什么樣的算法才是好算法？

真正能實(shí)用的算法才是最好的算法！

這需要實(shí)現(xiàn)三個(gè)目標(biāo)：精度高、速度快、模型小！

近期，arXiv新發(fā)布的文章《PFLD: A Practical Facial Landmark Detector》，則是實(shí)用人臉特征點(diǎn)檢測算法的典范。

PFLD算法，目前主流數(shù)據(jù)集上達(dá)到最高精度、ARM安卓機(jī)140fps，模型大小僅2.1M!

這篇新出的論文，必將成為人臉特征點(diǎn)檢測領(lǐng)域的重要文獻(xiàn)，今天我們就一起來探究一下，PFLD算法到底有什么黑科技。

作者信息：

作者分別來自天津大學(xué)、武漢大學(xué)、騰訊AI實(shí)驗(yàn)室、美國天普大學(xué)。

感謝各位大牛!

人臉特征點(diǎn)檢測的挑戰(zhàn)

作者首先從算法實(shí)用性角度討論了人臉特征點(diǎn)檢測問題的面臨的挑戰(zhàn)。

• Challenge #1 - Local Variation

人臉表情變化很大，真實(shí)環(huán)境光照復(fù)雜，而且現(xiàn)實(shí)中大量存在人臉局部被遮擋的情況等。

• Challenge #2 - Global Variation

人臉是 3D 的，位姿變化多樣，另外因拍攝設(shè)備和環(huán)境影響，成像質(zhì)量也有好有壞。

• Challenge #3 - Data Imbalance

現(xiàn)有訓(xùn)練樣本各個(gè)類別存在不平衡的問題。

• Challenge #4 - Model Efficiency

在計(jì)算受限的設(shè)備比如手機(jī)終端，必須要考慮計(jì)算速度和模型文件大小問題。

算法思想

作者使用的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如下：

其中，

黃色曲線包圍的是主網(wǎng)絡(luò)，用于預(yù)測特征點(diǎn)的位置；

綠色曲線包圍的部分為輔網(wǎng)絡(luò)，在訓(xùn)練時(shí)預(yù)測人臉姿態(tài)（有文獻(xiàn)表明給網(wǎng)絡(luò)加這個(gè)輔助任務(wù)可以提高定位精度，具體參考原論文），這部分在測試時(shí)不需要。

作者主要用兩種方法，解決上述問題。

對于上述影響精度的挑戰(zhàn)，修改loss函數(shù)在訓(xùn)練時(shí)關(guān)注那些稀有樣本，而提高計(jì)算速度和減小模型size則是使用輕量級模型。

• Loss函數(shù)設(shè)計(jì)

Loss函數(shù)用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在每次訓(xùn)練時(shí)預(yù)測的形狀和標(biāo)注形狀的誤差。

考慮到樣本的不平衡，作者希望能對那些稀有樣本賦予更高的權(quán)重，這種加權(quán)的Loss函數(shù)被表達(dá)為：

M為樣本個(gè)數(shù)，N為特征點(diǎn)個(gè)數(shù)，Yn為不同的權(quán)重，|| * ||為特征點(diǎn)的距離度量（L1或L2距離）。(以Y代替公式里的希臘字母)

進(jìn)一步細(xì)化Yn:

其中

即為最終的樣本權(quán)重。

K=3，這一項(xiàng)代表著人臉姿態(tài)的三個(gè)維度，即yaw, pitch, roll 角度，可見角度越高，權(quán)重越大。

C為不同的人臉類別數(shù)，作者將人臉分成多個(gè)類別，比如側(cè)臉、正臉、抬頭、低頭、表情、遮擋等，w為與類別對應(yīng)的給定權(quán)重，如果某類別樣本少則給定權(quán)重大。

• 主網(wǎng)絡(luò)

作者使用輕量級的MobileNet，其參數(shù)如下：

• 輔網(wǎng)絡(luò)

參數(shù)如下：

實(shí)驗(yàn)結(jié)果

作者在主流人臉特征點(diǎn)數(shù)據(jù)集300W,AFLW上測試了精度，盡管看起來上述模型很簡單，但超過了以往文獻(xiàn)的最高精度！

下圖是在300W上的CED，完美將其他算法的曲線壓在下面。

下圖為在300W數(shù)據(jù)集上不同評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)IPNIOP精度比較結(jié)果，依然是最棒的。

其中PFLD 1X是標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)，PFLD 0.25X是MobileNet blocks width 參數(shù)設(shè)為0.25的壓縮網(wǎng)絡(luò)，PFLD 1X+是在WFLW數(shù)據(jù)集上預(yù)訓(xùn)練的網(wǎng)絡(luò)。

值得一提的是表格中LAB算法，是CVPR2018上出現(xiàn)的優(yōu)秀算法，之前一直是state-of-the-art。感興趣的朋友可以參考52CV當(dāng)時(shí)的報(bào)道：重磅！清華&商湯開源CVPR2018超高精度人臉對齊算法LAB 。

下圖是該算法在AFLW數(shù)據(jù)集上與其他算法的精度比較：

同樣是達(dá)到了新高度！

下面來看一下算法處理速度和模型大小，圖中C代表i7-6700K CPU,G代表080 Ti GPU，G*代表Titan X GPU，A代表移動(dòng)平臺Qualcomm ARM 845處理器。

PFDL同樣是異乎優(yōu)秀！與精度差別很小的LAB算法相比，CPU上的速度提高了2000倍！

下面是一些特征點(diǎn)檢測示例，盡管很多樣本難度很大，但PFLD依然給出了可以接受的結(jié)果。

作者沒有開源代碼，但給出了Android應(yīng)用 APK 和Android工程（算法封裝在bin文件里）。

這個(gè)算法實(shí)在是太吸引人了，你是不是也想試一下呢？