基于深度学习的人脸识别系统（Caffe+OpenCV+Dlib）【三】VGG网络进行特征提取

前言

基于深度学习的人脸识别系统，一共用到了5个开源库：OpenCV（计算机视觉库）、Caffe（深度学习库）、Dlib（机器学习库）、libfacedetection（人脸检测库）、cudnn（gpu加速库）。
用到了一个开源的深度学习模型：VGG model。
最终的效果是很赞的，识别一张人脸的速度是0.039秒，而且最重要的是：精度高啊！！！
CPU：intel i5-4590
GPU：GTX 980
系统：Win 10
OpenCV版本：3.1（这个无所谓）
Caffe版本：Microsoft caffe （微软编译的Caffe，安装方便，在这里安利一波）
Dlib版本：19.0（也无所谓
CUDA版本：7.5
cudnn版本：4
libfacedetection：6月份之后的（这个有所谓，6月后出了64位版本的）
这个系列纯C++构成，有问题的各位朋同学可以直接在博客下留言，我们互相交流学习。
====================================================================

本篇是该系列的第三篇博客，介绍如何使用VGG网络模型与Caffe的 MemoryData层去提取一个OpenCV矩阵类型Mat的特征。

思路

VGG网络模型是牛津大学视觉几何组提出的一种深度模型，在LFW数据库上取得了97%的准确率。VGG网络由5个卷积层，两层fc图像特征，一层fc分类特征组成，具体我们可以去读它的prototxt文件。这里是模型与配置文件的下载地址。
http://www.robots.ox.ac.uk/~vgg/software/vgg_face/
话题回到Caffe。在Caffe中提取图片的特征是很容易的，其提供了extract_feature.exe让我们来实现，提取格式为lmdb与leveldb。关于这个的做法，可以看我的这篇博客：
http://blog.csdn.net/mr_curry/article/details/52097529
显然，我们在程序中肯定是希望能够灵活利用的，使用这种方法不太可行。Caffe的Data层提供了type：MemoryData，我们可以使用它来进行Mat类型特征的提取。
注：你需要先按照本系列第一篇博客的方法去配置好Caffe的属性表。
http://blog.csdn.net/mr_curry/article/details/52443126

实现

首先我们打开VGG_FACE_deploy.prototxt，观察VGG的网络结构。

有意思的是，MemoryData层需要图像均值，但是官方网站上并没有给出mean文件。我们可以通过这种方式进行输入：

    mean_value:129.1863
    mean_value:104.7624
    mean_value:93.5940

我们还需要修改它的data层：（你可以用下面这部分的代码去替换下载下来的prototxt文件的data层）

   layer {
  name: "data"
  type: "MemoryData"
  top: "data"
  top: "label"
  transform_param {
    mirror: false
    crop_size: 224
    mean_value:129.1863
    mean_value:104.7624
    mean_value:93.5940
  }
  memory_data_param {
    batch_size: 1
    channels:3
    height:224
    224
  }
}

为了不破坏原来的文件，把它另存为vgg_extract_feature_memorydata.prototxt。

好的，然后我们开始编写。添加好这个属性表：

然后，新建caffe_net_memorylayer.h、ExtractFeature_.h、ExtractFeature_.cpp开始编写。
caffe_net_memorylayer.h：

#include "caffe/layers/input_layer.hpp"  
#include "caffe/layers/inner_product_layer.hpp"  
#include "caffe/layers/dropout_layer.hpp"  
#include "caffe/layers/conv_layer.hpp"  
#include "caffe/layers/relu_layer.hpp"  
#include <iostream> 
#include "caffe/caffe.hpp"
#include <opencv.hpp>
#include <caffe/layers/memory_data_layer.hpp>
#include "caffe/layers/pooling_layer.hpp"  
#include "caffe/layers/lrn_layer.hpp"  
#include "caffe/layers/softmax_layer.hpp"  
// must predefined
caffe::MemoryDataLayer<float> *memory_layer;
caffe::Net<float>* net;

ExtractFeature_.h

#include <opencv.hpp>
using namespace cv;
using namespace std;

std::vector<float> ExtractFeature(Mat FaceROI);//给一个图片 返回一个vector<float>容器
void Caffe_Predefine();

ExtractFeature_.cpp：

#include <ExtractFeature_.h>
#include <caffe_net_memorylayer.h>
namespace caffe
{
    extern INSTANTIATE_CLASS(InputLayer);
    extern INSTANTIATE_CLASS(InnerProductLayer);
    extern INSTANTIATE_CLASS(DropoutLayer);
    extern INSTANTIATE_CLASS(ConvolutionLayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(Convolution);
    extern INSTANTIATE_CLASS(ReLULayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(ReLU);
    extern INSTANTIATE_CLASS(PoolingLayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(Pooling);
    extern INSTANTIATE_CLASS(LRNLayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(LRN);
    extern INSTANTIATE_CLASS(SoftmaxLayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(Softmax);
    extern INSTANTIATE_CLASS(MemoryDataLayer);
}
template <typename Dtype>
caffe::Net<Dtype>* Net_Init_Load(std::string param_file, std::string pretrained_param_file, caffe::Phase phase)
{
    caffe::Net<Dtype>* net(new caffe::Net<Dtype>("vgg_extract_feature_memorydata.prototxt", caffe::TEST));
    net->CopyTrainedLayersFrom("VGG_FACE.caffemodel");
    return net;
}

void Caffe_Predefine()//when our code begining run must add it
{
    caffe::Caffe::set_mode(caffe::Caffe::GPU);
    net = Net_Init_Load<float>("vgg_extract_feature_memorydata.prototxt", "VGG_FACE.caffemodel", caffe::TEST);
    memory_layer = (caffe::MemoryDataLayer<float> *)net->layers()[0].get();
}

std::vector<float> ExtractFeature(Mat FaceROI)
{
    caffe::Caffe::set_mode(caffe::Caffe::GPU);
    std::vector<Mat> test;
    std::vector<int> testLabel;
    std::vector<float> test_vector;
    test.push_back(FaceROI);
    testLabel.push_back(0);
    memory_layer->AddMatVector(test, testLabel);// memory_layer and net , must be define be a global variable.
    test.clear(); testLabel.clear();
    std::vector<caffe::Blob<float>*> input_vec;
    net->Forward(input_vec);
    boost::shared_ptr<caffe::Blob<float>> fc8 = net->blob_by_name("fc8");
    int test_num = 0;
    while (test_num < 2622)
    {
        test_vector.push_back(fc8->data_at(0, test_num++, 1, 1));
    }
    return test_vector;
}

=============注意上面这个地方可以这么改：==============
（直接可以知道这个向量的首地址、尾地址，我们直接用其来定义vector）

        float* begin = nullptr;
        float* end = nullptr;
        begin = fc8->mutable_cpu_data();
        end = begin + fc8->channels();
        CHECK(begin != nullptr);
        CHECK(end != nullptr);
        std::vector<float> FaceVector{ begin,end };
        return std::move(FaceVector);

请特别注意这个地方：

namespace caffe
{
    extern INSTANTIATE_CLASS(InputLayer);
    extern INSTANTIATE_CLASS(InnerProductLayer);
    extern INSTANTIATE_CLASS(DropoutLayer);
    extern INSTANTIATE_CLASS(ConvolutionLayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(Convolution);
    extern INSTANTIATE_CLASS(ReLULayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(ReLU);
    extern INSTANTIATE_CLASS(PoolingLayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(Pooling);
    extern INSTANTIATE_CLASS(LRNLayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(LRN);
    extern INSTANTIATE_CLASS(SoftmaxLayer);
    REGISTER_LAYER_CLASS(Softmax);
    extern INSTANTIATE_CLASS(MemoryDataLayer);
}

为什么要加这些？因为在提取过程中发现，如果不加，会导致有一些层没有注册的情况。我在Github的Microsoft/Caffe上帮一外国哥们解决了这个问题。我把问题展现一下：

如果我们加了上述代码，就相当于注册了这些层，自然就不会有这样的问题。
在提取过程中，我提取的是fc8层的特征，2622维。当然，最后一层都已经是分类特征了，最好还是提取fc7层的4096维特征。
在这个地方：

void Caffe_Predefine()//when our code begining run must add it
{
    caffe::Caffe::set_mode(caffe::Caffe::GPU);
    net = Net_Init_Load<float>("vgg_extract_feature_memorydata.prototxt", "VGG_FACE.caffemodel", caffe::TEST);
    memory_layer = (caffe::MemoryDataLayer<float> *)net->layers()[0].get();
}

是一个初始化的函数，用于将VGG网络模型与提取特征的配置文件进行传入，所以很明显地，在提取特征之前，需要先：

Caffe_Predefine()；

进行了这个之后，这些全局量我们就能一直用了。
我们可以试试提取特征的这个接口。新建一个main.cpp，调用之：

#include <ExtractFeature_.h>
int main()
{
    Caffe_Predefine();
    Mat lena = imread("lena.jpg");
    if (!lena.empty())
    {
        ExtractFeature(lena);
    }

}

因为我们得到的是一个vector< float>类型，所以我们可以把它逐一输出出来看看。当然，在ExtractFeature()的函数中你就可以这么做了。我们还是在main()函数里这么做。
来看看：

#include <ExtractFeature_.h>
int main()
{
    Caffe_Predefine();
    Mat lena = imread("lena.jpg");
    if (!lena.empty())
    {
        int i = 0;
        vector<float> print=ExtractFeature(lena);
        while (i<print.size())
        {
            cout << print[i++] << endl;
        }
    }
    imshow("Extract feature",lena);
    waitKey(0);
}

那么对于这张图片，提取出的特征，就是很多的这些数字：

提取一张224*224图片特征的时间为：0.019s。我们可以看到，GPU加速的效果是非常明显的。而且我这块显卡也就是GTX980。不知道泰坦X的提取速度如何（泪）。

附：net结构 （prototxt），注意layer和layers的区别：

name: "VGG_FACE_16_layer"
layer {
  name: "data"
  type: "MemoryData"
  top: "data"
  top: "label"
  transform_param {
    mirror: false
    crop_size: 224
    mean_value:129.1863
    mean_value:104.7624
    mean_value:93.5940
  }
  memory_data_param {
    batch_size: 1
    channels:3
    height:224
    224
  }
}
layer {
  bottom: "data"
  top: "conv1_1"
  name: "conv1_1"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 64
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv1_1"
  top: "conv1_1"
  name: "relu1_1"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv1_1"
  top: "conv1_2"
  name: "conv1_2"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 64
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv1_2"
  top: "conv1_2"
  name: "relu1_2"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv1_2"
  top: "pool1"
  name: "pool1"
  type: "Pooling"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  bottom: "pool1"
  top: "conv2_1"
  name: "conv2_1"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 128
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv2_1"
  top: "conv2_1"
  name: "relu2_1"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv2_1"
  top: "conv2_2"
  name: "conv2_2"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 128
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv2_2"
  top: "conv2_2"
  name: "relu2_2"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv2_2"
  top: "pool2"
  name: "pool2"
  type: "Pooling"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  bottom: "pool2"
  top: "conv3_1"
  name: "conv3_1"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 256
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv3_1"
  top: "conv3_1"
  name: "relu3_1"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv3_1"
  top: "conv3_2"
  name: "conv3_2"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 256
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv3_2"
  top: "conv3_2"
  name: "relu3_2"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv3_2"
  top: "conv3_3"
  name: "conv3_3"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 256
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv3_3"
  top: "conv3_3"
  name: "relu3_3"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv3_3"
  top: "pool3"
  name: "pool3"
  type: "Pooling"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  bottom: "pool3"
  top: "conv4_1"
  name: "conv4_1"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 512
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv4_1"
  top: "conv4_1"
  name: "relu4_1"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv4_1"
  top: "conv4_2"
  name: "conv4_2"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 512
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv4_2"
  top: "conv4_2"
  name: "relu4_2"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv4_2"
  top: "conv4_3"
  name: "conv4_3"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 512
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv4_3"
  top: "conv4_3"
  name: "relu4_3"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv4_3"
  top: "pool4"
  name: "pool4"
  type: "Pooling"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  bottom: "pool4"
  top: "conv5_1"
  name: "conv5_1"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 512
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv5_1"
  top: "conv5_1"
  name: "relu5_1"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv5_1"
  top: "conv5_2"
  name: "conv5_2"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 512
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv5_2"
  top: "conv5_2"
  name: "relu5_2"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv5_2"
  top: "conv5_3"
  name: "conv5_3"
  type: "Convolution"
  convolution_param {
    num_output: 512
    pad: 1
    kernel_size: 3
  }
}
layer {
  bottom: "conv5_3"
  top: "conv5_3"
  name: "relu5_3"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "conv5_3"
  top: "pool5"
  name: "pool5"
  type: "Pooling"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  bottom: "pool5"
  top: "fc6"
  name: "fc6"
  type: "InnerProduct"
  inner_product_param {
    num_output: 4096
  }
}
layer {
  bottom: "fc6"
  top: "fc6"
  name: "relu6"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "fc6"
  top: "fc6"
  name: "drop6"
  type: "Dropout"
  dropout_param {
    dropout_ratio: 0.5
  }
}
layer {
  bottom: "fc6"
  top: "fc7"
  name: "fc7"
  type: "InnerProduct"
  inner_product_param {
    num_output: 4096
  }
}
layer {
  bottom: "fc7"
  top: "fc7"
  name: "relu7"
  type: "ReLU"
}
layer {
  bottom: "fc7"
  top: "fc7"
  name: "drop7"
  type: "Dropout"
  dropout_param {
    dropout_ratio: 0.5
  }
}
layer {
  bottom: "fc7"
  top: "fc8"
  name: "fc8"
  type: "InnerProduct"
  inner_product_param {
    num_output: 2622
  }
}
layer {
  bottom: "fc8"
  top: "prob"
  name: "prob"
  type: "Softmax"
}

=================================================================

基于深度学习的人脸识别系统系列（Caffe+OpenCV+Dlib）——【三】使用Caffe的MemoryData层与VGG网络模型提取Mat的特征 完结，如果在代码过程中出现了任何问题，直接在博客下留言即可，共同交流学习。