CN111507241A - 一种轻量级网络课堂表情监测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种轻量级网络课堂表情监测方法,采集学生面部图片,将眼睛、嘴巴和眉毛的不同动作组合对应不同的表情,得到图像训练集;使用宽度学习网络结构的图像训练集训练课堂表情监测模型;拍摄课堂中学生的面部表情,得到面部特征的静态图像;将静态图像输入到课堂表情监测模型中,获得输出值,确定在图像中学生的表情所属的表情模式。本发明表情识别结果更加有效,表情模式的识别更准确,运行成本及技术难度低。
Description
技术领域
本发明涉及一种表情监测方法,属于图像处理领域。
背景技术
网络课堂是近些年快速兴起的一种课程形式,在全球范围内获得了政府、高校和企业的高度重视,成为推动高等教育变革的重要力量。网络课堂利用视频传播的快速性和便捷性,实现授课过程的大规模传播,并针对视频单向传播带来的教学反馈不足的问题,引入交互式练习。但是交互式练习所提供的教学反馈能力与传统线下面授课过程相比仍显不足。线下课程中,授课者可以通过学生的面部表情和通过对学生提问获得反馈,从而做出及时的教学调整,网络课堂还无法做到这一点。
基于深度学习的神经网络是课堂表情监测的一个可行的方向,但随着网络课堂的推广,每个课堂可能存在大量的学生,那么想要设计一个识别率较高的***就需要层次更深的神经网络,这会带来计算量太过巨大、训练时间过长、消耗内存过多的困扰,另一方面,层次更深的深度结构网络涉及大量的权重、参数,这让我们不得不持续的调整网络的权重、参数以便达到网络最好的训练结果。
而采用宽度学习进行表情识别,可实现实时在线学习,训练速度快,与深度学习***在高性能GPU服务器中几十小时或几天的训练相比,宽度学习***可以在几十秒或几分钟内轻松构建,比深度学习快1000-2000倍,即使在普通计算机中也是如此。在识别过程中,也无需依赖高性能计算设备便可实现高精度识别结果,并且不需要持续的调整网络的权重、参数。所以,宽度学习***,与深度学习***相比,极大的降低了成本和技术难度,既不需要昂贵的GPU服务器,也不需要技术人员反复的调参。
发明内容
为了克服现有技术的不足,本发明提供一种轻量级网络课堂表情监测方法,表情识别结果更加快速有效,运行成本及技术难度低。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案包括以下步骤:
S1,采集学生面部图片,对面部图片中眼睛、嘴巴、眉毛的位置进行标注,并对各个部位动作表情标注其动作模式,将眼睛、嘴巴和眉毛的不同动作组合对应不同的表情,得到图像训练集;
S2,使用步骤S1得到的图像训练集训练课堂表情监测模型;所述课堂表情监测模型为宽度学习网络结构,为两层网络,包括输入层和输出层;
S3,拍摄课堂中学生的面部表情,得到学生面部表情的实时视频;
S4,对实时视频进行分帧处理,转换为具有学生面部特征的静态图像;
S5,将步骤S4得到的静态图像输入到课堂表情监测模型中,获得输出值,确定在图像中学生的表情所属的表情模式。
所述的步骤S1中,当嘴巴无动作时,眼睛无动作和眉毛无动作对应正常表情,眼睛无动作和皱眉对应思考表情,闭眼动作和眉毛无动作对应无聊表情,闭眼动作和皱眉对应思考表情,瞪眼动作和眉毛无动作对应愤怒表情,瞪眼动作和皱眉对应愤怒表情,瞪眼动作和挑眉对应惊讶表情;当嘴巴做出偏于思考或悲伤的抿嘴动作时,眼睛无动作和眉毛无动作对应思考表情,眼睛无动作和皱眉对应思考表情,闭眼动作和眉毛无动作对应悲伤表情,闭眼动作和皱眉对应悲伤表情,瞪眼动作和皱眉对应愤怒表情,瞪眼动作和挑眉对应愤怒表情;当嘴巴做出偏于愤怒的抿嘴动作时,眼睛和眉毛的所有动作都对应愤怒表情;当嘴巴做出咧嘴动作时,眼睛无动作和眉毛无动作对应悲伤表情,眼睛无动作和皱眉或挑眉都对应高兴表情,闭眼动作和眉毛无动作对应悲伤表情,闭眼动作和皱眉或挑眉都对应高兴表情,瞪眼动作和眉毛无动作对应无聊表情,瞪眼动作和挑眉对应惊讶表情。
所述的步骤S2中,将图像训练集输入,由宽度学习***提取图像训练集中图像的特征生成特征节点和特征节点的增强节点,共同作为所述面部表情图像监测模型的输入层;
此时课堂表情监测模型的输出值Y=[Zn|Hm]Wm,整个课堂表情监测模型的权重参数Wm通过伪逆得到结果,Wm=(V3T*V3+In+m*c)-1*V3T*Y,其中,c为正则化参数,V3是特征节点与增强节点列拼接。
所述步骤S2中,提取图像训练集中图像的特征生成特征节点和特征节点的增强节点,共同作为所述面部表情监测模型的输入层的具体步骤如下:
设Tp×q为图像训练集的训练数据,每个元素都是像素里的数据,p为样本个数,q为样本图像像素总数,对Tp×q进行Z分数标准化;对Tp×q进行增广,Tp×q最后增加一列,增加的一列是矩阵相乘后等号右边的结果,变为T1(p×(q+1));
生成(q+1)×N1随机权重矩阵We,其中N1是每个窗口特征节点的个数,We取值在(0,1)之间呈均匀分布,得到特征节点H1,H1=T1×We,T1即T1(p×(q+1))),之后进行归一化处理;
对H1进行稀疏表示,找到稀疏矩阵Wβ,使得T1×Wβ=H1,则当前窗口的特征节点为V1=normal(T1×Wβ),normal表示归一化;
把上述生成特征节点步骤迭代N2次,得到的特征节点矩阵y为一个p×(N2×N1)的矩阵;
特征节点矩阵y增加偏置项并进行标准化,得到H2;
设N3为增强节点数,则增强节点的系数矩阵Wh为大小为(N1×N2+1)×N3且经过正交规范化的随机矩阵;
其中,s为增强节点的缩放尺度,tan sig是BP神经网络中常用的激活函数;
得到输入层V3=[y V2],每个样本的特征维度为N1×N2+N3。
本发明的有益效果是:
1)六种基本表情模式为快乐、伤心、恐惧、愤怒、惊讶和厌恶,但在课堂中出现恐惧与厌恶的表情概率较小,即使出现,大多与课程的内容无关,因此,将恐惧和厌恶从表情模式中去掉,将出现频率较高的思考、无聊和正常添加到表情识别的结果中,使表情识别结果更加有效。
2)本发明是基于宽度学习***的网络课堂面部表情监测方法,而宽度学习架构层次较浅,不需要GPU服务器和大量的训练时间,在普通计算机上几十分钟即可完成训练;也不需要持续的调整权重及参数,较为简便。因此,本发明运行成本及技术难度低,在普通学校也可部署。
3)通过对动作模式的组合得到表情模式,使表情模式的识别更准确。
基于上述理由本发明可在课堂学生行为监测领域广泛应用。
附图说明
图1是本发明的宽度学习***结构图。
图2是本发明的实施例过程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明,本发明包括但不仅限于下述实施例。
本发明提供一种基于宽度学习神经网络的轻量级网络课堂表情监测方法,包括如下步骤:
S1、创建宽度学习图像训练集;
通过拍摄设备,采集学生面部图片;
制作面部表情图片的标签:使用软件VGG Image Annotator对面部图片中眼睛、嘴巴、眉毛的位置进行人工标注。首先通过软件手动框选出各个部位并对各个部位动作表情添加标注,添加的标注即其动作模式。对动作模式的判定取决于标注者,眼睛及眉毛的动作模式判定可以直观的判断出来,而对于嘴巴的动作模式,尤其是偏于思考的抿嘴和偏于愤怒的抿嘴,则需要标注者对图片中整体的表情进行判断,再将判断结果反映在标注中。再根据表1对整体的面部表情模式进行标注;
表1动作模式与表情模式的映射关系表
S2、基于宽度学习训练面部表情监测模型;
使用步骤S1得到的图像训练集,即所有完成标注的图片,训练课堂表情监测模型。所述课堂表情监测模型为宽度学习网络结构,为两层网络,包括输入层和输出层;
将图像训练集输入,由宽度学习***提取图像训练集中图像的特征生成特征节点和特征节点的增强节点,共同作为所述面部表情图像监测模型的输入层;
若产生n个特征节点,表达如下:
给定记号Zi≡[Z1...Zi]表示所有的输入的图像训练集中的图像数据映射的特征节点;
此时所述图像识别模型用如下公式表示:
整个所述面部表情监测模型的权重参数Wm通过伪逆得到结果,设Y为所述面部表情监测模型的输出值,即:
Y=V3×Wm;
则通过伪逆得:
Wm=(V3T*V3+In+m*c)-1*V3T*Y,其中,c为正则化参数,V3是特征节点与增强节点列拼接,共同作为输入层,表达式为:
V3=(ZnHm);
在所述面部表情监测模型训练过程中,Y的值为训练集给定输出值;
求解得到Wm,所述面部表情监测模型的训练完成(Y由人工调参设定,宽度学习需要调的参数少,并不是完全不需要调参,而是只需调一次即可,训练时间短,后续的在线学习是增量学习,所以与在线学习不冲突);
S3、通过拍摄设备对课堂中学生的面部表情进行拍摄,得到学生面部表情的实时视频;
S4、对实时视频进行分帧处理,每隔五秒取一张图像,使其转换为具有学生面部特征的t帧静态图像;
S5、基于宽度学习***的面部表情监测机制
将步骤S4得到的静态图像都输入到所述面部表情监测模型中,获得输出值,以确定在图像中学生的表情所属的表情模式。
所述步骤S2中,提取图像训练集中图像的特征生成特征节点和特征节点的增强节点,共同作为所述面部表情监测模型的输入层的具体步骤如下:
S21、建立输入数据的特征节点映射:
设Tp×q为图像训练集的训练数据,p为样本个数,q为样本图像像素总数,对Tp×q进行Z分数标准化;为了在生成特征节点时可以直接通过矩阵运算增加偏置项,对Tp×q进行增广,Tp×q最后增加一列(每个元素都是像素里的数据,增加的一列是矩阵相乘后等号右边的结果)),变为T1(p×(q+1));
S22、生成每个窗口的特征节点:
生成随机权重矩阵We,We是一个(q+1)×N1的随机权重矩阵,其中N1是每个窗口特征节点的个数,We取值(0,1)之间呈均匀分布,得到特征节点H1,H1=T1×We(T1即T1(p×(q+1))),之后进行归一化处理;
对H1进行稀疏表示,采用lasso方法找到稀疏矩阵Wβ,使得T1×Wβ=H1,则当前窗口的特征节点为V1=normal(T1×Wβ),normal表示归一化;
设N2为迭代次数;并把上述生成特征节点步骤迭代N2次,得到的特征节点矩阵y为一个p×(N2×N1)的矩阵;
S23、生成增强节点;
特征节点矩阵y增加偏置项并进行标准化,得到H2;
设N3为增强节点数,则增强节点的系数矩阵Wh为大小为(N1×N2+1)×N3且经过正交规范化的随机矩阵;
对增强节点进行激活,则:
其中,s为增强节点的缩放尺度,tan sig是BP神经网络中常用的激活函数,可以最大程度将增强节点所表达的特征进行激活;增强节点不用稀疏表示,也不用窗口迭代;
S24、得到输入层V3=[y V2],每个样本的特征维度为N1×N2+N3。
Claims (4)
1.一种轻量级网络课堂表情监测方法,其特征在于包括以下步骤:
S1,采集学生面部图片,对面部图片中眼睛、嘴巴、眉毛的位置进行标注,并对各个部位动作表情标注其动作模式,将眼睛、嘴巴和眉毛的不同动作组合对应不同的表情,得到图像训练集;
S2,使用步骤S1得到的图像训练集训练课堂表情监测模型;所述课堂表情监测模型为宽度学习网络结构,为两层网络,包括输入层和输出层;
S3,拍摄课堂中学生的面部表情,得到学生面部表情的实时视频;
S4,对实时视频进行分帧处理,转换为具有学生面部特征的静态图像;
S5,将步骤S4得到的静态图像输入到课堂表情监测模型中,获得输出值,确定在图像中学生的表情所属的表情模式。
2.根据权利要求1所述的轻量级网络课堂表情监测方法,其特征在于:所述的步骤S1中,当嘴巴无动作时,眼睛无动作和眉毛无动作对应正常表情,眼睛无动作和皱眉对应思考表情,闭眼动作和眉毛无动作对应无聊表情,闭眼动作和皱眉对应思考表情,瞪眼动作和眉毛无动作对应愤怒表情,瞪眼动作和皱眉对应愤怒表情,瞪眼动作和挑眉对应惊讶表情;当嘴巴做出偏于思考或悲伤的抿嘴动作时,眼睛无动作和眉毛无动作对应思考表情,眼睛无动作和皱眉对应思考表情,闭眼动作和眉毛无动作对应悲伤表情,闭眼动作和皱眉对应悲伤表情,瞪眼动作和皱眉对应愤怒表情,瞪眼动作和挑眉对应愤怒表情;当嘴巴做出偏于愤怒的抿嘴动作时,眼睛和眉毛的所有动作都对应愤怒表情;当嘴巴做出咧嘴动作时,眼睛无动作和眉毛无动作对应悲伤表情,眼睛无动作和皱眉或挑眉都对应高兴表情,闭眼动作和眉毛无动作对应悲伤表情,闭眼动作和皱眉或挑眉都对应高兴表情,瞪眼动作和眉毛无动作对应无聊表情,瞪眼动作和挑眉对应惊讶表情。
3.根据权利要求1所述的轻量级网络课堂表情监测方法,其特征在于:所述的步骤S2中,将图像训练集输入,由宽度学习***提取图像训练集中图像的特征生成特征节点和特征节点的增强节点,共同作为所述面部表情图像监测模型的输入层;
特征节点由图像训练集中的图像数据X映射得到,若产生n个特征节点,则特征节点i=1,...,n;其中,和分别是随机产生的权重系数和偏置项;给定记号Zi≡[Z1...Zi]表示所有的图像训练集中的图像数据映射的特征节点;
此时课堂表情监测模型的输出值Y=[Zn|Hm]Wm,整个课堂表情监测模型的权重参数Wm通过伪逆得到结果,Wm=(V3T*V3+In+m*c)-1*V3T*Y,其中,c为正则化参数,V3是特征节点与增强节点列拼接。
4.根据权利要求3所述的轻量级网络课堂表情监测方法,其特征在于:所述步骤S2中,提取图像训练集中图像的特征生成特征节点和特征节点的增强节点,共同作为所述面部表情监测模型的输入层的具体步骤如下:
设Tp×q为图像训练集的训练数据,每个元素都是像素里的数据,p为样本个数,q为样本图像像素总数,对Tp×q进行Z分数标准化;对Tp×q进行增广,Tp×q最后增加一列,增加的一列是矩阵相乘后等号右边的结果,变为T1(p×(q+1));
生成(q+1)×N1随机权重矩阵We,其中N1是每个窗口特征节点的个数,We取值在(0,1)之间呈均匀分布,得到特征节点H1,H1=T1×We,T1即T1(p×(q+1))),之后进行归一化处理;
对H1进行稀疏表示,找到稀疏矩阵Wβ,使得T1×Wβ=H1,则当前窗口的特征节点为V1=normal(T1×Wβ),normal表示归一化;
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