论文地址：2022-CVPR-YOLO-FaceV2: A Scale and Occlusion Aware Face Detector
论文代码：https://github.com/Krasjet-Yu/YOLO-FaceV2

Abstract

• 现有目标（人脸）检测算法已取得很大的进展，如BlazeFace、RetinaFace、RCNN系列、YOLO系列等；
• 这些算法可以被分为两大类：两阶段的（RCNN系列）和单阶段的（YOLO系列）；
• 本文基于单阶段的yolov5提出了一个实时的face detector：YOLO-FaceV2；
• 主要改进的部分有以下几方面：
  （1）设计了一个被称为RFE（receptive field enhancement module）的感受野增强模块来增强小脸的感受野；
  （2）利用NWD loss来弥补IoU对微小物体位置偏差的敏感性；
  （3）针对人脸遮挡问题，提出了一种名为SEAM的注意模块，并引入排斥损失（Repulsion Loss）来解决；
  （4）还利用权重函数Slide来解决易样本和难样本之间的不平衡，并利用有效接受野的信息来设计锚。
  5.最后通过实验证明yolofacev2性能好。

1 Introduction

通过仔细分析现有人脸检测算法遇到的困难和yolov5检测算法的缺陷，本文从以下几方面进行改进：

• 多尺度融合：RFE；
• ** 注意力机制：SEAM；**
• 难样例：Slide 权重函数；
• 锚点设计：设计多个锚框的比例；
• 回归损失：NWD（Normalized Wasserstein Distance）与IoU以不同的权重进行结合；

本文的主要贡献如下：

• 为了检测多尺度的人脸，感受野和分辨率是关键因素。因此，在本文中设计了RFE模块（receptive field enhancement module）以学习特征图的不同接受域，并进行增强特征金字塔表示；
• 本文中将人脸遮挡（face occlusions）分为两大类：不同人脸之间的遮挡与其他物体对人脸的遮挡。前者使用排斥损失Repulsion Loss惩罚预测框转移到其他真实对象，要求每个预测框远离其他具有不同指定目标的预测框，以降低检测结果对NMS的敏感性。后者使用 SEAM注意力机制以增强面部特征学习能力。
• 为了解决难易样例间的不平衡问题，根据IoU以对不同的样例进行加权，主要使用的方式是Slide权重函数；

3 YOLO-FaceV2

3.1 Network Architecture

YOLOFaceV2主要由3部分构成：backbone [ CSPDarknet53 ]、neck [ SPP、PAN ]、heads。（与yolov5、yolov5face基本一致。）

【
SPP：单独的P3、P4、P5模块；
PAN：P3、P4、P5等进行整合的操作；细节参考：（https://www.cnblogs.com/AIBigTruth/p/15100810.html）
】

3.2 Scale-Aware RFE Model

不同的接收域大小意味着捕获远程依赖的能力不同。
在RFE中主要使用的是dilated conv。并使用不同比列的膨胀卷积进行不同卷积操作，即：
使用4种不同比例的扩展卷积分支来捕获多尺度信息和不同的依赖范围，且这些分支间权值共享，唯一的不同就是接受域不同。
且此方式的好处是：

1. 减少了模型参数，同时减少潜在的overfitting风险；
2. 可以充分利用每个样例。（主要是因为可以进行不同尺寸的操作~）。

RFE模块主要由两部分构成：基于膨胀（扩张）卷积的多分支和 gathering&weighting layer。具体如下图：

其中多分支主要是通过设置不同比列的膨胀卷积来实现的；收集和加权层（gathering and weighting layer）用于从不同的分支收集信息，并对特征的每个分支进行加权。

4 Experiments

在本章，主要对所提出的方法进行了全面的消融，包括注意模块、多尺度融合金字塔结构和损失函数设计的有效性。最后与其他SOTA人脸检测器的性能进行了比较。

4.1 Dataset

WiderFace：由超过400K张人脸的33203张图像构成。其包含训练（40%）、测试（50%）与验证（10%）三部分；根据困难程度，WidefFace又可被分为三部分：easy、medium和hard。

4.2 Training

1. 与yolov5face一样同样使用yolov5作为baseline；
2. optimizer使用的是:SGD；初始学习率：1e-2；最终学习率1e-3；权重缩减：5e-3；前3轮进行warming-up，且仅在该情况下的动量参数为0.8，其他情况下动量参数为0.937；
3. IoU阈值为0.5；
4. 硬件资源：1080ti，4核；
5. 以batch size为16的情况下迭代100次进行微调。

4.3 Ablation Study

4.3.1 SEMA Block

SEAM块是注意网络。通过使用该块，以通过增强未遮挡人脸的响应来弥补被遮挡人脸的响应损失。[实验性能对应下表：Table2中第2行~]

(上表中序号为对应的行数)

4.3.2 Multi-scale feature fusion

（1）在PAN的基础上融合P2层特征，以使得融合得到的特征图中包含更多小目标信息；[实验性能参考上表：Table2中第3行~]
（2）为了弥补颈部层（neck layer）输出特征图接受域有限，导致大中型目标检测精度下降的不足，使用了RFE模块；[实验性能如上表：Table2中第4行]

4.3.3 Slide Loss

使用Slide Loss的主要目标是：使得模型更加关注hard样例；[对应实现性能如上表：Table2中第5行]

4.3.4 Anchor Design

锚的比例和大小与有效感受野密切相关。[…第6行]

4.3.5 NWD Loss

首先使用NWD Loss替换IoU作为回归损失，但是性能并未提高。
因此选择保留IoU Loss，通过调整IoU Loss和MWD Loss之间的比例关系来提高模型对小目标检测的鲁棒性。因为实验结果表明，对于大中型目标，测量的效果IoU优于NWD, NWD可以有效提高小目标的检测精度。具体实验结果如下表（Table3）：

4.3.6 Balance of RepGT and RepBpx

受行人遮挡问题的解决方案启发，作者在人脸检测中加入了排斥损失函数（Repulsion Loss），并分析了不同的人脸遮挡阈值，使该损失函数适用于人脸检测。[实验结果参考Table2中第8行。]

4.4 Comparisons with Existing Face Dectors

5 Conclusion

1. 本文基于yolov5提出了yolofacev2，旨在解决人脸尺度变化（多尺度问题）、难易样本不平衡、面部遮挡等问题；
2. 将P2层融合到特征金字塔中以提高小目标的分辨率，设计RFE模块以增强接受域，并使用NWD Loss来提高模型对小目标检测的鲁棒性；（多尺度问题）
3. 引入Slide权值函数来缓解简单样例和难检测样例的不平衡；（数据不平衡）
4. 使用SEMA模块和Repulsion Loss解决面部遮挡问题；（面部遮挡）
5. 最终yolofacev2在widerface数据集上实现了接近或超过SOTA的性能。

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模型训练