人脸检测与对齐：MTCNN算法详解

论文：Joint Face Detection and Alignment using Multi-task Cascaded Convolutional Networks

论文链接：https://arxiv.org/abs/1604.02878

推荐代码实现mxnet:https://github.com/pangyupo/mxnet_mtcnn_face_detection

最近突然对人脸检测非常感兴趣。根据网上的总结，发现MTCNN的效果应该还蛮不错的，所以仔细研读了这篇论文，在这里总结一下，如果有错误还请批评指正。其中有参考博客https://blog.csdn.net/u014380165/article/details/78906898，里面针对mxnet代码实现部分讲解的非常详细。

1.介绍

MTCNN是一种Multi-task的人脸检测模型，同时进行人脸检测和人脸对齐（即人脸特征点检测）。模型采用了三个CNN级联的方式，并且提出了online hard sample mining方法进行训练。该 算法  有三个阶段组成：第一阶段，浅层的CNN快速产生候选框；第二阶段，通过更复杂的CNN精炼候选框，丢弃大量的重叠候选框；第三阶段，使用更加强大的CNN，实现候选框去留，同时显示五个面部关键点定位。是一种由粗到细的检测方式。

2.网络结构

算法整体流程如下：

起初：先对图像做了multi scale的resize，构成了图像金字塔，然后这些不同scale的图像作为stage1的输入进行训练，目的是为了可以检测不同scale的人脸。

stage1）Proposal Network (P-Net)：主要是用来生成候选框（bounding boxes），采用全卷积神经网络，获得候选框和边界回归向量。同时，候选框根据边界框进行校准。然后，利用NMS方法去除重叠窗体。

stage2）Refine Network (R-Net)：主要用来去除大量的非人脸框。这一步的输入是前面P-Net生成的bounding box，通过resize操作调整每个bounding box的大小都是24*24。同样在测试的时候这一步的输出只有M个bounding box的4个坐标信息和score，继续使用Bounding box regression  和NMS合并，由于比P-Net多了一个全连接层，所以可以更好的去掉那些false-positive区域。

stage3）Output Network (O-Net)：该层在R-Net的基础上多了一层卷积层，所以处理的结果会更加精细。作用和R-Net层作用一样。输入的是R-net输出的bounding box，大小调整为48*48，输出包含P个bounding box的4个坐标信息、score和关键点（landmark）信息。

详细的网络结构如下：

3. 模型训练  

在网络结构中，可以看出，模型训练分为三部分，分别为人脸分类训练，bbox坐标回归训练，landmark定位训练。

1）人脸分类

是一个二分类任务，采用交叉熵损失函数，其 yi  表示预测值，yi_det表示真实值。

2）bbox坐标回归训练

通过欧式距离来计算回归损失，其中y为一个（左上角x，左上角y，长，宽）组成的四 元组  ，y_hat表示网络预测值，y表示真实边框的坐标。

3）landmark定位训练

和边框坐标回归一样，计算网络预测的特征点位置和实际真实特征点位置的欧式距离，并最小化该距离。其中y_hat为通过网络预测得到，y为实际的真实的特征点坐标。一个有五个特征点，所以y属于十元组。

4）多任务训练

可想而知，并不是每个输入都要经历上述三次损失训练，比如只含有背景的bbox只需要经历交叉熵损失训练结课，不需要经历其他损失。所以引入了下面的公式来针对不同的输入计算不同的损失。

表示任务的重要性，表示样本标签（在于标记非人脸的输入，只需要计算分类损失）。可见在P-Net和R-Net中，关键点的损失权重（α）要小于O-Net部分，这是因为前两个极端重点在于过滤掉非人脸的bbox。

5）online hard sample mining

本文采用online hard sample mining的方法。具体的方法是在每个mini-batch中，取loss最大的70%样本进行反向传播，忽略那些简单的样本。重点针对那些很难被分类的样本，使得每次传播的数据都是非常 有效的  。

4.实验部分

论文使用三个数据集进行训练：FDDB，Wider Face，AFLW

为了更好地进行上述三种训练，本文将数据分成4种：

Negative：非人脸

   Positive：人脸

   Part faces：部分人脸

   Landmark face：标记好特征点的人脸

Negative和Positive用于人脸分类，positive和part faces用于bounding box regression，landmark face用于特征点定位。

5.总结

本文的人脸检测和人脸特征点定位的效果都非常好。关键是这个算法速度很快，在2.6GHZ的CPU上达到16fps，在 Nvidia Titan达到99fps。

本文使用一种级联的结构进行人脸检测和特征点检测，而且提出了一种有效的训练方法online hard sample mining，运行速度较快，可以考虑在移动设备上使用。

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