PFLD：简单高效的实用人脸关键点检测算法

作者丨杜敏 

学校丨华中科技大学硕士

研究方向丨模式识别与智能系统

研究背景

人脸关键点检测，在很多人脸相关的任务中，属于基础模块，很关键。比如人脸识别、人脸验证、人脸编辑等等。想做人脸相关的更深层次的应用，人脸关键点是绕不过去的点。正是因为它是一个基础模块，所以对速度很敏感，不能太耗时，否则影响了系统整体的效率。所以对人脸关键点检测的要求是，又准又快。

研究问题

人脸关键点目前存在的问题（不能又准又快）的原因如下：

1. 局部变化：表情、局部特殊光照、部分遮挡，导致一部分关键点偏离了正常的位置，或者不可见了； 

2. 全局变化：人脸姿态、成像质量；

3. 数据不均衡：在人脸数据里面，数据不均衡体现在，大部分是正脸数据，侧脸很少，所以对侧脸、大角度的人脸不太准；

4. 模型效率：在 CNN 的解决方案中，模型效率主要由 backbone 网络决定。 

在实际使用中，人脸关键点的问题主要有两个：1）对“点是否遮挡”判断是否准确；2）对大角度人脸（+-60 度以内）点位置预测的准确性和稳定性。

解决思路

1. 修改 loss，增加关键点的空间约束项（三个姿态角）和数据均衡项；

2. backbone 采用 MobileNet（常规操作）； 

3. 用 auxiliary network，让点位置预测更稳定和鲁棒（常规操作）。

复现指南

模型

损失函数

损失函数的意义在于表示差异，而且能表示真正的距离。特别是当对象本身具备 3D 属性，而仅在 2D 上表示的时候，这样的距离表示就是不准确的。本文作者认为，对于人脸这种对象，人脸 pose（更简单的说是 3 个欧拉角）可以弥补一些人脸 3D 到 2D 的信息损失。具体怎么弥补? 

希望是网络可以学到 3D 姿态的信息，最容易想到的方法是让网络去预测三个角度，这么做是可以的。进一步还能怎么做？把预测的角度损失和点位置损失组合起来，具体的组合方式，比如相加，或者相乘。相加的方式比较类似多任务损失，相乘的方式可以理解为一种加权，因为角度损失一般会归一化到 0-1 之间。 

在实际中又发现，这个角度分布，存在样本不均衡的问题，所以又增加了样本均衡项。

绿色框是预测的角度和 gt 的差值，通过 cos 变成 0-1 之间，通过 (1-x) 操作变成单调增。 

红色框是样本均衡项，作者把人脸分成六类（侧脸，正脸，抬头，低头，有表情，有遮挡），统计了训练集中这六类的数量分布，计算对应的数量比例，比如 1/10，用它的倒数，作为均衡项（用倒数是否合理？是否有点糙？可以考虑 focal loss 和 class-balance loss 的处理方法）。

网络

上面是 auxiliary 网络，预测三个角度，infernce 不参与，和下面的网络，共用一些层。角度预测的 gt，是用一个平均正脸上预先定义的 11 点，和 gt 中的 11 点估计出的旋转角度，作为角度的 gt。

 下面是 backbone + head：

红框是 head，用了多尺度预测，类似 SSD 的做法。

实验

SOTA 比较：和去年的 LAB 方法（Look at Boundary）相比，NME 提升 0.1 个点。 

速度：ARM845 上，一张人脸只要 7ms。backbone 优化，另外一个原因是直接回归位置坐标，而不是常规的 heatmap + offsetr 的方式，无后处理耗时。

Ablation:

对于直接回归位置坐标，本文提出的改进 loss 提升略明显（存疑）。

个人评价

应用决定算法对什么更敏感。人脸关键点终究是一个耗时敏感的问题，为了效率，本文的考虑有如下：

• backbone 采用 MobileNet 

• 直接回归点坐标，省去后处理耗时 

• 用 auxiliary 网络，这个网络再怎么搞，都不会影响 inference 耗时 

• 对 loss 的优化，再怎么玩，都不会影响 inference 耗时 

什么会影响耗时：

• 输入大小 

• inference 涉及的 backbone 和 head 

• target_to_label 的耗时 

所以，像什么对抗损失、模仿学习、加数据训等等方法，都是可以在不改变算力的情况提升模型性能的手段，在工业界常常使用。 

三点想法：

• 如果模型的角度预测分支，放在和位置预测一起出，效果会怎么样？

• 如果人脸的角度不是预测的，是标注的，效果会怎么样？

• 考虑效率的话，输入大小和模型算力配比，是最佳的均衡么？

如果有大神复现了本方法，求分享交流，想知道上面三个问题的答案。

点击以下标题查看更多往期内容： 

#投 稿 通 道#

 让你的论文被更多人看到 

如何才能让更多的优质内容以更短路径到达读者群体，缩短读者寻找优质内容的成本呢？ 答案就是：你不认识的人。

总有一些你不认识的人，知道你想知道的东西。PaperWeekly 或许可以成为一座桥梁，促使不同背景、不同方向的学者和学术灵感相互碰撞，迸发出更多的可能性。 

PaperWeekly 鼓励高校实验室或个人，在我们的平台上分享各类优质内容，可以是最新论文解读，也可以是学习心得或技术干货。我们的目的只有一个，让知识真正流动起来。

📝 来稿标准：

• 稿件确系个人原创作品，来稿需注明作者个人信息（姓名+学校/工作单位+学历/职位+研究方向） 

• 如果文章并非首发，请在投稿时提醒并附上所有已发布链接 

• PaperWeekly 默认每篇文章都是首发，均会添加“原创”标志

📬 投稿邮箱：

• 投稿邮箱：[e-mail] 

• 所有文章配图，请单独在附件中发送 

• 请留下即时联系方式（微信或手机），以便我们在编辑发布时和作者沟通

🔍

现在，在「知乎」也能找到我们了

进入知乎首页搜索「PaperWeekly」

点击「关注」订阅我们的专栏吧

关于PaperWeekly

PaperWeekly 是一个推荐、解读、讨论、报道人工智能前沿论文成果的学术平台。如果你研究或从事 AI 领域，欢迎在公众号后台点击「交流群」，小助手将把你带入 PaperWeekly 的交流群里。

▽ 点击 | 阅读原文 | 下载论文