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本文中，筆者將介紹OpenFace中實現人臉識別的pipeline，這個pipeline可以看做是使用深度卷積網絡處理人臉問題的一個基本框架，很有學習價值，它的結構如下圖所示：

　　

　　Input Image -> Detect

　　輸入：原始的可能含有人臉的圖像。

　　輸出：人臉位置的bounding box。

　　這一步一般我們稱之為“人臉檢測”(Face Detection)，在OpenFace中，使用的是dlib、OpenCV現有的人臉檢測方法。此方法與深度學習無關，使用的特征是傳統計算機視覺中的方法(一般是Hog、Haar等特征)。

　　對人臉檢測這一步感興趣的可以參考下列資料：

　　dlib的實現：http://blog.dlib.net/2014/02/dlib-186-released-make-your-own-object.html

　　openCV的實現：Face Detection using Haar Cascades

　　Detect -> Transform -> Crop

　　輸入：原始圖像 + 人臉位置bounding box

　　輸出：“校準”過的只含有人臉的圖像

　　對于輸入的原始圖像 + bounding box，這一步要做的事情就是要檢測人臉中的關鍵點，然后根據這些關鍵點對人臉做對齊校準。所謂關鍵點，就是下圖所示的綠色的點，通常是眼角的位置、鼻子的位置、臉的輪廓點等等。有了這些關鍵點后，我們就可以把人臉“校準”，或者說是“對齊”。解釋就是原先人臉可能比較歪，這里根據關鍵點，使用仿射變換將人臉統一“擺正”，盡量去消除姿勢不同帶來的誤差。這一步我們一般叫Face Alignment。

　　

　　在OpenFace中，這一步同樣使用的是傳統方法，特點是比較快，對應的論文是：

　　One Millisecond Face Alignment with an Ensemble of Regression Trees

　　Crop -> Representation

　　輸入：校準后的單張人臉圖像

　　輸出：一個向量表示。

　　這一步就是使用深度卷積網絡，將輸入的人臉圖像，轉換成一個向量的表示。在OpenFace中使用的向量是128x1的，也就是一個128維的向量。

　　我們可以先看一下VGG16的模型：

　　

　　VGG16是深度學習中一個比較簡單的基本模型。輸入神經網絡的是圖像，經過一系列卷積后，全連接分類得到類別概率。

　　

　　在通常的圖像應用中，我們可以去掉全連接層，用計算的特征(一般就是卷積層的最后一層，e.g. 圖中的conv5_3)來當作提取的特征進行計算。但如果對人臉識別問題同樣采用這樣的方法，即，使用卷積層最后一層做為人臉的“向量表示”，效果其實是不好的。如何改進?我們之后再談，這里先談談我們希望這種人臉的“向量表示”應該具有哪些性質。

　　在理想的狀況下，我們希望“向量表示”之間的距離就可以直接反映人臉的相似度：

　　對于同一個人的人臉圖像，對應的向量的歐幾里得距離應該比較小。

　　對于不同人的人臉圖像，對應的向量之間的歐幾里得距離應該比較大。

　　這種表示實際上就可以看做某種“embedding”。在原始的VGG16模型中，我們使用的是softmax損失，沒有對每一類的向量表示之間的距離做出要求。所以不能直接用作人臉表示。

　　舉個例子，使用CNN對MNIST進行分類，我們設計一個特殊的卷積網絡，讓最后一層的向量變為2維，此時可以畫出每一類對應的2維向量表示的圖(圖中一種顏色對應一種類別)：

　　

　　上圖是我們直接使用softmax訓練得到的結果，它就不符合我們希望特征具有的特點：

　　我們希望同一類對應的向量表示盡可能接近。但這里同一類(如紫色)，可能具有很大的類間距離。

　　我們希望不同類對應的向量應該盡可能遠。但在圖中靠中心的位置，各個類別的距離都很近。

　　那么訓練人臉特征表示的正確姿勢是什么?其實有很多種方法。一種方法就是使用“center loss”。centor loss實際上是在softmax的loss上再加入一個損失，這個損失對每一類規定了一個“中心”點，每一類的特征應該離這個中心點比較近，而不同類的中心點離的比較遠。加入center loss后，訓練出的特征大致長這樣：

　　

　　這樣的特征表示就比較符合我們的要求了。center loss的原始論文在這里：http://ydwen.github.io/papers/WenECCV16.pdf 。上面這兩幅圖同樣是從這篇論文中截下來的。

　　順帶一提，除了center loss外。學習人臉特征表示的方法還有很多，如triplet loss(論文地址：A Unified Embedding for Face Recognition and Clustering)。triplet loss直接這樣的用三元組(A的圖像1，A的圖像2，B的圖像)來訓練網絡。去掉了最后的分類層，強迫神經網絡對相同的人臉圖像(三元組中的同一人A)建立統一的表達。

　　實際應用

　　輸入：人臉的向量表示。

　　有了人臉的向量表示后，剩下的問題就非常簡單了。因為這種表示具有相同人對應的向量的距離小，不同人對應的向量距離大的特點。接下來一般的應用有以下幾類：

　　人臉驗證(Face Identification)。就是檢測A、B是否是屬于同一個人。只需要計算向量之間的距離，設定合適的報警閾值(threshold)即可。

　　人臉識別(Face Recognition)。這個應用是最多的，給定一張圖片，檢測數據庫中與之最相似的人臉。顯然可以被轉換為一個求距離的最近鄰問題。

　　人臉聚類(Face Clustering)。在數據庫中對人臉進行聚類，直接K-Means即可。

　　后記

　　以上給大家介紹了OpenFace中處理人臉問題的pipeline。需要特別指出的是，人臉相關的問題是一個比較大的方向，一篇文章顯然是說不清楚的，這里只是基于OpenFace，對比較重要的方法還有名詞做了一個解釋。在OpenFace中，為了速度的考慮，提取人臉特征之前的Face Detection和Face Alignment就是使用的傳統方法。實際上也可以換用精度更高的深度學習相關方法，比如在中科院山世光老師開源的人臉識別引擎seetaface/SeetaFaceEngine中，Face Alignment使用就是一個基于autoencoder網絡的方法。另外，學習人臉特征同樣有適合不同場景的不同方法，這些都是要進一步學習的。

總結

以上是生活随笔為你收集整理的使用OpenFace进行人脸识别(1)的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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