PFLD：实用的面部关键点检测器技术笔记

Abstract

准确、高效、精简/小型是人脸标记检测器实现实际应用的关键。为了同时考虑这三个问题，本文研究了一个整洁的模型，该模型具有在各种自然环境(例如，不受约束的姿势、表情、光照和遮挡条件)下有前景的检测精度和移动设备上的超级实时速度。更具体地说，本文定制了一个与加速技术相关的端到端单阶段网络。在训练阶段，对于每个样本，旋转信息估计用于几何正则化地标定位，然后不涉及测试阶段。除了考虑几何正则化，还设计了一种新的损失，通过将样本的权重调整到不同的状态，如训练集中的大姿势、极端光照和遮挡，来缓解数据不平衡的问题。本文进行了大量的实验来证明本文的设计的有效性，并揭示了在广泛采用的具有挑战性的基准上，即300W(包括iBUG、LFPW、AFW、HELEN和XM2VTS)和AFLW上，其优于最先进的替代方案的性能。本文的模型可以只有2.1Mb大小，在手机上达到140帧以上(高通ARM 845处理器)的高精度，使其具有大规模或实时应用的吸引力。本文已经在http://sites.google.com/view/xjguo/fld上公开了基于PFLD 0.25X模型的实际系统，用于鼓励来自社区的比较和改进。

1. Introduction

关于关键点检测精度的问题总结为以下三个挑战：

   (1) 局部多变性(多样性)：表情、局部极端光照(如高光和阴影)和遮挡会给人脸图像带来部分变化/干扰；

   (2) 全局多变性(多样性)：姿态和成像质量是影响图像中人脸出现的两个主要因素，当人脸的全局结构被错误估计时，会导致(大量)关键点的定位不良；

   (3) 数据的不平衡：数据分布不平衡关于致使模型/算法不能合理有效地学习数据的特征表示，会影响最终的性能；

   (4) 模型的有效性：适用性方面的两大约束主要是模型大小和对算力的需求；

本文的主要贡献：

   (1) 本文的主要意图/目的是表明一个好的设计可以在达到SOTA的同时，也可以节省大量资源；

   (2) 提出了PFLD算法；

   (3) 对于如何增强算法鲁棒性（几何约束）和数据不平衡问题，本文提出 了一种新的损失；

   (4) 使用MS-FC层以增大接受域和更好的捕获脸部的全局结构；

   (5) 在处理速度和模型紧凑性方面，本文使用MobileNet块构建了PFLD的主干网络；

   (6) 通过大量实验证明了本算法的有效性；

2. Methodology

在本小节中，主要关注以下几方面：

   1.损失方面的设计，目的是以同时关注 Challenges #1，#2和#3；

   2.网络结构细节阐述，以主要关注Challenge #4；

2.2 Backbone Network

Backbone的详细配置如Table 1：

2.3 Auxiliary Network

一个合理/合适的辅助约束对于关键点定位的稳定和鲁棒是有益的。本文提出的辅助网络就起到这样的作用，辅助网络结构如下，且其输入来自backbone的第4块（此处应该指第4个bottleneck，具体细节看代码~）。

2.4 Implementation Details

• 根据给定的bbox先将所有的人脸进行裁剪，并resized到112 * 112；
• batch size为256；
• 优化器是Adam，权重缩减参数：1e-6；动量参数0.9；
• 整个训练过程中，lr被固定为1e-4；
• 显卡：1080Ti；
• 对于300W，在训练数据中使用flip和rotation（-30°，30°，step=5°）增强方式；除此每个样例中均有20%的区域被随机遮挡；
• 对于AFLW，不进行任何增强；
• 对于模型测试阶段中，网络结构中仅使用/包含backbone；

3. Experimental Evaluation

3.1 Experimental Settings

Datasets：300W和AFLW；
评价标准/准则：Normalized Mean Error（NME）与Cumulative Error Distribution Curve（CED）；[详细细节可参考–https://blog.csdn.net/john_bh/article/details/106096775。]

3.2 Experimental Results

Model Size

Processing Speed

   如上图Table3中。（C表示CPU、G表示GPU、A表示高通arm845处理器）。

   在高通arm845处理器上，PFLD 0.25X 模型每7ms检测一张人脸（超过140fps）；PFLD 1.0X每26.4ms检测一张人脸（超过37fps）。
Ablation Study

   主要是为了说明本文新设计loss的有效性。下表中的IPN评价指标具体参考https://blog.csdn.net/john_bh/article/details/106096775。

4. Concluding Remarks

• 人脸关键点检测器要想胜任大规模和/或实时任务，需要关注以下三个方面：精度、效率和模型的轻量/精简；
• 本文提出了一个实用的人脸关键点检测算法：PFLD。其包含两个子网络：主干网络 [主要是以mobilenet blocks构成] 和辅助网络；
• 在网络中还有使用multi-scale的全连接层以增大接受域及捕获人脸结构的能力；
• 为了进一步调整/规范化关键点的定位，本文使用另一分支，即辅助网络，可有效估计旋转信息；
• 考虑到几何正则化和数据不平衡问题，设计了一个新的损失；
• 大量的实验结果证明了本文新设计算法的优越性；

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