MTCNN

论文题目《Joint Face Detection and Alignment using Multi-task Cascaded Convolutional Networks》

MTCNN提出了一种Multi-task的人脸检测框架，将人脸检测和人脸特征点检测同时进行。论文使用3个CNN级联的方式。

算法流程

当给定一张照片的时候，将其缩放到不同尺度形成图像金字塔，以达到尺度不变。

Stage 1：使用P-Net是一个全卷积网络，用来生成候选窗和边框回归向量(bounding box regression vectors)。使用Bounding box regression的方法来校正这些候选窗，使用非极大值抑制（NMS）合并重叠的候选框。全卷积网络和Faster R-CNN中的RPN一脉相承。

Stage 2：使用N-Net改善候选窗。将通过P-Net的候选窗输入R-Net中，拒绝掉大部分false的窗口，继续使用Bounding box regression和NMS合并。

Stage 3：最后使用O-Net输出最终的人脸框和特征点位置。和第二步类似，但是不同的是生成5个特征点位置。

网络结构

本文使用三个CNN，结构如图：

训练

这个算法需要实现三个任务的学习：人脸非人脸的分类，bounding box regression和人脸特征点定位。

(1)人脸检测

这就是一个分类任务，使用交叉熵损失函数即可：

(2)Bounding box regression

这是一个回归问题，使用平方和损失函数：

(3)人脸特征点定位

这也是一个回归问题，目标是5个特征点与标定好的数据的平方和损失：

(4)多任务训练

不是每个sample都要使用这三种损失函数的，比如对于背景只需要计算交叉熵损失，不需要计算别的损失，这样就需要引入一个指示值指示样本是否需要计算某一项损失。最终的训练目标函数是：

(5)online hard sample mining

传统的难例处理方法是检测过一次以后，手动检测哪些困难的样本无法被分类，本文采用online hard sample mining的方法。具体就是在每个mini-batch中，取loss最大的70%进行反向传播，忽略那些简单的样本。

技术细节

• 重叠度 ( IOU )
  IoU=(A∩B)/A∪B
  就是矩形框A、B的重叠面积占A、B并集的面积比例。

• 非极大值抑制 ( NMS )
  RCNN会从一张图片中找出n个可能是物体的矩形框，然后为每个矩形框为做类别分类概率：

  

  　　就像上面的图片一样，定位一个车辆，最后算法就找出了一堆的方框，我们需要判别哪些矩形框是没用的。非极大值抑制的方法是：先假设有6个矩形框，根据分类器的类别分类概率做排序，假设从小到大属于车辆的概率 分别为A、B、C、D、E、F。
  (1)从最大概率矩形框F开始，分别判断A~E与F的重叠度IOU是否大于某个设定的阈值;
  (2)假设B、D与F的重叠度超过阈值，那么就扔掉B、D；并标记第一个矩形框F，是我们保留下来的。
  (3)从剩下的矩形框A、C、E中，选择概率最大的E，然后判断E与A、C的重叠度，重叠度大于一定的阈值，那么就扔掉；并标记E是我们保留下来的第二个矩形框。就这样一直重复，找到所有被保留下来的矩形框。
  　　非极大值抑制（NMS）顾名思义就是抑制不是极大值的元素，搜索局部的极大值。这个局部代表的是一个邻域，邻域有两个参数可变，一是邻域的维数，二是邻域的大小。这里不讨论通用的NMS算法，而是用于在目标检测中用于提取分数最高的窗口的。例如在行人检测中，滑动窗口经提取特征，经分类器分类识别后，每个窗口都会得到一个分数。但是滑动窗口会导致很多窗口与其他窗口存在包含或者大部分交叉的情况。这时就需要用到NMS来选取那些邻域里分数最高（是行人的概率最大），并且抑制那些分数低的窗口。