深度学习之 人脸识别（1） 人脸预处理

 
 
 人脸识别分两个部分：

 第一步：人脸图片预处理，即检测图片中人脸并裁剪成指定尺寸的人脸图。

 第二步：人脸识别，包括模型训练、目标人脸分类训练、 预测目标人脸。

1. 人脸检测原理

 
 人脸识别，首先得做人脸检测，也就是找到人脸在哪里，用矩形框框出位置。理想情况下，应该检测出图片中所有的人脸。

人脸检测模型：

 1、MTCNN （TensorFlow）

 2、SSD Face （Caffe）

 
 获得人脸的矩形框后，然后就要做人脸对齐（Face Alignment），因为原始图片中，人脸的姿态、位置可能有较大区别，

为了统一处理，要把人脸“摆正”。“摆正”的方法，其实就是先找到人脸的关键点，比如眼睛、鼻子、嘴巴、脸轮廓等。根据这些

关键点，使用仿射变换将人脸统一标准，尽量消除姿势不同带来的误差。

 
 这里采用基于TensorFlow的MTCNN(Multi-task convolutional neural networks) 模型。MTCNN是一种基于深度神经网络的

人脸检测和人脸对其的方法。MTCNN由3个神经网络构成，分别是P-Net，R-Net、O-Net。

 在使用上述网络之前，要对原始图片进行预处理，先将原始图片缩放到不同尺寸，形成一个“图像金字塔”，如下图所示。

 接着再对每个尺寸的图片通过神经网络计算一次。

 这样做的原因是，原始图片中，人脸可能存在不同的尺寸，有的脸大，有的脸小。对于脸小的，可以在放大后的图片上检测，

对于脸大的，可以在缩小后的图片上检测，这样就可以在统一的尺寸下检测人脸了。

 
 1、P-Net网络结构

 如上图所示，就是一个P-Net网络结构，输入是一个12123的RGB图像块，该网络要判断这个12*12的图像中是否有人脸，

并给出人脸框和关键点（左眼、右眼、鼻子、左嘴角、右嘴角）位置。所以，对应有三个输出，下面分别介绍，

 
 第一个输出(face classification)：判断该图像是否是人脸。输出形状为112，其实就是两个值，分别对应该图像是人脸的概率

和该图像不是人脸的概率。这两个值加起来严格等于1。

 
 第二个输出(bounding box regression)：框回归，就是给出框的精确位置。输入的12*12的图像块可能不是完整的人脸框位置。

比如，有时候人脸并不是正好为方形；有时候图像块可能偏左，或偏右。所以，需要输出当前框位置相对与完整的人脸框位置的偏移，

这个偏移由4个变量组成。（一般图像中的框由4个数表示，分别为框左上角的横坐标、框左上角的纵坐标、框的宽度、框的高度），

所以，框回归的输出值为：框左上角的横坐标的相对偏移、框左上角纵坐标的相对偏移、框的宽度的误差、框高度的误差。所以输出

向量的形状为114.

 第三个输出(Facial landmark localization): 这个输出就是给出人脸5个关键点的位置。分别为左眼的位置、右眼的位置、鼻子的

 位置、左嘴角的位置、右嘴角的位置。每个关键点由横坐标和纵坐标表示，所以输出向量的形状为1110.

 如上图所示，在实际计算中，通过P-Net中第一层卷积的移动，会对图像中的每一个12*12区域做一次人脸检测，得到结果

如上图所示。图中框的大小不一，除了框回归的影响之外，主要的原因是图片“金字塔”中的各个尺寸都用P-Net就算过一次，

所以形成的大小不同的人脸框。上面得到的结果很粗糙，还需要进一步优化，这就是R-Net网络的工作了。

 
 2、R-Net网络

 如上图所示，就是一个R-Net网络结构，输入是一个24243的RGB图像块，R-Net的作用也是判断24243的图像块中

是否包含人脸，以及给出关键点的位置。R-Net的输出和P-Net的输出结构和含义完全一样。

 在实际应用中，一般都对每个P-Net输出的可能包含人脸的区域缩放到24243的大小，再输入到R-Net中。

 经过R-Net优化后的结构如上图所示，消除了很多P-Net网络的误判情况。接着，将结果送给O-Net网络继续优化。

 
 3、O-Net网络

 如上图所示，就是一个O-Net网络结构，输入是一个48483的RGB图像块。O-Net网络的结构和P-Net网络结构

依然类似，只不过输入图像块的大小不一样，而且网络通道数和层数更多了。

 
 如下图所示，就是经过了O-Net网络后的结果。

 
 4、损失定义和训练过程

 由上可知，每个网络的输出都是由3个部分组成，所以损失也是由这三个部分构成。
 
 针对判断人脸是否存在的部分，直接使用交叉熵损失。针对框回归和关键点判定部分，使用L2损失。

最后由这三个部分损失各乘上自身的权重，再加起来，就形成最后的损失。

 
 如何确定各自的权重呢？P-Net和R-Net更关心框位置的准确性，所以框位置的权重就比较大，

而O-Net更关心关键点的判定，所以关键点的权重就比较大。

2. 人脸预处理实例

 开元源码工程
  https://github.com/davidsandberg/facenet

 
 下载完代码，

 facenet-master\src\align 目录下

 align_dataset_mtcnn.py 对齐

 detect_face.py 人脸检测（MTCNN）

 代码读者自行阅读

 
 对齐命令，在facenet-master目录下运行：

 python src/align/align_dataset_mtcnn.py …/test …/test_align_160 --image_size 160 --margin 32 --random_order

 test为facenet-master同一级目录下，要预处理的图片文件夹：

 
 Aaron_Eckhart 预处理前后的对比：

 预处理前

 预处理后