基于改進(jìn)Faster-RCNN 的自然場(chǎng)景人臉檢測(cè)

李祥兵，陳 煉

（南昌大學(xué) 信息工程學(xué)院，南昌 330000）

0 概述

人臉檢測(cè)是計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向，其在實(shí)時(shí)監(jiān)控、目標(biāo)跟蹤、安全驗(yàn)證等諸多場(chǎng)景中被廣泛應(yīng)用。在VIOLAJONES 等人構(gòu)建的目標(biāo)檢測(cè)框架［1-2］基礎(chǔ)上，許多關(guān)于人臉檢測(cè)的算法被陸續(xù)提出，這些算法不同程度地提高了人臉檢測(cè)的準(zhǔn)確性。在計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域，早期的研究工作主要集中于提取不同類型的手工特征（如方向梯度直方圖［3］和SURF 算法［4］），并針對(duì)這些特征使用傳統(tǒng)的機(jī)器學(xué)習(xí)方法訓(xùn)練有效的分類器來進(jìn)行檢測(cè)和識(shí)別。但此類方法通常需要研究者設(shè)計(jì)有效的手工特征，并且針對(duì)這些特征進(jìn)行單獨(dú)優(yōu)化，影響了整體的檢測(cè)效果。

近年來，深度學(xué)習(xí)特別是深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像分類、目標(biāo)檢測(cè)和圖像語義分割等方面取得了較多的研究成果。與傳統(tǒng)方法相比，深度學(xué)習(xí)方法避免了手工設(shè)計(jì)特征，這使得模型具有良好的自適應(yīng)能力，提升了模型的泛化能力［5］。因此，基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法被廣泛應(yīng)用于人臉檢測(cè)。

基于目標(biāo)檢測(cè)框架RCNN［6］和深度學(xué)習(xí)的人臉檢測(cè)方法能夠取得良好的檢測(cè)效果。文獻(xiàn)［7］提出的方法結(jié)合了基礎(chǔ)區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)（Region Proposal Network，RPN）和RCNN。文獻(xiàn)［8］提出的多尺度Faster-RCNN 模型將不同層的特征圖進(jìn)行融合，實(shí)現(xiàn)了多尺度人臉檢測(cè)。文獻(xiàn)［9］提出一種改進(jìn)的基于R-FCN 模型的人臉檢測(cè)算法，其根據(jù)人臉位置敏感的特性來提取特征圖以提高人臉檢測(cè)的性能。然而，在自然場(chǎng)景下，人臉圖像常常會(huì)出現(xiàn)尺度過小、人臉過于密集或者人臉重疊等情況。一般而言，從圖像中提取的深層次的特征圖包含高層的語義信息，但是無法表達(dá)準(zhǔn)確的人臉，針對(duì)小尺度或遮擋重疊等情況，卷積最后一層特征圖經(jīng)過映射后迅速縮小，這給人臉檢測(cè)任務(wù)帶來了很大的挑戰(zhàn)，使得檢測(cè)模型在上述情況下表現(xiàn)并不理想。

本文構(gòu)建一種改進(jìn)Faster-RCNN［10］模型用于自然場(chǎng)景人臉檢測(cè)。使用更深層的殘差網(wǎng)絡(luò)ResNet-50代替VGG-16，從而準(zhǔn)確提取人臉特征，同時(shí)采用多尺度融合策略融合低層次和高層次的特征圖，使模型適用于不同尺度的人臉圖像檢測(cè)。進(jìn)一步地，改變?cè)糝PN 中錨框（Anchor）的尺度和長(zhǎng)寬比，以提升算法在小尺度人臉檢測(cè)方面的性能，并使用在線難例挖掘（Online Hard Example Mining，OHEM）［11］、軟非極大抑制（Soft-Non-Maximum Suppression，Soft-NMS）［12］和多尺度訓(xùn)練的方法提升算法對(duì)人臉檢測(cè)的泛化能力。

1 相關(guān)工作

人臉檢測(cè)是計(jì)算機(jī)視覺中最基本和最具挑戰(zhàn)性的問題之一。早期的人臉檢測(cè)算法多基于手工特征和滑動(dòng)窗口，而近年來，基于深度學(xué)習(xí)的方法被廣泛用于人臉檢測(cè)且具有更高的精度。

文獻(xiàn)［1-2］提出使用類似矩形Harr 的特征在一個(gè)級(jí)聯(lián)的Adaboost 分類器中實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的人臉檢測(cè)。但由于特征尺寸較大，在24×24 的檢測(cè)窗口中，類似Harr 的特征數(shù)量多達(dá)160 000 個(gè)。此外，該模型無法有效處理非正面人臉和自然場(chǎng)景人臉。此后，隨著實(shí)際場(chǎng)景中因人臉不同姿態(tài)對(duì)檢測(cè)算法的要求越來越高，研究者陸續(xù)提出新的檢測(cè)方法，包括建立新的局部特征［13］、采用級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的算法［14］和基于多種模型的有效級(jí)聯(lián)模型［15-16］。DPM［17］是另一個(gè)重要的突破，其HOG 特征頂部的可變形部分用于表示目標(biāo)對(duì)象。在DPM 的基礎(chǔ)上，許多其他改進(jìn)策略［18］通過使用受監(jiān)督的組件、更多的姿態(tài)分配和更好的訓(xùn)練方法來提升模型性能。

隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)算法被提出應(yīng)用于人臉檢測(cè)，如Cascade-CNN［19］、MTCNN［20］將卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為滑動(dòng)窗口檢測(cè)器作用在圖像金字塔上來建立特征金字塔。然而，使用圖像金字塔會(huì)減慢檢測(cè)速度并且降低內(nèi)存使用效率。與此類方法不同的是，二階段（Two Stage）檢測(cè)直接在單尺度圖像上提取特征。RCNN［6］通過選擇性搜索（Selective Search）方法［21］獲取候選區(qū)域，然后將候選區(qū)域輸入到卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中提取特征，在此基礎(chǔ)上，使用支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）進(jìn)行分類并采用邊框回歸（Boungding Box Regression）方法確定和校準(zhǔn)目標(biāo)位置。Faster-RCNN［10］、R-FCN［22］使用區(qū)域建議網(wǎng)絡(luò)初始化候選區(qū)域，并利用感興趣區(qū)域池化（ROI-Pooling）和位置敏感池化（Position-Sensitive Pooling）提取每個(gè)感興趣區(qū)域的特征。文獻(xiàn)［23］將Faster-RCNN 應(yīng)用于人臉檢測(cè)中，該方法在FDDB 人臉數(shù)據(jù)集上取得了良好的效果。文獻(xiàn)［24］提出的Face R-FCN通過對(duì)得分圖上的嵌入響應(yīng)重新加權(quán)，并使用位置敏感的平均池化消除了每個(gè)人臉部位對(duì)得分貢獻(xiàn)不均勻的影響。

2 改進(jìn)的Faster-RCNN 模型

本節(jié)提出基于改進(jìn)Faster-RCNN 框架的人臉檢測(cè)模型，通過構(gòu)建多尺度特征圖融合網(wǎng)絡(luò)、增加Anchor 數(shù)量、應(yīng)用在線難例挖掘和線性非極大值抑制方法并進(jìn)行多尺度訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)對(duì)小尺度人臉目標(biāo)的準(zhǔn)確匹配。

2.1 多尺度特征圖融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

在原始Faster-RCNN 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，ROI-Pooling在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的最后一層被執(zhí)行以生成候選區(qū)域［25］。然而這種方法并不是最佳的，有時(shí)會(huì)忽略一些重要的特征，因?yàn)樯顚拥木矸e特征圖具有較大的感受野，對(duì)一些大尺度的目標(biāo)人臉表現(xiàn)較好，而對(duì)于小尺度的目標(biāo)人臉表現(xiàn)并不理想。為捕獲感興趣區(qū)域中更多細(xì)粒度的特征信息，同時(shí)引入上下文信息，本文提出通過融合多個(gè)卷積特征圖（包括低層特征圖和高層特征圖）來改進(jìn)ROI-Pooling。如圖1 所示，首先將卷積特征圖conv4f_x、con3c_x 和con2c_x 分別與得到的ROIs 進(jìn)行ROI-Pooling，然后對(duì)池化后的結(jié)果分別進(jìn)行L2 歸一化（L2-Normalization）處理，使其在各個(gè)維度上不會(huì)存在較大差異，最后對(duì)得到的結(jié)果進(jìn)行融合和尺度縮放。為使融合后的結(jié)果與原始網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相匹配，使用一個(gè)1×1 的卷積核進(jìn)行通道降維。

圖1 多尺度融合網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of multi-scale fusion network

另一方面，重新對(duì)錨框進(jìn)行設(shè)計(jì)，以獲得包含更好位置信息的錨框。根據(jù)在訓(xùn)練集上的訓(xùn)練經(jīng)驗(yàn)分析，將錨框的長(zhǎng)寬比設(shè)置為3 種，即1∶1、1∶1.5 和2∶1，將錨框的尺度設(shè)置為5 種，即16×16、32×32、64×64、128×128 和256×256，由此得到15 種不同長(zhǎng)寬比和尺度的錨框。這些不同大小的錨框?qū)τ诓蹲叫〕叨热四樂浅Ｓ杏谩Ｓ捎赪ider Face 數(shù)據(jù)集中包含了許多小尺度人臉（寬度及高度小于16 像素），因此在訓(xùn)練和測(cè)試中保留這些小的候選區(qū)域［26］。

2.2 L2 歸一化

為在不同尺度上對(duì)人臉候選區(qū)域特征進(jìn)行擴(kuò)展，圖1 所示的網(wǎng)絡(luò)對(duì)3 個(gè)不同尺度特征圖進(jìn)行ROI-Pooling 操作后進(jìn)行融合。通常，特征圖的通道數(shù)量和尺度大小在ResNet-50 的每一層都不同，而在更深的卷積層上對(duì)應(yīng)的特征圖尺度也更小。因此，直接對(duì)ROI-Pooling 后的特征圖進(jìn)行融合可能效果不佳，因?yàn)樘卣鲌D之間的尺度差異較大，而尺度大的特征可能會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位，從而減弱算法的魯棒性。為解決這個(gè)問題，對(duì)每個(gè)ROI-Pooling 后的特征圖做L2 歸一化處理。在融合之前，將L2 歸一化方法應(yīng)用于ROI-Pooling 后每個(gè)特征圖的每個(gè)像素中。歸一化后，尺度縮放操作將獨(dú)立應(yīng)用于每個(gè)特征圖。對(duì)于一個(gè)d維的輸入x=(x1，x2，…，xd)，應(yīng)用L2 范數(shù)對(duì)其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理，如式（1）所示：

輸入x的L2 范數(shù)，定義如式（2）所示：

其中，x是原始像素向量是歸一化后的像素向量，d是每個(gè)ROI-Pooling 后特征圖的通道數(shù)。

引入縮放因子γi，并通過式（3）縮放歸一化后的值：

在訓(xùn)練階段，縮放因子γ和輸入數(shù)據(jù)x通過反向傳播來計(jì)算，相應(yīng)的鏈?zhǔn)椒ǘx為：

2.3 在線難例挖掘

對(duì)于提高基于深度卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確率，在線難例挖掘已被確認(rèn)為一種有效策略［11］。難例是指那些無法被網(wǎng)絡(luò)準(zhǔn)確預(yù)測(cè)到的樣本。因此，將那些難例再次送入到網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練可以作為提升網(wǎng)絡(luò)性能的有效手段。在原始Faster-RCNN 中，候選區(qū)域和真值區(qū)域的重疊率（IOU）在［0.1，0.5］之間的樣本被設(shè)置為負(fù)樣本，重疊率大于0.5 的被設(shè)置為正樣本。為保持樣本均衡，設(shè)置正負(fù)樣本的比例為1∶3。在訓(xùn)練時(shí)，因?yàn)楸粰z測(cè)的是人臉，所以可能會(huì)出現(xiàn)一些極端的情況，如一張圖像中可能會(huì)出現(xiàn)很多人臉、人臉與人臉之間存在嚴(yán)重遮擋、部分人臉尺度太小、角度偏轉(zhuǎn)較大，由于這些難例與Ground Truth 重疊率為0，因此無法加入到網(wǎng)絡(luò)中訓(xùn)練。此外，人為設(shè)置正負(fù)樣本的比例約束條件也會(huì)導(dǎo)致模型的訓(xùn)練不充分。

本文將在線難例挖掘算法加入到模型中。首先通過RPN 計(jì)算候選區(qū)域的損失值，并將這些損失值從大到小排序，挑出前K個(gè)最大損失值作為難例加入到后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練。同時(shí)，將負(fù)樣本的閾值下調(diào)為0，并取消正負(fù)樣本的比例，使網(wǎng)絡(luò)能夠自適應(yīng)訓(xùn)練。

2.4 軟非極大值抑制

在目標(biāo)檢測(cè)過程中，非極大值抑制（NMS）算法在被檢測(cè)的圖像中產(chǎn)生一系列的檢測(cè)框集合B以及對(duì)應(yīng)的分?jǐn)?shù)S。當(dāng)選中最大分?jǐn)?shù)的檢測(cè)框M時(shí)，將M從集合B中移除并放入到最終的檢測(cè)結(jié)果集合D，同時(shí)，集合B中任意與重疊率大于閾值Nt的檢測(cè)框也被移除［12］。NMS 算法中分?jǐn)?shù)重置函數(shù)表示為：

其中，Iou表示重疊率。但該方法存在一個(gè)明顯的問題：如果圖像上同一個(gè)區(qū)域人臉重疊度較高，其中有些人臉檢測(cè)框分?jǐn)?shù)被置為0，則會(huì)導(dǎo)致對(duì)該人臉的檢測(cè)失敗并降低算法的平均檢測(cè)率（mAP），如圖2 所示。

圖2 重疊人臉漏檢示意圖Fig.2 Schematic diagram of omissive detection for overlapping face

從圖2 中可以看出，前面一個(gè)檢測(cè)框人臉（女士）的得分值為0.98，后面一個(gè)檢測(cè)框人臉（男士）的得分值為0.89，一般來說，設(shè)置人臉重疊率的閾值為0.3，而圖中兩個(gè)檢測(cè)框的重疊率為0.33，根據(jù)NMS算法，重疊率超過閾值的檢測(cè)框得分較低的將被移除，會(huì)導(dǎo)致無法檢測(cè)出第2 個(gè)框中的人臉。

針對(duì)NMS 存在的問題，本文使用一種Soft-NMS算法［12］?；谥丿B率的大小為相鄰的檢測(cè)框設(shè)置一個(gè)衰減函數(shù)而非徹底將其分?jǐn)?shù)置為0。簡(jiǎn)單來說，如果一個(gè)檢測(cè)框與M有大部分重疊，它會(huì)有很低的分?jǐn)?shù)；而如果檢測(cè)框與M只有小部分的重疊，則其原有檢測(cè)分?jǐn)?shù)不會(huì)受太大的影響。此外，Soft-NMS 不需要額外的訓(xùn)練且易于實(shí)現(xiàn)，因此很容易被集成到模型中，Soft-NMS 分?jǐn)?shù)衰減函數(shù)如式（6）所示：

2.5 多尺度訓(xùn)練

原始的Faster-RCNN 模型通常對(duì)所有訓(xùn)練圖像采用固定尺度。本文通過將圖像調(diào)整為隨機(jī)尺度，使檢測(cè)模型可以學(xué)習(xí)到不同尺度的特征，從而提高模型的檢測(cè)性能。本文隨機(jī)調(diào)整圖像的大小，使圖像的短邊尺度為480、600 或700，并確保圖像的長(zhǎng)邊尺度不超過1 000，從而使模型對(duì)不同大小的圖像具有魯棒性。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境與實(shí)驗(yàn)細(xì)節(jié)

本文實(shí)驗(yàn)在Ubuntu 16.04 系統(tǒng)及Caffe 深度學(xué)習(xí)框架上進(jìn)行，主干網(wǎng)絡(luò)為ResNet-50，GPU 為NVIDIA RTX2080Ti，采用遷移學(xué)習(xí)［27］的方法訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)，使用ImageNet［28］上預(yù)訓(xùn)練的模型初始化網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。本文利用Wider Face 人臉數(shù)據(jù)集訓(xùn)練模型，該數(shù)據(jù)集中圖像均為自然場(chǎng)景下采集的圖像，包含32 203 張圖像，其中有393 703 個(gè)已經(jīng)標(biāo)注好的人臉圖像，其姿態(tài)、形狀、尺度大小、模糊程度、光照條件、是否遮擋等因素均具有差異，能夠滿足本文實(shí)驗(yàn)的訓(xùn)練要求。測(cè)試集為FDDB 人臉標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試集，包含2 845 張圖片，有5 171 個(gè)人臉圖像。

在訓(xùn)練階段，將模型在Wider Face 數(shù)據(jù)集上訓(xùn)練迭代160 000 次，設(shè)置初始學(xué)習(xí)率為0.000 1，同時(shí)采用學(xué)習(xí)率衰減策略，衰減率為0.005，每經(jīng)過40 000 次迭代學(xué)習(xí)率衰減1 次。圖像輸入到網(wǎng)絡(luò)前先進(jìn)行隨機(jī)裁剪，確保其短邊尺度為480、600 或700，長(zhǎng)邊尺度不超過1 000。采用水平翻轉(zhuǎn)作為數(shù)據(jù)增強(qiáng)策略。在RPN 中，Anchor 數(shù)量由原始的9 個(gè)增加為15 個(gè)，3 種長(zhǎng)寬比分別為1∶1、1∶1.5 和2∶1，5 種不同的基礎(chǔ)尺度分別為16×16、32×32、64×64、128×128 和256×256。對(duì)于Fast-RCNN 分類回歸網(wǎng)絡(luò)部分，設(shè)置ROI 為前景的條件為其和真值框的IOU 閾值大于等于0.5，其余為背景。當(dāng)某個(gè)ROI 的得分值高于0.8 且與對(duì)應(yīng)真正框的IOU 小于0.5 時(shí)，將其視為難例樣本，這些難例樣本會(huì)被送入后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)一步訓(xùn)練。

與訓(xùn)練階段類似，在測(cè)試階段，被測(cè)試的圖像被隨機(jī)裁剪后輸入測(cè)試網(wǎng)絡(luò)。對(duì)每張測(cè)試圖像，RPN將產(chǎn)生128 個(gè)候選框，當(dāng)某個(gè)候選框分類得分值超過0.8 時(shí)將其視為人臉。本文將Soft-NMS 算法中的閾值設(shè)為0.3。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3.2.1 不同改進(jìn)策略對(duì)模型的提升比較

為檢驗(yàn)?zāi)Ｐ褪褂貌煌呗缘挠行院拓暙I(xiàn)，在Wider Face 人臉數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，并在其測(cè)試集上測(cè)試模型的平均精度，實(shí)驗(yàn)時(shí)設(shè)置相同的學(xué)習(xí)率0.000 1 和迭代次數(shù)160 000，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1 所示，其中，×表示未使用，√表示使用。

表1 不同策略對(duì)模型提升效果對(duì)比Table 1 Effect comparison of model promotion by different strategies

從表1 可以看出，原始Faster-RCNN 模型檢測(cè)的平均精度為85.6%，采用不同的改進(jìn)策略對(duì)模型的提升效果不同，其中使用多尺度特征圖融合對(duì)模型效果影響較為明顯，而使用全部改進(jìn)策略的最終模型檢測(cè)平均精度達(dá)到89.0%，較原始模型提升了3.5%。

3.2.2 本文模型與其他經(jīng)典模型的對(duì)比

為比較本文模型與其他經(jīng)典人臉檢測(cè)模型（包括Cascade CNN［19］、Joint Cascade［29］等）的效果差異，將本文方法和其他經(jīng)典方法在FDDB 人臉數(shù)據(jù)庫上進(jìn)行測(cè)試評(píng)估。FDDB 評(píng)估指標(biāo)有兩種，分別為離散分?jǐn)?shù)和連續(xù)分?jǐn)?shù)。離散分?jǐn)?shù)是當(dāng)檢測(cè)的人臉和標(biāo)注人臉的重疊率超過50%時(shí)，得分為1，否則為0。連續(xù)分?jǐn)?shù)的值是檢測(cè)人臉和標(biāo)注人臉的重疊比率。本文采用離散分?jǐn)?shù)作為評(píng)估模型的指標(biāo)。根據(jù)模型在FDDB 人臉數(shù)據(jù)庫中的檢測(cè)結(jié)果繪制相應(yīng)的ROC曲線，如圖3 所示。在實(shí)驗(yàn)中，本文提出的模型檢測(cè)出FDDB 人臉數(shù)據(jù)庫5 171 個(gè)人臉目標(biāo)中的4 943 個(gè)人臉，檢出率為95.6%，其中漏檢228 個(gè)人臉，每張圖像的平均檢測(cè)時(shí)間為0.29 s。從圖3 可以看出，本文模型所對(duì)應(yīng)的ROC 曲線位于最上方，明顯高于其他模型對(duì)應(yīng)的ROC 曲線，說明本文提出的改進(jìn)模型相較于目前其他流行的人臉檢測(cè)模型在檢測(cè)精度和檢出率上均有所提高。

圖3 本文模型與其他人臉檢測(cè)模型性能比較Fig.3 Performance comparison of the proposed model and other face detection models

3.2.3 時(shí)間性能分析

為比較不同策略對(duì)模型時(shí)間性能的影響，將基于不同改進(jìn)策略的模型在FDDB 人臉標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試集上進(jìn)行測(cè)試，以平均檢測(cè)每張圖像所需時(shí)間和檢測(cè)完2 845 張圖像所需時(shí)間作為對(duì)比項(xiàng)，結(jié)果如表2所示。

表2 不同模型的時(shí)間性能對(duì)比Table 2 Time performance comparison of different models s

從表2 可以看出，原始Faster-RCNN 模型使用VGG16 作為主干網(wǎng)絡(luò)，平均檢測(cè)每張圖像所需時(shí)間為0.19 s，總檢測(cè)時(shí)間為540.55 s，當(dāng)采用更深的ResNet-50 作為主干網(wǎng)絡(luò)時(shí)，平均檢測(cè)每張圖像所需時(shí)間為0.26 s，相較于原始模型多用0.07 s，總檢測(cè)時(shí)間為739.70 s，相較于原始模型多用199.15 s。當(dāng)使用本文最終模型（ResNet-50+增加Anchor 數(shù)量+多尺度特征圖融合+在線難例挖掘+軟非極大值抑制+多尺度訓(xùn)練）時(shí)，平均檢測(cè)每張圖像所需時(shí)間為0.29 s，相較于使用ResNet-50 作為主干網(wǎng)絡(luò)的原始模型多用0.03 s，總檢測(cè)時(shí)間為825.05 s，相較于ResNet-50作為主干網(wǎng)絡(luò)的原始模型多用85.35 s。分析可知，本文模型檢測(cè)時(shí)間的增加主要耗費(fèi)在使用更深的ResNet-50 主干網(wǎng)絡(luò)上，而其他改進(jìn)策略對(duì)檢測(cè)時(shí)間的耗費(fèi)相對(duì)較少?？傮w來看，本文模型在以少量時(shí)間代價(jià)的基礎(chǔ)上顯著提升了人臉檢測(cè)的精度，說明本文改進(jìn)的方案是行之有效的。

3.2.4 調(diào)參失敗案例分析

在模型訓(xùn)練過程中，本文嘗試通過3 種不同的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率來訓(xùn)練迭代模型，分別為0.00 1、0.000 1和0.000 01。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：當(dāng)使用較大的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率0.001 時(shí)，模型迭代較快，訓(xùn)練時(shí)間較短，但模型最終檢測(cè)效果不理想；當(dāng)使用0.000 1 作為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率時(shí)，模型迭代時(shí)間有所延遲，但模型最終檢測(cè)效果較為理想；當(dāng)使用較小的基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率0.000 01 時(shí)，模型迭代緩慢，訓(xùn)練時(shí)間大幅延長(zhǎng)，收斂緩慢，最終模型檢測(cè)效果與基礎(chǔ)學(xué)習(xí)率為0.000 1 幾乎無差別。

實(shí)驗(yàn)初始時(shí)，在多尺度特征圖融合前未使用L2 歸一化方法，直接將不同尺度特征圖融合后的特征傳入后續(xù)網(wǎng)絡(luò)，最終模型無法收斂到理想狀態(tài)，檢測(cè)效果不佳，導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗。由于特征圖的通道數(shù)量和尺度大小通常在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的每一層都不同，而在更深的卷積層上對(duì)應(yīng)的特征圖尺度也更小，因此直接將ROI-Pooling 后的特征圖進(jìn)行融合可能會(huì)導(dǎo)致不好的效果，因?yàn)樘卣鲌D之間的尺度差異較大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，L2 歸一化能有效解決這一問題。

3.2.5 檢測(cè)效果

用本文提出的改進(jìn)模型檢測(cè)從FDDB 人臉數(shù)據(jù)庫中隨機(jī)抽取的一些圖像，這些圖像中存在人臉姿態(tài)不同、部分遮擋、人臉重疊、尺度較小、光照強(qiáng)度不同等情況，得到的檢測(cè)結(jié)果如圖4 所示。由圖4（a）可以看出，改進(jìn)的模型能夠很好地檢測(cè)出不同姿態(tài)的人臉。由圖4（b）和圖4（d）可以看出，對(duì)于部分被遮擋的人臉，改進(jìn)的模型也能很好地檢測(cè)出且置信度較高。由圖4（c）可以看出，改進(jìn)的模型也能很好地適應(yīng)光照條件不同的自然場(chǎng)景下的人臉檢測(cè)。由圖4（e）可以看出（右上方），對(duì)于人臉重疊的情況以及人臉尺度較小的情況，改進(jìn)的模型也具有一定的魯棒性。

圖4 改進(jìn)Faster-RCNN 的人臉檢測(cè)效果

4 結(jié)束語

本文針對(duì)自然場(chǎng)景人臉檢測(cè)問題，提出一種改進(jìn)的Faster-RCNN 模型。以殘差網(wǎng)絡(luò)ResNet-50 作為主干網(wǎng)絡(luò)提取圖像特征，采用多尺度特征圖融合策略檢測(cè)小尺度人臉，并將在線難例樣本挖掘方法加入網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練，從而提高對(duì)困難樣本的檢測(cè)精度。在此基礎(chǔ)上，利用軟非極大值抑制方法解決人臉目標(biāo)重疊的問題，并引入多尺度訓(xùn)練策略進(jìn)一步提升模型的檢測(cè)精度與檢出率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型對(duì)自然場(chǎng)景下的人臉檢測(cè)有較好的效果，其在Wider Face數(shù)據(jù)集上的檢測(cè)精度為89.0%，在FDDB 數(shù)據(jù)集上的檢出率為95.6%，平均每張圖像的檢測(cè)時(shí)間為0.29 s。后續(xù)將進(jìn)一步優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)以更準(zhǔn)確地提取圖像人臉特征，同時(shí)適當(dāng)輕量化主干網(wǎng)絡(luò)，縮短檢測(cè)時(shí)間。