面部表情识别4：C++实现表情识别(含源码，可实时检测)

1.面部表情识别方法

2.人脸检测方法

3.面部表情识别模型(Python)

（1）面部表情识别模型的训练

（2）将Pytorch模型转换ONNX模型

（3）将ONNX模型转换为TNN模型

4.面部表情识别模型C/C++部署

（1）项目结构

（2）配置开发环境(OpenCV+OpenCL+base-utils+TNN)

（3）部署TNN模型

（4）CMake配置

（5）main源码

（6）源码编译和运行

（7）Demo测试效果

5.项目源码下载

这是项目《面部表情识别》系列之《C++实现表情识别(含源码，可实时检测)》，主要分享将Python训练后的面部表情识别模型(mobilenet_v2)部署到C/C++平台。我们将开发一个简易的、可实时运行的面部表情识别的C/C++ Demo。准确率还挺高的，采用轻量级mobilenet_v2模型的面部表情识别准确率也可以高达94.72%左右，基本满足业务性能需求。C/C ++版本表情识别模型推理支持CPU和GPU加速，开启GPU(OpenCL)加速,可以达到实时的检测识别效果，基本满足业务的性能需求。

先展示一下，C/C++版本的面部表情识别Demo效果（不同表情用不同的颜色框标注了）

【尊重原创，转载请注明出处】https://blog.csdn.net/guyuealian/article/details/129467023

更多项目《面部表情识别》系列文章请参考：

面部表情识别1：表情识别数据集(含下载链接)
面部表情识别2：Pytorch实现表情识别(含表情识别数据集和训练代码)
面部表情识别3：Android实现表情识别(含源码，可实时检测)
面部表情识别4：C++实现表情识别(含源码，可实时检测)

1.面部表情识别方法

面部表情识别方法有多种实现方案，这里采用最常规的方法：基于人脸检测+面部表情分类识别方法，即先采用通用的人脸检测模型，进行人脸检测，然后裁剪人脸区域，再训练一个面部表情分类器，完成对面部表情识别；

这样做的好处，是可以利用现有的人脸检测模型，而无需重新训练人脸检测模型，可减少人工标注成本低；而人脸数据相对而言比较容易采集，分类模型可针对性进行优化。

2.人脸检测方法

本项目人脸检测训练代码请参考：https://github.com/Linzaer/Ultra-Light-Fast-Generic-Face-Detector-1MB

这是一个基于SSD改进且轻量化后人脸检测模型，很slim，整个模型仅仅1.7M左右，在普通Android手机都可以实时检测。人脸检测方法在网上有一大堆现成的方法可以使用，完全可以不局限我这个方法。

关于人脸检测的方法，可以参考我的另一篇博客：

行人检测和人脸检测和人脸关键点检测（C++/Android源码）

3.面部表情识别模型(Python)

（1）面部表情识别模型的训练

本篇博文不含python版本的面部表情模型以及相关训练代码，关于面部表情识别模型的训练方法，请参考本人另一篇博文《面部表情识别2：Pytorch实现表情识别(含表情识别数据集和训练代码)》：面部表情识别2：Pytorch实现表情识别(含表情识别数据集和训练代码)

（2）将Pytorch模型转换ONNX模型

目前CNN模型有多种部署方式，可以采用TNN，MNN,NCNN，以及TensorRT等部署工具，鄙人采用TNN进行C/C++端上部署。部署流程可分为四步：训练模型->将模型转换ONNX模型->将ONNX模型转换为TNN模型->C/C++部署TNN模型。

训练好Pytorch模型后，我们需要先将模型转换为ONNX模型，以便后续模型部署。

原始项目提供转换脚本，你只需要修改model_file为你模型路径即可
convert_torch_to_onnx.py实现将Pytorch模型转换ONNX模型的脚本

python libs/convert/convert_torch_to_onnx.py

"""
This code is used to convert the pytorch model into an onnx format model.
"""
import sys
import os

sys.path.insert(0, os.getcwd())
import torch.onnx
import onnx
from classifier.models.build_models import get_models
from basetrainer.utils import torch_tools


def build_net(model_file, net_type, input_size, num_classes, width_mult=1.0):
    """
    :param model_file: 模型文件
    :param net_type: 模型名称
    :param input_size: 模型输入大小
    :param num_classes: 类别数
    :param width_mult:
    :return:
    """
    model = get_models(net_type, input_size, num_classes, width_mult=width_mult, is_train=False, pretrained=False)
    state_dict = torch_tools.load_state_dict(model_file)
    model.load_state_dict(state_dict)
    return model


def convert2onnx(model_file, net_type, input_size, num_classes, width_mult=1.0, device="cpu", onnx_type="default"):
    model = build_net(model_file, net_type, input_size, num_classes, width_mult=width_mult)
    model = model.to(device)
    model.eval()
    model_name = os.path.basename(model_file)[:-len(".pth")] + ".onnx"
    onnx_path = os.path.join(os.path.dirname(model_file), model_name)
    # dummy_input = torch.randn(1, 3, 240, 320).to("cuda")
    dummy_input = torch.randn(1, 3, input_size[1], input_size[0]).to(device)
    # torch.onnx.export(model, dummy_input, onnx_path, verbose=False,
    #                   input_names=['input'],output_names=['scores', 'boxes'])
    do_constant_folding = True
    if onnx_type == "default":
        torch.onnx.export(model, dummy_input, onnx_path, verbose=False, export_params=True,
                          do_constant_folding=do_constant_folding,
                          input_names=['input'],
                          output_names=['output'])
    elif onnx_type == "det":
        torch.onnx.export(model,
                          dummy_input,
                          onnx_path,
                          do_constant_folding=do_constant_folding,
                          export_params=True,
                          verbose=False,
                          input_names=['input'],
                          output_names=['scores', 'boxes', 'ldmks'])
    elif onnx_type == "kp":
        torch.onnx.export(model,
                          dummy_input,
                          onnx_path,
                          do_constant_folding=do_constant_folding,
                          export_params=True,
                          verbose=False,
                          input_names=['input'],
                          output_names=['output'])
    onnx_model = onnx.load(onnx_path)
    onnx.checker.check_model(onnx_model)
    print(onnx_path)


if __name__ == "__main__":
    net_type = "mobilenet_v2"
    width_mult = 1.0
    input_size = [128, 128]
    num_classes = 2
    model_file = "work_space/mobilenet_v2_1.0_CrossEntropyLoss/model/best_model_022_98.1848.pth"
    convert2onnx(model_file, net_type, input_size, num_classes, width_mult=width_mult)

（3）将ONNX模型转换为TNN模型

目前CNN模型有多种部署方式，可以采用TNN，MNN,NCNN，以及TensorRT等部署工具，鄙人采用TNN进行C/C++端上部署

TNN转换工具：

（1）将ONNX模型转换为TNN模型，请参考TNN官方说明：TNN/onnx2tnn.md at master · Tencent/TNN · GitHub
（2）一键转换，懒人必备：一键转换 Caffe, ONNX, TensorFlow 到 NCNN, MNN, Tengine (可能存在版本问题，这个工具转换的TNN模型可能不兼容，建议还是自己build源码进行转换，2022年9约25日测试可用)

4.面部表情识别模型C/C++部署

项目IDE开发工具使用CLion，相关依赖库主要有OpenCV，base-utils以及TNN和OpenCL(可选)，其中OpenCV必须安装，OpenCL用于模型加速，base-utils以及TNN已经配置好，无需安装；

项目仅在Ubuntu18.04进行测试，Windows系统下请自行配置好开发环境。

（1）项目结构

（2）配置开发环境(OpenCV+OpenCL+base-utils+TNN)

项目仅在Ubuntu18.04进行测试，Windows系统下请自行配置和编译

安装OpenCV：图像处理

图像处理（如读取图片，图像裁剪等）都需要使用OpenCV库进行处理

安装教程：Ubuntu18.04安装opencv和opencv_contrib_AI吃大瓜的博客-CSDN博客_opencv opencv_contrib ubuntu

OpenCV库使用opencv-4.3.0版本，opencv_contrib库暂时未使用，可不安装

安装OpenCL：模型加速

安装教程：Ubuntu16.04 安装OpenCV&OpenCL_xiaozl_284的博客-CSDN博客_clinfo源码下载

OpenCL用于模型GPU加速，若不使用OpenCL进行模型推理加速，纯C++推理模型，速度会特别特别慢

base-utils：C++库

GitHub：https://github.com/PanJinquan/base-utils （无需安装，项目已经配置了）

base_utils是个人开发常用的C++库，集成了C/C++ OpenCV等常用的算法

TNN：模型推理

GitHub：https://github.com/Tencent/TNN （无需安装，项目已经配置了）

由腾讯优图实验室开源的高性能、轻量级神经网络推理框架，同时拥有跨平台、高性能、模型压缩、代码裁剪等众多突出优势。TNN框架在原有Rapidnet、ncnn框架的基础上进一步加强了移动端设备的支持以及性能优化，同时借鉴了业界主流开源框架高性能和良好拓展性的特性，拓展了对于后台X86, NV GPU的支持。手机端 TNN已经在手机QQ、微视、P图等众多应用中落地，服务端TNN作为腾讯云AI基础加速框架已为众多业务落地提供加速支持。

（3）部署TNN模型

项目实现了C/C++版本的车牌检测和车牌识别，车牌检测模型YOLOv5和车牌识别模型PlateNet，模型推理采用TNN部署框架（支持多线程CPU和GPU加速推理）；图像处理采用OpenCV库，模型加速采用OpenCL，在普通设备即可达到实时处理。

如果你想在这个 Demo部署你自己训练的车牌检测模型YOLOv5和车牌识别模型PlateNet，你可将训练好的Pytorch模型转换ONNX ，再转换成TNN模型，然后把原始的模型替换成你自己的TNN模型即可。

（4）CMake配置

这是CMakeLists.txt，其中主要配置OpenCV+OpenCL+base-utils+TNN这四个库，Windows系统下请自行配置和编译

cmake_minimum_required(VERSION 3.5)
project(Detector)

add_compile_options(-fPIC) # fix Bug: can not be used when making a shared object
set(CMAKE_CXX_FLAGS "-Wall -std=c++11 -pthread")
#set(CMAKE_CXX_FLAGS_RELEASE "-O2 -DNDEBUG")
#set(CMAKE_CXX_FLAGS_DEBUG "-g")

if (NOT CMAKE_BUILD_TYPE AND NOT CMAKE_CONFIGURATION_TYPES)
    # -DCMAKE_BUILD_TYPE=Debug
    # -DCMAKE_BUILD_TYPE=Release
    message(STATUS "No build type selected, default to Release")
    set(CMAKE_BUILD_TYPE "Release" CACHE STRING "Build type (default Debug)" FORCE)
endif ()

# opencv set
find_package(OpenCV REQUIRED)
include_directories(${OpenCV_INCLUDE_DIRS} ./src/)
#MESSAGE(STATUS "OpenCV_INCLUDE_DIRS = ${OpenCV_INCLUDE_DIRS}")

# base_utils
set(BASE_ROOT 3rdparty/base-utils) # 设置base-utils所在的根目录
add_subdirectory(${BASE_ROOT}/base_utils/ base_build) # 添加子目录到build中
include_directories(${BASE_ROOT}/base_utils/include)
include_directories(${BASE_ROOT}/base_utils/src)
MESSAGE(STATUS "BASE_ROOT = ${BASE_ROOT}")


# TNN set
# Creates and names a library, sets it as either STATIC
# or SHARED, and provides the relative paths to its source code.
# You can define multiple libraries, and CMake buil ds it for you.
# Gradle automatically packages shared libraries with your APK.
# build for platform
# set(TNN_BUILD_SHARED OFF CACHE BOOL "" FORCE)
if (CMAKE_SYSTEM_NAME MATCHES "Android")
    set(TNN_OPENCL_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_ARM_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_BUILD_SHARED OFF CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_OPENMP_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)  # Multi-Thread
    #set(TNN_HUAWEI_NPU_ENABLE OFF CACHE BOOL "" FORCE)
    add_definitions(-DTNN_OPENCL_ENABLE)           # for OpenCL GPU
    add_definitions(-DTNN_ARM_ENABLE)              # for Android CPU
    add_definitions(-DDEBUG_ANDROID_ON)            # for Android Log
    add_definitions(-DPLATFORM_ANDROID)
elseif (CMAKE_SYSTEM_NAME MATCHES "Linux")
    set(TNN_OPENCL_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_CPU_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_X86_ENABLE OFF CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_QUANTIZATION_ENABLE OFF CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_OPENMP_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)  # Multi-Thread
    add_definitions(-DTNN_OPENCL_ENABLE)           # for OpenCL GPU
    add_definitions(-DDEBUG_ON)                    # for WIN/Linux Log
    add_definitions(-DDEBUG_LOG_ON)                # for WIN/Linux Log
    add_definitions(-DDEBUG_IMSHOW_OFF)            # for OpenCV show
    add_definitions(-DPLATFORM_LINUX)
elseif (CMAKE_SYSTEM_NAME MATCHES "Windows")
    set(TNN_OPENCL_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_CPU_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_X86_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_QUANTIZATION_ENABLE OFF CACHE BOOL "" FORCE)
    set(TNN_OPENMP_ENABLE ON CACHE BOOL "" FORCE)  # Multi-Thread
    add_definitions(-DTNN_OPENCL_ENABLE)           # for OpenCL GPU
    add_definitions(-DDEBUG_ON)                    # for WIN/Linux Log
    add_definitions(-DDEBUG_LOG_ON)                # for WIN/Linux Log
    add_definitions(-DDEBUG_IMSHOW_OFF)            # for OpenCV show
    add_definitions(-DPLATFORM_WINDOWS)
endif ()
set(TNN_ROOT 3rdparty/TNN)
include_directories(${TNN_ROOT}/include)
include_directories(${TNN_ROOT}/third_party/opencl/include)
add_subdirectory(${TNN_ROOT}) # 添加外部项目文件夹
set(TNN -Wl,--whole-archive TNN -Wl,--no-whole-archive)# set TNN library
MESSAGE(STATUS "TNN_ROOT = ${TNN_ROOT}")


# Detector
include_directories(src)
set(SRC_LIST
        src/object_detection.cpp
        src/classification.cpp
        src/Interpreter.cpp)
add_library(dmcv SHARED ${SRC_LIST})
target_link_libraries(dmcv ${OpenCV_LIBS} base_utils)
MESSAGE(STATUS "DIR_SRCS = ${SRC_LIST}")

add_executable(Detector src/main.cpp)
#add_executable(Detector src/main_for_detect.cpp)
#add_executable(Detector src/main_for_yolov5.cpp)
target_link_libraries(Detector dmcv ${TNN} -lpthread)

（5）main源码

主程序中函数main实现提供了面部表情识别的使用方法，支持图片，视频和摄像头测试

test_image_file(); // 测试图片文件
test_video_file(); // 测试视频文件
test_camera(); //测试摄像头

//
// Created by Pan on 2020/6/24.
//

#include "object_detection.h"
#include "classification.h"
#include <iostream>
#include <string>
#include <vector>
#include "file_utils.h"
#include "image_utils.h"

using namespace dl;
using namespace vision;
using namespace std;


const int num_thread = 1; // 开启CPU线程数目
DeviceType device = GPU;  // 选择运行设备CPU/GPU
// 人脸检测模型
const char *det_model_file = (char *) "../data/tnn/face/rfb-face-mask-320-320_sim.opt.tnnmodel";
const char *det_proto_file = (char *) "../data/tnn/face/rfb-face-mask-320-320_sim.opt.tnnproto";
ObjectDetectionParam model_param = FACE_MODEL;//模型参数
// 分类模型
const char *cls_model_file = (char *) "../data/tnn/emotion/mobilenet_v2_112_112.tnnmodel";
const char *cls_proto_file = (char *) "../data/tnn/emotion/mobilenet_v2_112_112.tnnproto";
ClassificationParam ClassParam = EMOTION_MODEL;//模型参数

// 设置检测阈值
const float scoreThresh = 0.5;
const float iouThresh = 0.3;
ObjectDetection *detector = new ObjectDetection(det_model_file,
                                                det_proto_file,
                                                model_param,
                                                num_thread,
                                                device);

Classification *classifier = new Classification(cls_model_file,
                                                cls_proto_file,
                                                ClassParam,
                                                num_thread,
                                                device);

/***
 * 测试图片文件
 */
void test_image_file() {
    //测试图片的目录
    string image_dir = "../data/test_image";
    std::vector<string> image_list = get_files_list(image_dir);
    for (string image_path:image_list) {
        cv::Mat bgr_image = cv::imread(image_path);
        bgr_image = image_resize(bgr_image, 960);
        if (bgr_image.empty()) continue;
        FrameInfo resultInfo;
        // 进行人脸检测
        detector->detect(bgr_image, &resultInfo, scoreThresh, iouThresh);
        // 进行图像分类
        classifier->detect(bgr_image, &resultInfo);
        // 可视化检测结果
        classifier->visualizeResult(bgr_image, &resultInfo);
    }
    delete detector;
    detector = nullptr;
    delete classifier;
    classifier = nullptr;
    printf("FINISHED.\n");
}

/***
 * 测试视频文件
 * @return
 */
int test_video_file() {
    //测试视频文件
    string video_file = "../data/video/video-test.mp4";
    cv::VideoCapture cap;
    bool ret = get_video_capture(video_file, cap);
    cv::Mat frame;
    while (ret) {
        cap >> frame;
        if (frame.empty()) break;
        FrameInfo resultInfo;
        // 进行人脸检测
        detector->detect(frame, &resultInfo, scoreThresh, iouThresh);
        // 进行图像分类
        classifier->detect(frame, &resultInfo);
        // 可视化检测结果
        classifier->visualizeResult(frame, &resultInfo, 20);
    }
    cap.release();
    delete detector;
    detector = nullptr;
    delete classifier;
    classifier = nullptr;
    printf("FINISHED.\n");
    return 0;

}


/***
 * 测试摄像头
 * @return
 */
int test_camera() {
    int camera = 0; //摄像头ID号(请修改成自己摄像头ID号)
    cv::VideoCapture cap;
    bool ret = get_video_capture(camera, cap);
    cv::Mat frame;
    while (ret) {
        cap >> frame;
        if (frame.empty()) break;
        FrameInfo resultInfo;
        // 进行人脸检测
        detector->detect(frame, &resultInfo, scoreThresh, iouThresh);
        // 进行图像分类
        classifier->detect(frame, &resultInfo);
        // 可视化检测结果
        classifier->visualizeResult(frame, &resultInfo, 20);
    }
    cap.release();
    delete detector;
    detector = nullptr;
    delete classifier;
    classifier = nullptr;
    printf("FINISHED.\n");
    return 0;

}


int main() {
    test_image_file();   // 测试图片文件
    //test_video_file();   // 测试视频文件
    //test_camera();       //测试摄像头
    return 0;
}

（6）源码编译和运行

编译脚本，或者直接：bash build.sh

#!/usr/bin/env bash
if [ ! -d "build/" ];then
  mkdir "build"
else
  echo "exist build"
fi
cd build
cmake ..
make -j4
sleep 1
./demo

如果你要测试CPU运行的性能，请修改src/main.cpp

DeviceType device = CPU;

如果你要测试GPU运行的性能，请修改src/main.cpp （需配置好OpenCL）

DeviceType device = GPU;

PS：纯CPU C++推理模式比较耗时，需要几秒的时间，而开启OpenCL加速后，GPU模式耗时仅需十几毫秒，性能极大的提高。

（7）Demo测试效果

C++版本与Python版本的结果几乎是一致,下面是面部表情识别效果展示（其中不同表情用不同颜色表示了）

5.项目源码下载

C++实现表情识别项目源码下载地址：面部表情识别4：C++实现表情识别(含源码，可实时检测)

整套项目源码内容包含：

提供C/C++版本的人脸检测模型
提供C/C++版本的面部表情分类模型
C++源码支持CPU和GPU，开启GPU(OpenCL)可以实时检测和识别（纯CPU推理速度很慢，模型加速需要配置好OpenCL，GPU推理约15ms左右）
项目配置好了base-utils和TNN，而OpenCV和OpenCL需要自行编译安装
C/C++ Demo支持图片，视频，摄像头测试

Android面部表情识别APP Demo体验：https://download.csdn.net/download/guyuealian/87575425

或者链接: https://pan.baidu.com/s/16OOi-qCENP4WbIeSzO5e9g 提取码: cs5g

如果你需要面部表情识别的训练代码，请参考：《面部表情识别2：Pytorch实现表情识别(含表情识别数据集和训练代码)》面部表情识别2：Pytorch实现表情识别(含表情识别数据集和训练代码)_AI吃大瓜的博客-CSDN博客