正如前面提到的，我们在这里使用欧氏距离作为一种相似度度量，这样做的效果非常好。我们在输入图像中检测出的每一张人脸都是匹配程度最高的。

最后，我们可以将边界框和它们的标签一起绘制在画布上，显示检测结果：

// 0.6 is a good distance threshold value to judge
// whether the descriptors match or not
const maxDistance = 0.6

results.forEach(result => {
  faceapi.drawDetection(canvas, result.detection, { withScore: false })

  const text = `${result.distance <  maxDistance ? result.className : 'unkown'} (${result.distance})`
  const { x, y, height: boxHeight } = detection.getBox()
  faceapi.drawText(
    canvas.getContext('2d'),
    x,
    y + boxHeight,
    text
  )
})