RetinaFace论文解读 --- RetinaFace: Single-stage Dense Face Localisation in the Wild

论文:https://arxiv.org/pdf/1905.00641.pdf
代码:https://github.com/deepinsight/insightface/tree/master/RetinaFace
Pytorch复现:https://github.com/biubug6/Pytorch_Retinaface

RetinaFace于19年5月份出现,当时取得了state-of-the-art,可以说是目前开源的最强人脸检测算法,它主要在以下五个方面作出贡献:

  • 在single-stage设计的基础上,提出了一种新的基于像素级的人脸定位方法RetinaFace,该方法采用多任务学习策略,同时预测人脸评分人脸框五个人脸关键点以及每个人脸像素的三维位置和对应关系

  • 在WILDER FACE hard子集上,RetinaFace的性能比目前the state of the art的two-stage方法(ISRN)的AP高出1.1% (AP等于91.4%)。

  • 在IJB-C数据集上,RetinaFace有助于提高ArcFace的验证精度(FAR=1e-6时TAR等于89:59%)。这表明更好的人脸定位可以显著提高人脸识别。

  • 通过使用轻量级backbone网络,RetinaFace可以在VGA分辨率的图片上实时运行

  • 已经发布了额外的注释和代码,以方便将来的研究

RetinaFace

与一般的目标检测不同,人脸检测具有较小的比例变化(从1:1到1:1.5),但更大的尺度变化(从几个像素到数千像素)。目前most state-of-the-art 的方法集中于single-stage设计,该设计密集采样人脸在特征金字塔上的位置和尺度,与two-stage方法相比,表现出良好的性能和更快的速度。在此基础上,我们改进了single-stage人脸检测框架,并利用强监督和自监督信号的多任务损失,提出了一种most state-of-the-art的密集人脸定位方法。RetinaFace的想法如图1所示。

RetinaFace论文解读 --- RetinaFace: Single-stage Dense Face Localisation in the Wild_第1张图片
由上图可以看到,RetinaFace的detect head有四个并行的分支:人脸分类,框回归,关键点检测和人脸像素的三维位置和对应关系

RetinaFace的大致结构如下图:
RetinaFace论文解读 --- RetinaFace: Single-stage Dense Face Localisation in the Wild_第2张图片

一共有四个模块,分别是Backbone,FPN,Context ModuleMulti-task Loss。其中Multi-task Loss对应图1的四个并行分支Loss。

Implementation details

FPN
RetinaFace采用从P2到P6的特征金字塔层,其中P2到P5通过使用自顶向下和横向连接(如[28,29])计算相应的ResNet残差阶段(C2到C5)的输出。P6是在C5处通过一个步长2的3x3卷积计算得到到。C1-C5是在ImageNet-11k数据集上预先训练好的ResNet-152[21]分类网络,P6是用“Xavier”方法[17]随机初始化的。

Context Module
RetinaFace在五个特征金字塔层应用单独的上下文模块来提高 感受野并增加刚性上下文建模的能力。从2018年 WIDER Face 冠军方案中受到的启发, 我们也在横向连接和使用可变形卷积网络(DCN)的上下文模块中替换所有 3x3的卷积,进一步加强非刚性的上下文建模能力。

Multi-task Loss
对于任何训练的anchor i,RetinaFace的目标是最小化下面的多任务的 loss:
在这里插入图片描述
包含四个部分:

  • 人脸分类loss Lcls(pi,pi*)。这里的pi是anchor i为人脸的预测概率,对于pi * 是1是positive anchor,0代表为negative anchor。分类loss Lcls采用softmax loss,即softmax loss在二分类的情况(人脸/非人脸)的应用。
  • 人脸框回归loss,Lbox(ti,ti*),这里的ti={tx,ty,tw,th},ti * ={tx *,ty *,tw * ,th *}分别代表positive anchor相关的预测框和真实框(ground-truth box)的坐标。我们按照 Fast r-cnn的方法对回归框目标(中心坐标,宽和高)进行归一化,使用Lbox(ti,ti *)=R(ti-ti *),这里R 是 smooth-L1 Loss
  • 人脸的landmark回归loss Lpts(li,li *),这里li={l x1,l y1,…l x5,l y5},li *={l x1 *,l y1 *,…l x5 *,l y5 *}代表预测的五个人脸关键点和基准点(ground-truth)。五个人脸关键点的回归也采用了基于anchor中心的目标归一化。
  • Dense回归loss Lpixel。

loss调节参数 λ1-λ3 设置为0.25,0.1和0.01,这意味着在监督信号中,RetinaFace增加了边界框和关键点定位的重要性。

anchors设置
RetinaFace论文解读 --- RetinaFace: Single-stage Dense Face Localisation in the Wild_第3张图片
如上表所示,RetinaFace从P2到P6的特征金字塔级别上使用特定于比例的锚点,例如[56]。 在这里,P2旨在通过平铺小anchors来捕获微小的面部,但要花费更多的计算时间,并且要冒更多的误报风险。RetinaFace将scale step设置为2^(1/3),aspect ratio设置为1:1。输入图像大小为 640*640 , anchors可以 覆盖 从16x16 到 406x406的特征金字塔层。从五个下采样(4,8,16,32,64)的feature map平铺anchors,每个feature map中的点预测3个anchors,总共有(160 * 160 + 80 * 80+40 * 40+400+100) * 3 = 102300个anchors,其中75%来自P2。不过在代码中,只用了8,16,32这三个下采样层的输出feature map,且每个点只放两个anchors。

所以,对于640 * 640的输入,32,16,8的下采样输出,每个点的输出是【(1,4,20,20),(1,8,20,20),(1,20,20,20)】,【(1,4,40,40),(1,8,40,40),(1,20,40,40)】,【(1,4,80,80),(1,8,80,80),(1,20,80,80)】。
其中4,8,20分别代表一个点两个anchors的类别数(2 anchors * 2类),(2 anchors * 框的信息),(2 anchors * 5个关键点信息(一个点x,y))

数据增强
WIDER FACE训练集中大约 有 20% 的小人脸 , RetinaFace遵循 [68, 49 ) 并从原始图像随机crop方形patches并调整这些 patches到 640*640 产生更大的训练人脸。更具体地说,在原始图像的短边[0.3,1]之间随机裁剪正方形patches。对于crop边界上的人脸,如果人脸框的中心在crop patches内,则保持人脸框的重叠部分。除了随机裁剪,我们还通过0.5概率的随机水平翻转和光度颜色蒸馏来增加训练数据。

学习率调整
使用warmup learning 策略,学习速率从10e-3,在5个epoch后上升到10e-2,然后在第55和第68个epochs时除以10。训练过程在第80个epochs结束。

实验结果

RetinaFace论文解读 --- RetinaFace: Single-stage Dense Face Localisation in the Wild_第4张图片
RetinaFace与其他24个stage-of-the-art的人脸检测算法对比。RetinaFace在所有的验证集和测试集都达到的最好的AP,在验证集上的AP是96.9%(easy),96.1%(Medium)和91.8%(hard)。在测试集的AP是96.3%,95.6%,91.4%.相比与当前最好的方法(Improved selective refinement network for face detection)在困难的数据集(包含大量的小人脸)的AP对比(91.4% vs 90.3%)。

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Retinaface是人脸识别得到更高的准确率。
RetinaFace论文解读 --- RetinaFace: Single-stage Dense Face Localisation in the Wild_第6张图片
此外,使用轻量Mobilenet-0.25作为backbone,对于VGA可以在CPU上达到实时。

参考
https://mp.weixin.qq.com/s/vGAQ4OXv_jHQJECG27o2SQ
https://blog.csdn.net/TheDayIn_CSDN/article/details/95058236

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