用Python給你的女神帶上口罩~

作者 |?Prodesire
來源 |?Prodesire

前言

2019 年底開始蔓延的新型肺炎疫情牽動(dòng)人心，作為個(gè)體，我們力所能及的就是盡量待在家中少出門。

看到一些朋友叫設(shè)計(jì)同學(xué)幫忙給自己的頭像戴上口罩，作為技術(shù)人，心想一定還有更多人有這樣的訴求，不如開發(fā)一個(gè)簡單的程序來實(shí)現(xiàn)這個(gè)需求，也算是幫助設(shè)計(jì)姐姐減少工作量。

于是花了些時(shí)間，寫了一個(gè)叫做 face-mask[1] 的命令行工具，能夠輕松的給圖片中的人像戴上口罩，而且口罩的方向和大小都是適應(yīng)人臉的哦~

使用

安裝 face-mask

確保 Python 版本在 3.6 及以上

pip install face-mask

使用 face-mask

直接指定圖片路徑即可為圖片中的人像戴上口罩，并會(huì)生成一個(gè)新的圖片（額外有 -with-mask 后綴）：

face-mask /path/to/face/picture

通過指定 --show 選項(xiàng)，還可以使用默認(rèn)圖片查看器打開新生成的圖片：

face-mask /path/to/face/picture --show

效果

給一個(gè)人戴上口罩

給多個(gè)人戴上口罩

給動(dòng)漫人物戴上口罩

實(shí)現(xiàn)

思路

要想實(shí)現(xiàn)上面的效果，我們應(yīng)該怎么做？不妨這么想：

• 首先是識(shí)別出人的鼻子(nose_bridge)和臉輪廓(chin)
• 通過臉輪廓確定出臉左點(diǎn)（chin_left_point）、臉底點(diǎn)（chin_bottom_point）和臉右點(diǎn)（chin_right_point）
• 由鼻子和臉底點(diǎn)確定口罩大小的高度、中心線
• 將口罩左右平均分為兩個(gè)部分
  • 調(diào)整左口罩大小，寬度為臉左點(diǎn)到中心線的距離
  • 調(diào)整右口罩大小，寬度為臉右點(diǎn)到中心線的距離
  • 合并左右口罩為新口罩
• 旋轉(zhuǎn)新口罩，角度為中心線相對(duì)于 y 軸的旋轉(zhuǎn)角
• 將新口罩放在原圖適當(dāng)位置

關(guān)于人臉識(shí)別，可以使用 face_recognition[2] 庫進(jìn)行識(shí)別。

關(guān)于圖像處理，可以使用 Pillow[3] 庫進(jìn)行處理。

代碼

有了思路之后，實(shí)現(xiàn)就是件相對(duì)輕松的事情。不過對(duì)庫的熟悉和圖片的變換計(jì)算可能要花些時(shí)間。

詳細(xì)的代碼請(qǐng)閱讀 face-mask[4]。這里僅說明下最核心的步驟。

人臉識(shí)別

import face_recognition

face_image_np = face_recognition.load_image_file('/path/to/face/picture')
face_landmarks = face_recognition.face_landmarks(face_image_np)

借助 face_recognition 庫可以輕松的識(shí)別出人像，最終得到的 face_landmarks 是一個(gè)列表，里面的每個(gè) face_landmark 都表示一個(gè)人像數(shù)據(jù)。

face_landmark 是一個(gè)字典，其中的鍵表示人像特征，值表示該特征的點(diǎn)的列表。比如：

• 鍵 nose_bridge 表示鼻梁
• 鍵 chin 表示臉頰

我們需要根據(jù)每個(gè) face_landmark，給對(duì)應(yīng)的頭像戴上口罩。

獲得鼻子和臉頰的特征點(diǎn)

import numpy as np

nose_bridge = face_landmark['nose_bridge']
nose_point = nose_bridge[len(nose_bridge) * 1 // 4]
nose_v = np.array(nose_point)

chin = face_landmark['chin']
chin_len = len(chin)
chin_bottom_point = chin[chin_len // 2]
chin_bottom_v = np.array(chin_bottom_point)
chin_left_point = chin[chin_len // 8]
chin_right_point = chin[chin_len * 7 // 8]

通過上述代碼，我們獲得了：

• 表示上鼻梁的一個(gè)點(diǎn) nose_point
• 表示臉左點(diǎn) chin_left_point
• 表示臉右點(diǎn) chin_right_point
• 表示臉底點(diǎn) chin_bottom_point

拆分、縮放和合并口罩

from PIL import Image

_face_img = Image.fromarray(face_image_np)
_mask_img = Image.open('/path/to/mask/picture')

# split mask and resize
width = _mask_img.width
height = _mask_img.height
width_ratio = 1.2
new_height = int(np.linalg.norm(nose_v - chin_bottom_v))

# left
mask_left_img = _mask_img.crop((0, 0, width // 2, height))
mask_left_width = get_distance_from_point_to_line(chin_left_point, nose_point, chin_bottom_point)
mask_left_width = int(mask_left_width * width_ratio)
mask_left_img = mask_left_img.resize((mask_left_width, new_height))

# right
mask_right_img = _mask_img.crop((width // 2, 0, width, height))
mask_right_width = get_distance_from_point_to_line(chin_right_point, nose_point, chin_bottom_point)
mask_right_width = int(mask_right_width * width_ratio)
mask_right_img = mask_right_img.resize((mask_right_width, new_height))

# merge mask
size = (mask_left_img.width + mask_right_img.width, new_height)
mask_img = Image.new('RGBA', size)
mask_img.paste(mask_left_img, (0, 0), mask_left_img)
mask_img.paste(mask_right_img, (mask_left_img.width, 0), mask_right_img)

上述代碼主要做了如下內(nèi)容：

• 將口罩左右平均分為兩個(gè)部分
• 調(diào)整左口罩大小，寬度為臉左點(diǎn)到中心線的距離 * 寬度系數(shù) 1.2
• 調(diào)整右口罩大小，寬度為臉右點(diǎn)到中心線的距離 * 寬度系數(shù) 1.2
• 合并左右口罩為新口罩

get_distance_from_point_to_line 用來獲取一個(gè)點(diǎn)到一條線的距離，具體實(shí)現(xiàn)可看源代碼。

width_ratio 是寬度系數(shù)，用來適當(dāng)擴(kuò)大口罩。原因我們是根據(jù)臉頰的寬度計(jì)算口罩的寬度，但口罩是待在耳朵上的，真實(shí)寬度應(yīng)該要更寬。

旋轉(zhuǎn)口罩、并放到原圖適當(dāng)位置

# rotate mask
angle = np.arctan2(chin_bottom_point[1] - nose_point[1], chin_bottom_point[0] - nose_point[0])
rotated_mask_img = mask_img.rotate(angle, expand=True)

# calculate mask location
center_x = (nose_point[0] + chin_bottom_point[0]) // 2
center_y = (nose_point[1] + chin_bottom_point[1]) // 2

offset = mask_img.width // 2 - mask_left_img.width
radian = angle * np.pi / 180
box_x = center_x + int(offset * np.cos(radian)) - rotated_mask_img.width // 2
box_y = center_y + int(offset * np.sin(radian)) - rotated_mask_img.height // 2

# add mask
_face_img.paste(mask_img, (box_x, box_y), mask_img)

上述代碼主要做了如下內(nèi)容：

• 旋轉(zhuǎn)新口罩，角度為中心線相對(duì)于 y 軸的旋轉(zhuǎn)角
• 計(jì)算口罩應(yīng)該放置的坐標(biāo)
• 將新口罩放在原圖的計(jì)算出的坐標(biāo)下

最后就是將新圖片保存到本地路徑，代碼不再展示。

總結(jié)

我們借助 face_recognition 庫可以輕松的識(shí)別出人像，然后根據(jù)臉頰的寬度和鼻梁位置計(jì)算出口罩的大小、方向和位置，并最終生成出戴上口罩的圖片。整個(gè)過程并不復(fù)雜，但在坐標(biāo)計(jì)算上要格外小心，如此，我們便打造了一個(gè)短小精悍的“自動(dòng)戴上口罩”程序！

參考資料face-mask: https://github.com/Prodesire/face-maskface_recognition: https://github.com/ageitgeyface_recognitionPillow: https://pillow.readthedocs.io/face-mask: https://github.com/Prodesire/face-mask