人臉檢測(cè)發(fā)展：從VJ到深度學(xué)習(xí)（上）

雷鋒網(wǎng)按：本文作者鄔書哲, 中科院計(jì)算所智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室VIPL課題組博士生，研究方向：目標(biāo)檢測(cè)，尤其關(guān)注基于深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)檢測(cè)方法。

本文分上下兩篇，上篇主要介紹人臉檢測(cè)的基本流程，以及傳統(tǒng)的VJ人臉檢測(cè)器及其改進(jìn)，下篇介紹基于深度網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)器，以及對(duì)目前人臉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的思考與討論。為了讓本文更適合非計(jì)算機(jī)視覺和機(jī)器學(xué)習(xí)背景的讀者，文中對(duì)所涉及到的專業(yè)術(shù)語(yǔ)盡量以通俗的語(yǔ)言和用舉例的方式來(lái)進(jìn)行解釋，同時(shí)力求嚴(yán)謹(jǐn)，以體現(xiàn)實(shí)事求是和一絲不茍的科學(xué)研究精神。   

這是一個(gè)看臉的世界！自拍，我們要藝術(shù)美顏；出門，我么要靚麗美妝。上班，我們要刷臉簽到；回家，我們要看臉相親。 當(dāng)手機(jī)把你的臉變得美若天仙，當(dāng)考勤機(jī)認(rèn)出你的臉對(duì)你表示歡迎，你知道是什么魔力讓冷冰冰的機(jī)器也變得溫情脈脈，讓呆呆的設(shè)備也變得善解人意嗎？今天就讓我們走近它們的內(nèi)心，了解這些故事背后的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)：人臉檢測(cè)。    

看人先看臉，走在大街上，我們可以毫不費(fèi)勁地看到所有人的臉：棱角分明的國(guó)字臉，嬌小可人的瓜子臉，擦肩而過路人甲的臉，迎面走來(lái)明星乙的臉，戴著口罩被遮住的臉，斜向上45度仰角自拍的臉?？墒牵瑢?duì)于我們的計(jì)算機(jī)和各種終端設(shè)備而言，從眼前的畫面中把人臉給找出來(lái)，并不是一件容易的事情，原因就在于，一千個(gè)讀者就有一千個(gè)哈姆雷特，在你的眼里，人臉是這樣的：   

而在機(jī)器的眼里，人臉是這樣的：   

你沒看錯(cuò)，圖像存儲(chǔ)在機(jī)器中不過就是一個(gè)由0和1組成的二進(jìn)制串！更確切地說(shuō)，機(jī)器看到的是圖像上每一個(gè)點(diǎn)的顏色值，因此對(duì)于機(jī)器來(lái)說(shuō)，一張圖像就是一個(gè)由數(shù)排成的陣列。試想一下，如果我把每個(gè)點(diǎn)的顏色值都念給你聽，你能告訴我對(duì)應(yīng)的這張圖像上有沒有人臉和人臉在哪里嗎？很顯然，這并不是一個(gè)容易解決的問題。    

如果手機(jī)沒法在自拍照中找到我們臉，那它就像一個(gè)失明的化妝師，沒法展現(xiàn)出我們最好的一面；如果考勤機(jī)沒法通過攝像頭看到我們的臉，那我們的笑就只是自作多情，它也根本不可能識(shí)別出我們到底是誰(shuí)。人臉檢測(cè)架起了機(jī)器和我們之間溝通的橋梁，使得它能夠知道我們的身份（人臉識(shí)別），讀懂我們的表情（表情識(shí)別），和我們一起歡笑（人臉動(dòng)畫），與我們一起互動(dòng)（人機(jī)交互）。

人臉檢測(cè)的開始和基本流程    

具體來(lái)說(shuō)，人臉檢測(cè)的任務(wù)就是判斷給定的圖像上是否存在人臉，如果人臉存在，就給出全部人臉?biāo)幍奈恢眉捌浯笮?。由于人臉檢測(cè)在實(shí)際應(yīng)用中的重要意義，早在上世紀(jì)70年代就已經(jīng)有人開始研究，然而受當(dāng)時(shí)落后的技術(shù)條件和有限的需求所影響，直到上世紀(jì)90年代，人臉檢測(cè)技術(shù)才開始加快向前發(fā)展的腳步，在新世紀(jì)到來(lái)前的最后十年間，涌現(xiàn)出了大量關(guān)于人臉檢測(cè)的研究工作，這時(shí)期設(shè)計(jì)的很多人臉檢測(cè)器已經(jīng)有了現(xiàn)代人臉檢測(cè)技術(shù)的影子，例如可變形模板的設(shè)計(jì)（將人臉按照五官和輪廓?jiǎng)澐殖啥鄠€(gè)相互連接的局部塊）、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的引入（作為判斷輸入是否為人臉的分類模型）等。這些早期的工作主要關(guān)注于檢測(cè)正面的人臉，基于簡(jiǎn)單的底層特征如物體邊緣、圖像灰度值等來(lái)對(duì)圖像進(jìn)行分析，結(jié)合關(guān)于人臉的先驗(yàn)知識(shí)來(lái)設(shè)計(jì)模型和算法（如五官、膚色），并開始引入一些當(dāng)時(shí)已有的的模式識(shí)別方法。    

雖然早期關(guān)于人臉檢測(cè)的研究工作離實(shí)際應(yīng)用的要求還有很遠(yuǎn)，但其中進(jìn)行檢測(cè)的流程已經(jīng)和現(xiàn)代的人臉檢測(cè)方法沒有本質(zhì)區(qū)別。給定一張輸入圖像，要完成人臉檢測(cè)這個(gè)任務(wù)，我們通常分成三步來(lái)進(jìn)行：  

  1.選擇圖像上的某個(gè)（矩形）區(qū)域作為一個(gè)觀察窗口；   

 2.在選定的窗口中提取一些特征對(duì)其包含的圖像區(qū)域進(jìn)行描述；   

 3.根據(jù)特征描述來(lái)判斷這個(gè)窗口是不是正好框住了一張人臉。   

檢測(cè)人臉的過程就是不斷地執(zhí)行上面三步，直到遍歷所有需要觀察的窗口。如果所有的窗口都被判斷為不包含人臉，那么就認(rèn)為所給的圖像上不存在人臉，否則就根據(jù)判斷為包含人臉的窗口來(lái)給出人臉?biāo)诘奈恢眉捌浯笮　?nbsp;   

那么，如何來(lái)選擇我們要觀察的窗口呢？所謂眼見為實(shí)，要判斷圖像上的某個(gè)位置是不是一張人臉，必須要觀察了這個(gè)位置之后才知道，因此，選擇的窗口應(yīng)該覆蓋圖像上的所有位置。顯然，最直接的方式就是讓觀察的窗口在圖像上從左至右、從上往下一步一步地滑動(dòng)，從圖像的左上角滑動(dòng)到右下角——這就是所謂的滑動(dòng)窗口范式，你可以將它想象成是福爾摩斯（檢測(cè)器）在拿著放大鏡（觀察窗口）仔細(xì)觀察案發(fā)現(xiàn)場(chǎng)（輸入圖像）每一個(gè)角落（滑動(dòng)）的過程。 

別看這種用窗口在圖像上進(jìn)行掃描的方式非常簡(jiǎn)單粗暴，它的確是一種有效而可靠的窗口選擇方法，以至于直到今天，滑動(dòng)窗口范式仍然被很多人臉檢測(cè)方法所采用，而非滑動(dòng)窗口式的檢測(cè)方法本質(zhì)上仍然沒有擺脫對(duì)圖像進(jìn)行密集掃描的過程。    

對(duì)于觀察窗口，還有一個(gè)重要的問題就是：窗口應(yīng)該多大？我們認(rèn)為一個(gè)窗口是一個(gè)人臉窗口當(dāng)且僅當(dāng)其恰好框住了一張人臉，即窗口的大小和人臉的大小是一致的，窗口基本貼合人臉的外輪廓。    

那么問題來(lái)了，即使是同一張圖像上，人臉的大小不僅不固定，而且可以是任意的，這樣怎么才能讓觀察窗口適應(yīng)不同大小的人臉呢？一種做法當(dāng)然是采用多種不同大小的窗口，分別去掃描圖像，但是這種做法并不高效。換一個(gè)角度來(lái)看，其實(shí)也可以將圖像縮放到不同的大小，然后用相同大小的窗口去掃描——這就是所謂的構(gòu)造圖像金字塔的方式。圖像金字塔這一名字非常生動(dòng)形象，將縮放成不同大小的圖像按照從大到小的順序依次往上堆疊，正好就組成了一個(gè)金字塔的形狀。

通過構(gòu)建圖像金字塔，同時(shí)允許窗口和人臉的貼合程度在小范圍內(nèi)變動(dòng)，我們就能夠檢測(cè)到不同位置、不同大小的人臉了。另外需要一提的是，對(duì)于人臉而言，我們通常只用正方形的觀察窗口，因此就不需要考慮窗口的長(zhǎng)寬比問題了。    

選好了窗口，我們開始對(duì)窗口中的圖像區(qū)域進(jìn)行觀察，目的是收集證據(jù)——真相只有一個(gè)，我們要依靠證據(jù)來(lái)挖掘真相！在處理圖像的過程中，這個(gè)收集證據(jù)的環(huán)節(jié)我們稱之為特征提取，特征就是我們對(duì)圖像內(nèi)容的描述。由于機(jī)器看到的只是一堆數(shù)值，能夠處理的也只有數(shù)值，因此對(duì)于圖像所提取的特征具體表示出來(lái)就是一個(gè)向量，稱之為特征向量，其每一維是一個(gè)數(shù)值，這個(gè)數(shù)值是根據(jù)輸入（圖像區(qū)域）經(jīng)由某些計(jì)算（觀察）得到的，例如進(jìn)行求和、相減、比較大小等?？偠灾?，特征提取過程就是從原始的輸入數(shù)據(jù)（圖像區(qū)域顏色值排列組成的矩陣）變換到對(duì)應(yīng)的特征向量的過程，特征向量就是我們后續(xù)用來(lái)分析和尋找真相的證據(jù)。   

特征提取之后，就到了決斷的時(shí)刻：判別當(dāng)前的窗口是否恰好包含一張人臉。我們將所有的窗口劃分為兩類，一類是恰好包含人臉的窗口，稱之為人臉窗口，剩下的都?xì)w為第二類，稱之為非人臉窗口，而最終判別的過程就是一個(gè)對(duì)當(dāng)前觀察窗口進(jìn)行分類的過程。因?yàn)槲覀兊淖C據(jù)是由數(shù)值組成的特征向量，所以我們是通過可計(jì)算的數(shù)學(xué)模型來(lái)尋找真相的，用來(lái)處理分類問題的數(shù)學(xué)模型我們通常稱之為分類器，分類器以特征向量作為輸入，通過一系列數(shù)學(xué)計(jì)算，以類別作為輸出——每個(gè)類別會(huì)對(duì)應(yīng)到一個(gè)數(shù)值編碼，稱之為這個(gè)類別對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽，如將人臉窗口這一類編碼為1，而非人臉窗口這一類編碼為-1；分類器就是一個(gè)將特征向量變換到類別標(biāo)簽的函數(shù)。    

考慮一個(gè)最簡(jiǎn)單的分類器：將特征向量每一維上的數(shù)值相加，如果得到的和超過某個(gè)數(shù)值，就輸出人臉窗口的類別標(biāo)簽1，否則輸出非人臉窗口的類別標(biāo)簽-1。記特征向量為，

分類器為函數(shù)f(x)，那么有：    

這里的t就是前面所說(shuō)的“某個(gè)數(shù)值”，其決定了分類器在給定特征向量下的輸出結(jié)果，我們稱其為分類器的參數(shù)。不同形式和類型的分類器會(huì)有不同的參數(shù)，一個(gè)分類器可以有一個(gè)或者多個(gè)參數(shù)，參數(shù)或者其取值不同則對(duì)應(yīng)到不同的分類器。選定了一個(gè)分類器之后，緊接著的一個(gè)問題就是：參數(shù)該怎么設(shè)置？具體到我們正在考慮的情況，就是：t的值該如何選取？   

要做出選擇，就要有一個(gè)目標(biāo)，在分類問題中，目標(biāo)當(dāng)然就是盡可能正確地進(jìn)行分類，即分類的準(zhǔn)確率盡可能高。然而，盡管我們對(duì)目標(biāo)非常明確，我們也仍然沒法給出一個(gè)最優(yōu)的參數(shù)取值，因?yàn)槲覀儾⒉皇褂脵C(jī)器所采用的二進(jìn)制語(yǔ)言系統(tǒng)，我們并不懂什么才是對(duì)機(jī)器最好的。于是我們只有一種選擇：把我們的目標(biāo)告訴機(jī)器，舉一些例子向其進(jìn)行解釋，然后讓機(jī)器自己去學(xué)習(xí)這個(gè)參數(shù)，最后我們給機(jī)器設(shè)計(jì)一場(chǎng)考試，測(cè)試其是否滿足了我們的要求。我們從一些圖像上選出一部分人臉和非人臉窗口的樣例，用對(duì)應(yīng)的類別標(biāo)簽對(duì)其進(jìn)行標(biāo)注，然后將這些樣例劃分成兩個(gè)集合，一個(gè)集合作為分類器學(xué)習(xí)所使用的訓(xùn)練集，另一個(gè)集合作為最終考查分類器能力的測(cè)試集，同時(shí)我們?cè)O(shè)定一個(gè)目標(biāo)：希望分類的準(zhǔn)確率能夠在80%以上。    

學(xué)習(xí)過程開始時(shí)，我們先給分類器的參數(shù)設(shè)定一個(gè)初始值，然后讓分類器通過訓(xùn)練集中帶有“答案”（類別標(biāo)簽）的樣例，不斷去調(diào)整自己參數(shù)的取值，以縮小其實(shí)際的分類準(zhǔn)確率和目標(biāo)準(zhǔn)確率之間的差距。當(dāng)分類器已經(jīng)達(dá)到了預(yù)先設(shè)定的目標(biāo)或者其它停止學(xué)習(xí)的條件——期末考試的時(shí)間是不會(huì)因?yàn)槟銢]有學(xué)好而推遲的，或者分類器覺得自己已經(jīng)沒有辦法再調(diào)整了，學(xué)習(xí)過程就停止了，這之后我們可以考查分類器在測(cè)試集上的準(zhǔn)確率，以此作為我們?cè)u(píng)判分類器的依據(jù)。這一過程中，分類器調(diào)整自己參數(shù)的方式和分類器的類型、設(shè)定的目標(biāo)等都有關(guān)，由于這部分內(nèi)容超出了本文所討論的范疇，也并不影響讀者對(duì)人臉檢測(cè)方法的理解，因此不再展開進(jìn)行講述。    

在確定了選擇窗口的策略，設(shè)計(jì)好了提取特征的方式，并學(xué)習(xí)了一個(gè)針對(duì)人臉和非人臉窗口的分類器之后，我們就獲得了構(gòu)建一個(gè)人臉檢測(cè)系統(tǒng)所需要的全部關(guān)鍵要素——還有一些小的環(huán)節(jié)相比之下沒有那么重要，這里暫且略去。    

由于采用滑動(dòng)窗口的方式需要在不同大小的圖像上的每一個(gè)位置進(jìn)行人臉和非人臉窗口的判別，而對(duì)于一張大小僅為480*320的輸入圖像，窗口總數(shù)就已經(jīng)高達(dá)數(shù)十萬(wàn)，面對(duì)如此龐大的輸入規(guī)模，如果對(duì)單個(gè)窗口進(jìn)行特征提取和分類的速度不夠快，就很容易使得整個(gè)檢測(cè)過程產(chǎn)生巨大的時(shí)間開銷，也確實(shí)就因?yàn)槿绱耍缙谒O(shè)計(jì)的人臉檢測(cè)器處理速度都非常慢，一張圖像甚至需要耗費(fèi)數(shù)秒才能處理完成——視頻的播放速度通常為每秒25幀圖像，這給人臉檢測(cè)投入現(xiàn)實(shí)應(yīng)用帶來(lái)了嚴(yán)重的障礙。

人臉檢測(cè)技術(shù)的突破：VJ人臉檢測(cè)器及其發(fā)展    

人臉檢測(cè)技術(shù)的突破發(fā)生在2001年，兩位杰出的科研工作者Paul Viola和Michael Jones設(shè)計(jì)了出了一個(gè)快速而準(zhǔn)確的人臉檢測(cè)器：在獲得相同甚至更好準(zhǔn)確度的同時(shí)，速度提升了幾十上百倍——在當(dāng)時(shí)的硬件條件下達(dá)到了每秒處理15張圖像的速度，已經(jīng)接近實(shí)時(shí)速度25fps（即25幀每秒）。這不僅是人臉檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)里程碑，也標(biāo)志著計(jì)算機(jī)視覺領(lǐng)域的研究成果開始具備投入實(shí)際應(yīng)用的能力。為了紀(jì)念這一工作，人們將這個(gè)人臉檢測(cè)器用兩位科研工作者的名字命名，稱之為Viola-Jones人臉檢測(cè)器，或者簡(jiǎn)稱為VJ人臉檢測(cè)器。    

VJ人臉檢測(cè)之所以器能夠獲得成功，極大地提高人臉檢測(cè)速度，其中有三個(gè)關(guān)鍵要素：特征的快速計(jì)算方法——積分圖，有效的分類器學(xué)習(xí)方法——AdaBoost，以及高效的分類策略——級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。VJ人臉檢測(cè)器采用Haar特征來(lái)描述每個(gè)窗口，所謂Haar特征，其實(shí)就是在窗口的某個(gè)位置取一個(gè)矩形的小塊，然后將這個(gè)矩形小塊劃分為黑色和白色兩部分，并分別對(duì)兩部分所覆蓋的像素點(diǎn)（圖像上的每個(gè)點(diǎn)稱為一個(gè)像素）的灰度值求和，最后用白色部分像素點(diǎn)灰度值的和減去黑色部分像素點(diǎn)灰度值的和，得到一個(gè)Haar特征的值。    

Haar特征反映了局部區(qū)域之間的相對(duì)明暗關(guān)系，能夠?yàn)槿四樅头侨四樀膮^(qū)分提供有效的信息，例如眼睛區(qū)域比周圍的皮膚區(qū)域要暗，通過Haar特征就可以將這一特點(diǎn)表示出來(lái)。但是由于提取Haar特征時(shí)每次都需要計(jì)算局部區(qū)域內(nèi)多個(gè)像素點(diǎn)灰度值之和，因此在速度上其并不快，為此VJ人臉檢測(cè)器引入了積分圖來(lái)加速Haar特征的提取。    

積分圖是一張和輸入圖像一樣大的圖，但其每個(gè)點(diǎn)上不再是存放這個(gè)點(diǎn)的灰度值，而是存放從圖像左上角到該點(diǎn)所確定的矩形區(qū)域內(nèi)全部點(diǎn)的灰度值之和。    

積分圖所帶來(lái)的好處是兩方面的，一方面它使得每次計(jì)算局部區(qū)域像素點(diǎn)的灰度值之和僅需要做4次加減法，與局部區(qū)域的大小無(wú)關(guān)；另一方面它避免了在相同像素點(diǎn)上重復(fù)求和，只在最開始計(jì)算一次——相鄰的窗口有很大的重疊部分，對(duì)應(yīng)的Haar特征也會(huì)重疊，如果每次都重新計(jì)算像素點(diǎn)的灰度值之和，則重疊部分的計(jì)算是重復(fù)的。積分圖極大地加速了Haar特征的提取，向快速的檢測(cè)器邁出了第一步。   

除了特征提取，分類過程的速度對(duì)于檢測(cè)的速度也至關(guān)重要。分類的速度取決于分類器的復(fù)雜程度，也即從特征向量變換到類別標(biāo)簽的計(jì)算過程的復(fù)雜程度。復(fù)雜的分類器往往具有更強(qiáng)的分類能力，能夠獲得更好的分類準(zhǔn)確度，但是分類時(shí)的計(jì)算代價(jià)比較高，而簡(jiǎn)單的分類器雖然計(jì)算代價(jià)小，但是分類準(zhǔn)確度也較低。那么有沒有兼顧計(jì)算代價(jià)和分類準(zhǔn)確度兩方面的辦法呢？當(dāng)然有，這就是AdaBoost方法。希望計(jì)算代價(jià)小，所以只用簡(jiǎn)單的分類器，但是又希望分類準(zhǔn)確度高，于是把多個(gè)簡(jiǎn)單的分類器組合起來(lái)——聚弱為強(qiáng)，將多個(gè)弱分類器組合成一個(gè)強(qiáng)分類器，這就是AdaBoost方法的核心理念。通過AdaBoost方法來(lái)學(xué)習(xí)分類器，達(dá)到了以更小的計(jì)算代價(jià)換取同樣的分類準(zhǔn)確度的目的。    

造成人臉檢測(cè)速度慢的根本原因還在于輸入規(guī)模過大，動(dòng)輒需要處理幾十上百萬(wàn)的窗口，如果這樣的輸入規(guī)模是不可避免的，那么有沒有可能在處理的過程中盡快降低輸入規(guī)模呢？如果能夠通過粗略地觀察快速排除掉大部分窗口，只剩下少部分窗口需要進(jìn)行仔細(xì)的判別，則總體的時(shí)間開銷也會(huì)極大地降低。從這樣的想法出發(fā)，VJ人臉檢測(cè)器采用了一種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到逐步降低輸入規(guī)模的目的。   

具體說(shuō)來(lái)，VJ人臉檢測(cè)器將多個(gè)分類器級(jí)聯(lián)在一起，從前往后，分類器的復(fù)雜程度和計(jì)算代價(jià)逐漸增大，對(duì)于給定的一個(gè)窗口，先由排在最前面也最簡(jiǎn)單的分類器對(duì)其進(jìn)行分類，如果這個(gè)窗口被分為非人臉窗口，那么就不再送到后面的分類器進(jìn)行分類，直接排除，否則就送到下一級(jí)分類器繼續(xù)進(jìn)行判別，直到其被排除，或者被所有的分類器都分為人臉窗口。這樣設(shè)計(jì)的好處是顯而易見的，每經(jīng)過一級(jí)分類器，下一級(jí)分類器所需要判別的窗口就會(huì)減少，使得只需要付出非常少的計(jì)算代價(jià)就能夠排除大部分非人臉窗口。從另一個(gè)角度來(lái)看，這實(shí)際上也是根據(jù)一個(gè)窗口分類的難度動(dòng)態(tài)地調(diào)整了分類器的復(fù)雜程度，這顯然比所有的窗口都用一樣的分類器要更加高效。    

VJ人臉檢測(cè)器通過積分圖、AdaBoost方法和級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)取得的巨大成功對(duì)后續(xù)的人臉檢測(cè)技術(shù)研究產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，大量的科研工作者開始基于VJ人臉檢測(cè)器進(jìn)行改進(jìn)，這些改進(jìn)也分別覆蓋了VJ人臉檢測(cè)器的三個(gè)關(guān)鍵要素。

特征的改進(jìn)和變遷    

雖然Haar特征已經(jīng)能夠刻畫人臉的一些特點(diǎn)，但是相比于人臉復(fù)雜的變化模式，VJ人臉檢測(cè)器所采用的5種Haar特征還是過于簡(jiǎn)單。光考慮姿態(tài)上的變化，人臉可能是斜著的（平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)），也可能是仰著的或者側(cè)著的（平面外旋轉(zhuǎn)），同一個(gè)Haar特征在不同姿態(tài)的人臉上差異可能非常大，而同時(shí)又可能和非人臉區(qū)域上的特征更相近，這就很容易在分類的時(shí)候引起誤判。于是人們開始對(duì)Haar特征進(jìn)行擴(kuò)展，使得其能夠刻畫更加豐富的變化模式：   

1. 環(huán)形的黑白區(qū)域劃分模式，而不僅僅是上下或者左右型；

2. 旋轉(zhuǎn)的Haar的特征，即將原來(lái)提取Haar特征的局部小塊順時(shí)針或逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)45度；   

3. 分離的Haar特征，即允許一個(gè)Haar特征由多個(gè)互相分離的黑白區(qū)域來(lái)計(jì)算，而不要求黑白區(qū)域必須處于一個(gè)矩形小塊中；   

4. 對(duì)角型Haar特征；    

5. 組合Haar特征，即對(duì)多個(gè)不同的Haar特征進(jìn)行組合和二值編碼；    

6. 局部組合二值特征，即在局部對(duì)特定的Haar特征按照一定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組合和二值編碼；    

7. 帶權(quán)多通道Haar特征，即一個(gè)Haar特征不再只包含黑白兩種塊，而允許有多種不同形狀和不同顏色的塊，其中不同的顏色對(duì)應(yīng)著不同的權(quán)值，表示像素點(diǎn)上求和之后所占的比重——原來(lái)只有1和-1兩種，多通道指的是在像素點(diǎn)上求和不僅僅是在灰度這一個(gè)通道上計(jì)算，而是同時(shí)在其它通道上計(jì)算（如RGB三個(gè)顏色通道；事實(shí)上，基于原圖計(jì)算而來(lái)和原圖同樣大小的任何一張圖都可以是圖像的一個(gè)通道）。    

這些擴(kuò)展極大地增強(qiáng)了Haar特征的表達(dá)能力，使得人臉窗口和非人臉窗口之間具有更好的區(qū)分性，從而提高了分類的準(zhǔn)確度。    

除了直接對(duì)Haar特征進(jìn)行改進(jìn)，人們也同時(shí)在設(shè)計(jì)和嘗試其它特征。Haar特征本質(zhì)上是局部區(qū)域像素值的一種線性組合，其相對(duì)應(yīng)的更一般的形式則是不指定線性組合的系數(shù)，允許系數(shù)為任意實(shí)數(shù)，這被稱之為線性特征——這里的組合系數(shù)可以基于訓(xùn)練樣例來(lái)進(jìn)行學(xué)習(xí)，類似于學(xué)習(xí)分類器參數(shù)的過程。稀疏粒度特征也是一種基于線性組合來(lái)構(gòu)造的特征，與線性特征所不同的是，稀疏粒度特征是將不同尺度（將100*100的圖像放大到200*200，它和原本大小就為200*200的圖像是處于不同的尺度上）、位置和大小的局部區(qū)域進(jìn)行組合，而線性特征只是組合同一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)的像素值。    

LBP特征是一種二值編碼特征，其直接基于像素灰度值進(jìn)行計(jì)算，特點(diǎn)是在編碼時(shí)考慮的是兩個(gè)值的相對(duì)大小，并且按照一定的空間結(jié)構(gòu)來(lái)進(jìn)行編碼，局部組合二值特征就是在LBP特征的啟發(fā)下設(shè)計(jì)的；從計(jì)算上來(lái)看，提取LBP特征比提取Haar特征要快，但是Haar特征對(duì)于人臉和非人臉窗口的區(qū)分能力更勝一籌。簡(jiǎn)化的SURF特征是一種和Haar特征相類似的特征，但是其計(jì)算的是局部區(qū)域中像素點(diǎn)的梯度和，并在求和的過程中考慮了梯度方向（所謂梯度，最簡(jiǎn)單的一種情形就是指同一行上兩個(gè)不同位置像素值的差比上它們水平坐標(biāo)的差）；SURF特征比Haar特征更為復(fù)雜，因此計(jì)算代價(jià)更高，但是由于其表達(dá)能力更強(qiáng)，因此能夠以更少數(shù)目的特征來(lái)達(dá)到相同的區(qū)分度，在一定程度上彌補(bǔ)了其在速度上的不足。HOG特征也是一種基于梯度的特征，其對(duì)一個(gè)局部區(qū)域內(nèi)不同方向的梯度進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，計(jì)算梯度直方圖來(lái)表示這個(gè)區(qū)域。積分通道特征和多通道的Haar特征有些類似，但是其使用的通道更加多樣化，將通道的概念推廣為由原圖像變換而來(lái)并且空間結(jié)構(gòu)和原圖像對(duì)應(yīng)的任何圖像。聚合通道特征則在積分通道特征的基礎(chǔ)上進(jìn)一步加入了對(duì)每個(gè)通道進(jìn)行下采樣的操作，實(shí)現(xiàn)局部區(qū)域信息的聚合。    

在過去十幾年的探索過程中，涌現(xiàn)出的特征不勝枚舉，這里只選取了部分比較有代表性和反映了人們探索思路的特征進(jìn)行舉例。這里所有列舉的特征都有一個(gè)共同的特點(diǎn)：都由科研工作者根據(jù)自己的經(jīng)驗(yàn)手工設(shè)計(jì)，這些特征的設(shè)計(jì)反映了人們對(duì)問題的理解和思考。雖然隨著不斷的改進(jìn)，設(shè)計(jì)出的特征已經(jīng)日臻完善，但直到現(xiàn)在，人們?cè)谔卣魃系奶剿鬟€遠(yuǎn)沒有結(jié)束。

分類器及其學(xué)習(xí)方法的改進(jìn)    

分類器能力的強(qiáng)弱直接決定了分類準(zhǔn)確度的高低，而分類的計(jì)算代價(jià)是影響檢測(cè)速度的一個(gè)關(guān)鍵因素，因此，人們探索的另一個(gè)方向就是對(duì)分類器及其學(xué)習(xí)方法的改進(jìn)。    

采用AdaBoost方法由弱分類器構(gòu)建強(qiáng)分類器，這是一個(gè)順序執(zhí)行的過程，換言之，一旦一個(gè)弱分類器被選中，其就必定會(huì)成為強(qiáng)分類器的組成部分，不允許反悔，這其實(shí)是假設(shè)增加弱分類器一定會(huì)使得強(qiáng)分類器的分類準(zhǔn)確度更高，但是，這個(gè)假設(shè)并不總是成立。事實(shí)上，每次對(duì)弱分類器的選擇只是依照當(dāng)時(shí)的情況決定，而隨著新的弱分類器被增加進(jìn)來(lái)，從整體上來(lái)看，之前的選擇未必最優(yōu)?；谶@樣的想法，出現(xiàn)了允許回溯的FloatBoost方法。FloatBoost方法在選擇新的弱分類器的同時(shí)，也會(huì)重新考查原有的弱分類器，如果去掉某個(gè)弱分類器之后強(qiáng)分類器的分類準(zhǔn)確度得到了提升，那說(shuō)明這個(gè)弱分類器帶來(lái)了負(fù)面影響，應(yīng)該被剔除。    

VJ人臉檢測(cè)器中，相級(jí)聯(lián)的多個(gè)分類器在學(xué)習(xí)的過程中并不會(huì)產(chǎn)生直接的聯(lián)系，其關(guān)聯(lián)僅體現(xiàn)在訓(xùn)練樣例上：后一級(jí)分類器的訓(xùn)練樣例一定要先通過前一級(jí)分類器。不同分類器在學(xué)習(xí)時(shí)的獨(dú)立性會(huì)帶來(lái)兩方面的壞處：一是在每個(gè)分類器都是從頭開始學(xué)習(xí)，不能借鑒之前已經(jīng)學(xué)習(xí)好的分類器的經(jīng)驗(yàn)；二是每個(gè)分類器在分類時(shí)都只能依靠自己，不能利用其它分類器已經(jīng)獲得的信息。為此，出現(xiàn)了兩種改進(jìn)的方案：鏈?zhǔn)紹oosting方法和嵌套式Boosting方法。兩種方案都在學(xué)習(xí)新一級(jí)的分類器時(shí)，都考慮之前已經(jīng)學(xué)好的分類器，區(qū)別在于鏈?zhǔn)紹oosting方法直接將前面各級(jí)分類器的輸出進(jìn)行累加，作為基礎(chǔ)得分，新分類器的輸出則作為附加得分，換言之，前面各級(jí)分類器實(shí)際上是新分類器的一個(gè)“前綴”，所有的分類器通過這種方式鏈在了一起；嵌套式Boosting方法則直接將前一級(jí)分類器的輸出作為新分類器第一個(gè)弱分類器的特征，形成一種嵌套的關(guān)系，其特點(diǎn)是只有相鄰的分類器才會(huì)互相影響。還有一種和嵌套式Boosting方法相類似的方案：特征繼承，即從特征而不是分類器的角度來(lái)關(guān)聯(lián)不同的分類器，具體而言，新的分類器在學(xué)習(xí)時(shí)會(huì)先繼承前一級(jí)分類器的所有特征，基于這些特征學(xué)習(xí)弱分類器，再此基礎(chǔ)上再考慮增加新的弱分類器，這一方案的特點(diǎn)在于其只引入了分類器學(xué)習(xí)時(shí)的相互影響，而在分類時(shí)分類器之間仍然是相互獨(dú)立的。    

相關(guān)的任務(wù)之間往往會(huì)相互產(chǎn)生促進(jìn)作用，相輔相成，而和人臉檢測(cè)密切相關(guān)的一個(gè)任務(wù)就是特征點(diǎn)定位：預(yù)測(cè)臉部關(guān)鍵點(diǎn)的位置，這些關(guān)鍵點(diǎn)可以是雙眼中心、鼻尖、嘴角等?；谶@樣一種想法，在2014年出現(xiàn)了Joint Cascade，即把檢測(cè)人臉?biāo)枰姆诸惼骱皖A(yù)測(cè)特征點(diǎn)位置的回歸器交替級(jí)聯(lián)，同時(shí)進(jìn)行人臉檢測(cè)和特征點(diǎn)定位兩個(gè)任務(wù)。用特征點(diǎn)定位輔助人臉檢測(cè)的關(guān)鍵在于形狀索引特征的引入，即特征不再是在整個(gè)窗口中提取，而是在以各個(gè)特征點(diǎn)為中心的局部區(qū)域進(jìn)行提取，這樣的好處就在于提高了特征的語(yǔ)義一致性。不同的人臉其對(duì)應(yīng)的特征點(diǎn)位置是不同的，反過來(lái)看，也就是說(shuō)相同的位置實(shí)際上對(duì)應(yīng)于臉部的不同區(qū)域，那么在相同區(qū)域提取的特征實(shí)際上表示的是不同的語(yǔ)義，簡(jiǎn)單地說(shuō)，就是在拿鼻子去和嘴巴匹配。采用形狀索引特征可以很好地避免這個(gè)問題，從而增大人臉和非人臉窗口之間的區(qū)分性。對(duì)于一個(gè)給定的窗口，我們并不知道特征點(diǎn)的位置，因此采用一個(gè)“平均位置”作為初始位置，即基于標(biāo)注有特征點(diǎn)坐標(biāo)的人臉樣例集，計(jì)算出的每個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)的平均值；在平均位置的基礎(chǔ)上，我們提取特征預(yù)測(cè)各個(gè)特征點(diǎn)真實(shí)的位置，不過一次預(yù)測(cè)往往是不準(zhǔn)確的，就好像跑步的時(shí)候我們沒法直接從起點(diǎn)跳到終點(diǎn)一樣，所以需要不斷基于當(dāng)前確定的特征點(diǎn)位置來(lái)預(yù)測(cè)新的位置，逐步向其真實(shí)的位置靠近。這個(gè)過程很自然地形成了一種級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，從而能夠和人臉檢測(cè)器耦合在一起，形成一種不同模型交替級(jí)聯(lián)的形式。

針對(duì)分類器學(xué)習(xí)過程中的每一個(gè)環(huán)節(jié)，人們都進(jìn)行了細(xì)致而充分的探索，除了上面提到的幾個(gè)方向，在分類器分類閾值的學(xué)習(xí)、提升分類器學(xué)習(xí)的速度等問題上，也出現(xiàn)了很多出色的研究工作。大部分在分類器及其學(xué)習(xí)方法上進(jìn)行改進(jìn)的工作關(guān)注的還是Boosting方法（AdaBoost方法是Boosting方法的一個(gè)杰出代表）和相對(duì)簡(jiǎn)單的分類器形式，如果能夠引入具有更強(qiáng)分類能力的分類器，相信能給檢測(cè)器帶來(lái)進(jìn)一步的性能提升，這一點(diǎn)在后文會(huì)有所涉及。

級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)的演化    

分類器的組織結(jié)構(gòu)也是人們關(guān)心的一個(gè)重要問題，尤其是在面臨多姿態(tài)人臉檢測(cè)任務(wù)的時(shí)候。人臉的姿態(tài)是指人臉在三維空間中繞三個(gè)坐標(biāo)軸旋轉(zhuǎn)的角度，而多姿態(tài)人臉檢測(cè)就是要將帶旋轉(zhuǎn)的人臉給檢測(cè)出來(lái)，不管是斜著的（繞x軸旋轉(zhuǎn)）、仰著的（繞y軸旋轉(zhuǎn)）還是側(cè)著的（繞z軸旋轉(zhuǎn)）。不同姿態(tài)的人臉在表觀特征上存在很大的差異，這給檢測(cè)器帶來(lái)了非常大的挑戰(zhàn)，為了解決這一問題，通常采用分治的策略，即分別針對(duì)不同姿態(tài)的人臉單獨(dú)訓(xùn)練分類器，然后組合起來(lái)構(gòu)建成多姿態(tài)人臉檢測(cè)器。    

最簡(jiǎn)單的多姿態(tài)人臉檢測(cè)器就是將針對(duì)不同姿態(tài)人臉的分類器采用并列式的結(jié)構(gòu)進(jìn)行組織，其中并列的每一個(gè)分類器仍然采用原來(lái)的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)（我們稱這種分類器為級(jí)聯(lián)分類器）；在檢測(cè)人臉的過程中，一個(gè)窗口如果被其中一個(gè)級(jí)聯(lián)分類器分為人臉窗口，則認(rèn)為其確實(shí)是一個(gè)人臉窗口，而只有當(dāng)每一個(gè)級(jí)聯(lián)分類器都將其判別為非人臉窗口時(shí)，才將其排除掉。這種并列式的組織架構(gòu)存在兩方面的缺陷：一是造成了檢測(cè)時(shí)間的成倍增長(zhǎng)，因?yàn)榻^大部分窗口是非人臉窗口，這些窗口需要經(jīng)過每一個(gè)級(jí)聯(lián)分類器的排除；二是容易造成整體分類準(zhǔn)確度的降低，因?yàn)檎麄€(gè)檢測(cè)器分錯(cuò)的窗口包含的是所有級(jí)聯(lián)分類器分錯(cuò)的窗口。    

有人設(shè)計(jì)了一種金字塔式的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，金字塔的每一層對(duì)應(yīng)于對(duì)人臉姿態(tài)（旋轉(zhuǎn)角度）的一個(gè)劃分，從頂層到底層劃分越來(lái)越細(xì)，級(jí)聯(lián)的每個(gè)分類器只負(fù)責(zé)區(qū)分非人臉和某個(gè)角度范圍內(nèi)的人臉。對(duì)于一個(gè)待分類的窗口，從最頂層的分類器開始對(duì)其進(jìn)行分類，如果其被分為人臉窗口，則送入到下一層的第一個(gè)分類器繼續(xù)進(jìn)行分類，如果其被分為非人臉窗口，則送入到同一層的下一個(gè)分類器繼續(xù)進(jìn)行分類，當(dāng)在某一層上所有的分類器都將其分為非人臉窗口時(shí)，就確認(rèn)其為非人臉窗口，將其排除。金字塔式的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)也可以看成是一種特殊的并列式結(jié)構(gòu)，只不過每個(gè)級(jí)聯(lián)分類器相互之間有共享的部分，這樣最直接的好處就在于減少了計(jì)算量，共享的部分只需要計(jì)算一次，同時(shí)在底層又保留了分治策略所帶來(lái)的好處——子問題比原問題更加容易，因此更容易學(xué)習(xí)到分類準(zhǔn)確度更高的分類器。    

還有一種比較典型的結(jié)構(gòu)是樹形的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)，從形狀上來(lái)看其和金字塔式的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)是一樣的，也是從上往下分類器的數(shù)目逐層增多，區(qū)別就在于樹形的級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)中沒有同一層分類器之間的橫向連接，只有相鄰層分類器之間的縱向連接，即一個(gè)窗口在同一層上不會(huì)由多個(gè)分類器進(jìn)行分類，而會(huì)直接被送往下一層或者被排除。樹形級(jí)聯(lián)結(jié)構(gòu)通過引入分支跳轉(zhuǎn)機(jī)制，進(jìn)一步減少了對(duì)一個(gè)窗口進(jìn)行分類所需要的計(jì)算量，不過同時(shí)也帶來(lái)了新的問題，分支跳轉(zhuǎn)通常根據(jù)姿態(tài)估計(jì)（估計(jì)旋轉(zhuǎn)角度的范圍）的結(jié)果來(lái)進(jìn)行，而如果姿態(tài)估計(jì)出現(xiàn)錯(cuò)誤，就會(huì)出現(xiàn)某個(gè)姿態(tài)的人臉窗口被送給另一個(gè)姿態(tài)人臉對(duì)應(yīng)的分類器進(jìn)行分類的情況，容易導(dǎo)致錯(cuò)誤的分類。為了緩解這一問題，出現(xiàn)了允許多個(gè)分支同時(shí)跳轉(zhuǎn)的設(shè)計(jì)，從而降低了由于跳轉(zhuǎn)錯(cuò)誤而引起分類錯(cuò)誤的風(fēng)險(xiǎn)。    

分治策略是處理多姿態(tài)人臉檢測(cè)任務(wù)最基本的策略，但要同時(shí)兼顧速度和分類準(zhǔn)確度并不是一件容易的事情，分類能力的增強(qiáng)不可避免地會(huì)帶來(lái)計(jì)算代價(jià)的增大，如何用更小的計(jì)算代價(jià)來(lái)?yè)Q取更高的分類準(zhǔn)確度，這仍然是一個(gè)需要去思考和探索的問題。

人臉檢測(cè)器的比拼    

在不斷對(duì)人臉檢測(cè)器進(jìn)行改進(jìn)的過程中，有一個(gè)問題是不容忽視的：如何科學(xué)地比較兩個(gè)人臉檢測(cè)器的優(yōu)劣？簡(jiǎn)單地說(shuō)，出一套考題讓所有的檢測(cè)器進(jìn)行一場(chǎng)考試，誰(shuí)得分高誰(shuí)就更好。對(duì)于人臉檢測(cè)器而言，所謂考題（測(cè)試集）就是一個(gè)圖像集合，通常其中每張圖像上都包含至少一張人臉，并且這些人臉的位置和大小都已經(jīng)標(biāo)注好。關(guān)于得分，需要考慮檢測(cè)器兩方面的表現(xiàn)，一是檢測(cè)率，也即對(duì)人臉的召回率，檢測(cè)出來(lái)的人臉占總?cè)四樀谋壤獪y(cè)試集中一共標(biāo)注了100張人臉，檢測(cè)器檢測(cè)出其中70張人臉，則檢測(cè)率為70%；二是誤檢（也稱為虛警）數(shù)目，即檢測(cè)器檢測(cè)出來(lái)的人臉中出現(xiàn)錯(cuò)誤（實(shí)際上不是人臉）的數(shù)目——檢測(cè)器一共檢測(cè)出80張人臉，然而其中有10個(gè)錯(cuò)誤，只有70個(gè)是真正的人臉，那么誤檢數(shù)目就是10。在這兩個(gè)指標(biāo)上，我們所希望的總是檢測(cè)率盡可能高，而誤檢數(shù)目盡可能少，但這兩個(gè)目標(biāo)之間一般是存在沖突的；在極端的情況下，如果一張臉也沒有檢測(cè)出來(lái)，那么誤檢數(shù)目為0，但是檢測(cè)率也為0，而如果把所有的窗口都判別為人臉窗口，那么檢測(cè)率為100%，而誤檢數(shù)目也達(dá)到了最大。在比較兩個(gè)檢測(cè)器的時(shí)候，我們通常固定一個(gè)指標(biāo)，然后對(duì)比另一個(gè)指標(biāo)，要么看相同誤檢數(shù)目時(shí)誰(shuí)的檢測(cè)率高，要么看相同檢測(cè)率時(shí)誰(shuí)的誤檢少。    

對(duì)于每一個(gè)檢測(cè)出的人臉，檢測(cè)器都會(huì)給出這個(gè)檢測(cè)結(jié)果的得分（或者說(shuō)信度），那么如果人為地引入一個(gè)閾值來(lái)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行篩選（只保留得分大于閾值得檢測(cè)結(jié)果），那么隨著這個(gè)閾值的變化，最終得檢測(cè)結(jié)果也會(huì)不同，因而其對(duì)應(yīng)得檢測(cè)率和誤檢數(shù)目通常也會(huì)不同。通過變換閾值，我們就能夠得到多組檢測(cè)率和誤檢數(shù)目的值，由此我們可以在平面直角坐標(biāo)系中畫出一條曲線來(lái)：以x坐標(biāo)表示誤檢數(shù)目，以y坐標(biāo)表示檢測(cè)率，這樣畫出來(lái)的曲線稱之為ROC曲線（不同地方中文譯法不一，如接收機(jī)曲線、接收者操作特征曲線等，這里直接采用英文簡(jiǎn)寫）。ROC曲線提供了一種非常直觀的比較不同人臉檢測(cè)器的方式，得到了廣泛的使用。    

評(píng)測(cè)人臉檢測(cè)器時(shí)還有一個(gè)重要的問題：怎么根據(jù)對(duì)人臉的標(biāo)注和檢測(cè)結(jié)果來(lái)判斷某張人臉是否被檢測(cè)到了？一般來(lái)說(shuō)，檢測(cè)器給出的檢測(cè)框（即人臉窗口）不會(huì)和標(biāo)注的人臉邊框完全一致，而且對(duì)人臉的標(biāo)注也不一定是矩形，例如還可能是橢圓形；因此當(dāng)給定了一個(gè)檢測(cè)框和一個(gè)標(biāo)注框時(shí)，我們還需要一個(gè)指標(biāo)來(lái)界定檢測(cè)框是否和標(biāo)注框相匹配，這個(gè)指標(biāo)就是交并比：兩者交集（重疊部分）所覆蓋的面積占兩者并集所覆蓋面積的比例，一般情況下，當(dāng)檢測(cè)框和標(biāo)注框的交并比大于0.5時(shí)，我們認(rèn)為這個(gè)檢測(cè)框是一個(gè)正確檢測(cè)的人臉。    

在早期的人臉檢測(cè)工作中，一般采用MIT-CMU人臉檢測(cè)數(shù)據(jù)集作為人臉檢測(cè)器的測(cè)試集，來(lái)比較不同的檢測(cè)器。這個(gè)測(cè)試集只包含幾百?gòu)垘в腥四樀膱D像，并且人臉主要是清晰且不帶遮擋的正面人臉，因而是一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的測(cè)試集，現(xiàn)在幾乎已經(jīng)不再使用。在2010年，美國(guó)麻省大學(xué)的一個(gè)實(shí)驗(yàn)室推出了一個(gè)新的人臉檢測(cè)評(píng)測(cè)數(shù)據(jù)集：FDDB，這個(gè)集合共包含2845張帶有人臉的互聯(lián)網(wǎng)新聞圖像，一共標(biāo)注了5171張人臉，其中的人臉在姿態(tài)、表情、光照、清晰度、分辨率、遮擋程度等各個(gè)方面都存在非常大的多樣性，貼近真實(shí)的應(yīng)用場(chǎng)景，因而是一個(gè)非常具有挑戰(zhàn)性的測(cè)試集。FDDB的推出激發(fā)人們?cè)谌四槞z測(cè)任務(wù)上的研究熱情，極大地促進(jìn)了人臉檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展，在此后的幾年間，新的人臉檢測(cè)方法不斷涌現(xiàn)，檢測(cè)器在FDDB上的表現(xiàn)穩(wěn)步提高。從100個(gè)誤檢時(shí)的檢測(cè)率來(lái)看，從最初VJ人臉檢測(cè)器的30%，發(fā)展到現(xiàn)在已經(jīng)超過了90%——這意味著檢測(cè)器每檢測(cè)出50張人臉才會(huì)產(chǎn)生一個(gè)誤檢，這其中的進(jìn)步是非常驚人的，而檢測(cè)器之間的比拼還在繼續(xù)。

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