Springboot 整合 Java DL4J 实现企业门禁人脸识别系统

forestsea2024-10-16 9:46

🧑 博主简介：历代文学网 （PC端可以访问：https://literature.sinhy.com/#/literature?__c=1000，移动端可微信小程序搜索"历代文学 "）总架构师，15年工作经验，精通Java编程，高并发设计，Springboot和微服务，熟悉Linux，ESXI虚拟化以及云原生Docker和K8s，热衷于探索科技的边界，并将理论知识转化为实际应用。保持对新技术的好奇心，乐于分享所学，希望通过我的实践经历和见解，启发他人的创新思维。在这里，我希望能与志同道合的朋友交流探讨，共同进步，一起在技术的世界里不断学习成长。

Spring Boot 整合 Deeplearning4j 实现企业门禁人脸识别系统

一、引言

在当今数字化时代，企业对于安全性和效率的要求越来越高 。传统的门禁系统如钥匙、密码等存在易丢失 、易被破解 等问题。而人脸识别技术作为一种非接触式 、高效 、准确 的身份验证方式，正逐渐成为企业门禁系统的首选。本文将详细介绍如何使用 Spring Boot 整合 Java Deeplearning4j 实现一个企业门禁人脸识别系统，通过识别员工面部特征实现快速身份验证，提高安全性 和通行效率。

二、神经网络选择

本案例中我们选择使用卷积神经网络（Convolutional Neural Network，CNN）来实现人脸识别。CNN 是一种专门用于处理图像数据的神经网络，具有以下优点：

  • 能够自动提取图像的特征，减少了人工特征提取的工作量。
  • 对图像的平移、旋转、缩放等具有一定的不变性，提高了识别的准确性。
  • 可以处理大规模的图像数据，适用于企业门禁系统中可能出现的大量员工面部图像。

选择理由：

  • 人脸识别是一个复杂的任务，需要对图像中的面部特征进行准确的提取和识别。CNN 能够自动学习图像的特征，并且在图像识别领域取得了非常好的效果。
  • 企业门禁系统需要快速准确地识别员工的面部特征，以提高通行效率。CNN 可以在较短的时间内对图像进行处理，满足企业门禁系统的实时性要求。
  • 随着深度学习技术的不断发展，CNN 的性能不断提高，并且有很多成熟的开源框架和工具可以使用，如 Deeplearning4j，使得开发人脸识别系统变得更加容易。

三、数据集格式

  1. 数据集来源 ：我们可以使用公开的人脸识别数据集，如 Labeled Faces in the Wild（LFW）数据集，也可以自己收集企业员工的面部图像构建数据集。
  2. 数据集格式 ：数据集通常以图像文件的形式存储，每个图像文件对应一个员工的面部图像。图像文件可以是 JPEG、PNG 等常见的图像格式。为了方便管理和使用数据集，我们可以将图像文件按照员工的编号或姓名进行命名，并将其存储在一个特定的目录中。例如，我们可以创建一个名为"dataset"的目录，然后在该目录下创建多个子目录，每个子目录对应一个员工，子目录中的图像文件即为该员工的面部图像。
  3. 数据集表格示例：
员工编号 员工姓名 图像文件路径
001 张三 dataset/001/face1.jpg
001 张三 dataset/001/face2.jpg
002 李四 dataset/002/face1.jpg
002 李四 dataset/002/face2.jpg

四、技术介绍

  1. Spring Boot ：Spring Boot 是一个基于 Spring 框架的快速开发框架，它简化了 Spring 应用的开发过程，使得开发者可以更加专注于业务逻辑的实现。在本案例中，我们使用 Spring Boot 来构建企业门禁系统的后端服务，实现人脸识别的业务逻辑。
  2. Deeplearning4j ：Deeplearning4j 是一个基于 Java 的深度学习框架，它支持多种神经网络模型，如 CNN、循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）等。在本案例中，我们使用 Deeplearning4j 来训练和部署人脸识别模型。
  3. 图像预处理：在进行人脸识别之前，我们需要对图像进行预处理，包括图像的缩放、裁剪、归一化等操作，以提高模型的识别准确性。
  4. 模型训练：使用 Deeplearning4j 提供的 API，我们可以构建和训练人脸识别模型。在训练过程中，我们需要将数据集分为训练集和测试集，使用训练集对模型进行训练，使用测试集对模型的性能进行评估。
  5. 模型部署：训练好的模型可以部署到企业门禁系统中，实现人脸识别的功能。在部署过程中，我们需要将模型转换为适合在生产环境中运行的格式，并使用 Spring Boot 提供的 RESTful API 将模型暴露给前端应用。

五、相关Maven 依赖

在使用 Spring Boot 整合 Deeplearning4j 实现企业门禁人脸识别系统时，我们需要添加以下 Maven 依赖：

xml 复制代码 
<dependency>
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
    <artifactId>deeplearning4j-core</artifactId>
    <version>1.0.0-beta7</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
    <artifactId>deeplearning4j-nn</artifactId>
    <version>1.0.0-beta7</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.deeplearning4j</groupId>
    <artifactId>deeplearning4j-ui</artifactId>
    <version>1.0.0-beta7</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.springframework.boot</groupId>
    <artifactId>spring-boot-starter-web</artifactId>
</dependency>

六、代码示例

6.1 图像预处理

java 复制代码 
import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph;
import org.deeplearning4j.nn.modelimport.keras.KerasModelImport;
import org.deeplearning4j.nn.transferlearning.FineTuneConfiguration;
import org.deeplearning4j.nn.transferlearning.TransferLearning;
import org.deeplearning4j.zoo.ZooModel;
import org.deeplearning4j.zoo.model.VGG16;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.DataNormalization;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.ImagePreProcessingScaler;
import org.nd4j.linalg.factory.Nd4j;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import javax.imageio.ImageIO;
import java.awt.image.BufferedImage;
import java.io.File;
import java.io.IOException;

public class ImagePreprocessor {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(ImagePreprocessor.class);

    public static double[] preprocessImage(String imagePath) {
        try {
            BufferedImage image = ImageIO.read(new File(imagePath));
            int width = 224;
            int height = 224;
            BufferedImage resizedImage = new BufferedImage(width, height, BufferedImage.TYPE_INT_RGB);
            resizedImage.getGraphics().drawImage(image, 0, 0, width, height, null);

            double[] pixels = new double[width * height * 3];
            for (int y = 0; y < height; y++) {
                for (int x = 0; x < width; x++) {
                    int argb = resizedImage.getRGB(x, y);
                    int r = (argb >> 16) & 0xff;
                    int g = (argb >> 8) & 0xff;
                    int b = argb & 0xff;
                    pixels[y * width * 3 + x * 3] = r / 255.0;
                    pixels[y * width * 3 + x * 3 + 1] = g / 255.0;
                    pixels[y * width * 3 + x * 3 + 2] = b / 255.0;
                }
            }

            DataNormalization scaler = new ImagePreProcessingScaler(0, 1);
            scaler.transform(Nd4j.create(pixels));
            return pixels;
        } catch (IOException e) {
            logger.error("Error preprocessing image: {}", e.getMessage());
            return null;
        }
    }
}

这段代码实现了对图像的预处理功能，包括图像的缩放、归一化等操作。首先，我们使用ImageIO读取图像文件，并将其缩放到指定的大小。然后，我们将图像的像素值转换为double类型，并进行归一化处理，使得像素值在 0 到 1 之间。

6.2 模型训练

java 复制代码 
import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph;
import org.deeplearning4j.nn.modelimport.keras.KerasModelImport;
import org.deeplearning4j.nn.transferlearning.FineTuneConfiguration;
import org.deeplearning4j.nn.transferlearning.TransferLearning;
import org.deeplearning4j.zoo.ZooModel;
import org.deeplearning4j.zoo.model.VGG16;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.iterator.DataSetIterator;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.DataNormalization;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.preprocessor.ImagePreProcessingScaler;
import org.nd4j.linalg.factory.Nd4j;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;

import java.io.File;
import java.util.ArrayList;
import java.util.List;

public class FaceRecognitionTrainer {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(FaceRecognitionTrainer.class);

    public static ComputationGraph trainModel(String datasetPath, int numClasses) {
        try {
            // 加载预训练的 VGG16 模型
            ZooModel zooModel = VGG16.builder().build();
            ComputationGraph vgg16 = (ComputationGraph) zooModel.initPretrained();

            // 设置微调配置
            FineTuneConfiguration fineTuneConf = new FineTuneConfiguration.Builder()
                   .updater("sgd")
                   .learningRate(0.001)
                   .seed(123)
                   .build();

            // 进行迁移学习
            ComputationGraph model = new TransferLearning.GraphBuilder(vgg16)
                   .fineTuneConfiguration(fineTuneConf)
                   .setFeatureExtractor("fc2")
                   .removeVertexKeepConnections("predictions")
                   .addLayer("predictions",
                            org.deeplearning4j.nn.conf.layers.OutputLayer.builder()
                                   .nIn(4096)
                                   .nOut(numClasses)
                                   .activation("softmax")
                                   .build())
                   .build();

            // 加载数据集
            List<double[]> images = new ArrayList<>();
            List<Integer> labels = new ArrayList<>();
            File datasetDir = new File(datasetPath);
            for (File employeeDir : datasetDir.listFiles()) {
                int label = Integer.parseInt(employeeDir.getName());
                for (File imageFile : employeeDir.listFiles()) {
                    double[] pixels = ImagePreprocessor.preprocessImage(imageFile.getAbsolutePath());
                    if (pixels!= null) {
                        images.add(pixels);
                        labels.add(label);
                    }
                }
            }

            // 创建数据集迭代器
            DataSetIterator iterator = new FaceRecognitionDataSetIterator(images, labels);

            // 训练模型
            model.fit(iterator);

            return model;
        } catch (Exception e) {
            logger.error("Error training model: {}", e.getMessage());
            return null;
        }
    }
}

这段代码实现了对人脸识别模型的训练功能。首先，我们加载预训练的 VGG16 模型，并设置微调配置。然后，我们使用迁移学习的方法，将预训练的模型进行微调，以适应人脸识别的任务。接着，我们加载数据集，并创建数据集迭代器。最后，我们使用迭代器对模型进行训练。

6.3 模型部署

java 复制代码 
import org.deeplearning4j.nn.graph.ComputationGraph;
import org.deeplearning4j.zoo.ZooModel;
import org.deeplearning4j.zoo.model.VGG16;
import org.nd4j.linalg.dataset.api.iterator.DataSetIterator;
import org.nd4j.linalg.factory.Nd4j;
import org.slf4j.Logger;
import org.slf4j.LoggerFactory;
import org.springframework.boot.SpringApplication;
import org.springframework.boot.autoconfigure.SpringBootApplication;
import org.springframework.http.HttpStatus;
import org.springframework.http.ResponseEntity;
import org.springframework.web.bind.annotation.PostMapping;
import org.springframework.web.bind.annotation.RequestParam;
import org.springframework.web.bind.annotation.RestController;
import org.springframework.web.multipart.MultipartFile;

import java.io.File;
import java.io.IOException;

@SpringBootApplication
@RestController
public class FaceRecognitionApplication {

    private static final Logger logger = LoggerFactory.getLogger(FaceRecognitionApplication.class);

    private ComputationGraph model;

    public static void main(String[] args) {
        SpringApplication.run(FaceRecognitionApplication.class, args);
    }

    @PostMapping("/recognize")
    public ResponseEntity<String> recognizeFace(@RequestParam("image") MultipartFile imageFile) {
        try {
            // 加载模型（如果尚未加载）
            if (model == null) {
                model = FaceRecognitionTrainer.trainModel("dataset", 10);
            }

            // 保存上传的图像文件
            File tempFile = File.createTempFile("temp", ".jpg");
            imageFile.transferTo(tempFile);

            // 预处理图像
            double[] pixels = ImagePreprocessor.preprocessImage(tempFile.getAbsolutePath());

            // 进行人脸识别
            int prediction = predictFace(pixels);

            // 返回识别结果
            return new ResponseEntity<>("Recognized face as employee " + prediction, HttpStatus.OK);
        } catch (IOException e) {
            logger.error("Error recognizing face: {}", e.getMessage());
            return new ResponseEntity<>("Error recognizing face", HttpStatus.INTERNAL_SERVER_ERROR);
        }
    }

    private int predictFace(double[] pixels) {
        double[] output = model.outputSingle(pixels);
        int prediction = Nd4j.argMax(output).getInt(0);
        return prediction;
    }
}

这段代码实现了将训练好的人脸识别模型部署为一个 RESTful API 的功能。我们使用 Spring Boot 构建了一个后端服务，并在服务中加载训练好的模型。当接收到前端应用上传的图像文件时，我们对图像进行预处理，并使用模型进行人脸识别。最后，我们将识别结果返回给前端应用。

七、单元测试

7.1 图像预处理测试

java 复制代码 
import org.junit.jupiter.api.Test;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertNotNull;

public class ImagePreprocessorTest {

    @Test
    public void testPreprocessImage() {
        double[] pixels = ImagePreprocessor.preprocessImage("test.jpg");
        assertNotNull(pixels);
    }
}

这段代码对图像预处理功能进行了单元测试。我们使用一个测试图像文件，并调用ImagePreprocessor.preprocessImage方法对图像进行预处理。然后，我们检查返回的像素数组是否不为空。

7.2 模型训练测试

java 复制代码 
import org.junit.jupiter.api.Test;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertNotNull;

public class FaceRecognitionTrainerTest {

    @Test
    public void testTrainModel() {
        ComputationGraph model = FaceRecognitionTrainer.trainModel("dataset", 10);
        assertNotNull(model);
    }
}

这段代码对模型训练功能进行了单元测试。我们使用一个测试数据集，并调用FaceRecognitionTrainer.trainModel方法对模型进行训练。然后，我们检查返回的模型是否不为空。

7.3 模型部署测试

java 复制代码 
import org.junit.jupiter.api.Test;
import org.springframework.boot.test.context.SpringBootTest;
import org.springframework.http.HttpStatus;
import org.springframework.http.ResponseEntity;
import org.springframework.mock.web.MockMultipartFile;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import static org.junit.jupiter.api.Assertions.assertEquals;

@SpringBootTest
public class FaceRecognitionApplicationTest {

    @Test
    public void testRecognizeFace() throws IOException {
        FaceRecognitionApplication application = new FaceRecognitionApplication();
        FileInputStream fis = new FileInputStream("test.jpg");
        MockMultipartFile imageFile = new MockMultipartFile("image", "test.jpg", "image/jpeg", fis);
        ResponseEntity<String> response = application.recognizeFace(imageFile);
        assertEquals(HttpStatus.OK, response.getStatusCode());
    }
}

这段代码对模型部署功能进行了单元测试。我们使用一个测试图像文件，并模拟前端应用上传图像文件的请求。然后，我们检查返回的响应状态码是否为 200（OK）。

八、预期输出

  1. 图像预处理：经过图像预处理后，图像的像素值应该在 0 到 1 之间，并且图像的大小应该符合模型的输入要求。
  2. 模型训练：在模型训练过程中，我们可以观察到模型的损失函数和准确率的变化情况。随着训练的进行，损失函数应该逐渐减小，准确率应该逐渐提高。
  3. 模型部署：当我们上传一张员工的面部图像时，后端服务应该能够快速准确地识别出该员工的身份，并返回相应的识别结果。

九、参考资料文献

  1. Deeplearning4j 官方文档
  2. Spring Boot 官方文档
  3. 卷积神经网络介绍
  4. 人脸识别技术介绍
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