结合形变模型与图像修复的人脸姿态矫正

目的 人脸姿态偏转是影响人脸识别准确率的一个重要因素,本文利用3维人脸重建中常用的3维形变模型以及深度卷积神经网络,提出一种用于多姿态人脸识别的人脸姿态矫正算法,在一定程度上提高了大姿态下人脸识别的准确率。方法 对传统的3维形变模型拟合方法进行改进,利用人脸形状参数和表情参数对3维形变模型进行建模,针对面部不同区域的关键点赋予不同的权值,加权拟合3维形变模型,使得具有不同姿态和面部表情的人脸图像拟合效果更好。然后,对3维人脸模型进行姿态矫正并利用深度学习对人脸图像进行修复,修复不规则的人脸空洞区域,并使用最新的局部卷积技术同时在新的数据集上重新训练卷积神经网络,使得网络参数达到最优。结果 在LFW（labeled faces in the wild）人脸数据库和StirlingESRC（Economic Social Research Council）3维人脸数据库上,将本文算法与其他方法进行比较,实验结果表明,本文算法的人脸识别精度有一定程度的提高。在LFW数据库上,通过对具有任意姿态的人脸图像进行姿态矫正和修复后,本文方法达到了96.57%的人脸识别精确度。在StirlingESRC数据库上,本文方法在人脸姿态为±22°的情况下,人脸识别准确率分别提高5.195%和2.265%;在人脸姿态为±45°情况下,人脸识别准确率分别提高5.875%和11.095%;平均人脸识别率分别提高5.53%和7.13%。对比实验结果表明,本文提出的人脸姿态矫正算法有效提高了人脸识别的准确率。结论 本文提出的人脸姿态矫正算法,综合了3维形变模型和深度学习模型的优点,在各个人脸姿态角度下,均能使人脸识别准确率在一定程度上有所提高。     

融合ViT与对比学习的面部表情识别

目的 面部表情识别是计算机视觉领域中的重要任务之一,而真实环境下面部表情识别的准确度较低。针对面部表情识别中存在的遮挡、姿态变化和光照变化等问题导致识别准确度较低的问题,提出一种基于自监督对比学习的面部表情识别方法,可以提高遮挡等变化条件下面部表情识别的准确度。方法 该方法包含对比学习预训练和模型微调两个阶段。在对比学习预训练阶段,改进对比学习的数据增强方式及正负样本对对比次数,选取基于Transformer的视觉Transformer(vision Transformer,ViT)网络作为骨干网络,并在ImageNet数据集上训练模型,提高模型的特征提取能力。模型微调阶段,采用训练好的预训练模型,用面部表情识别目标数据集微调模型获得识别结果。结果 实验在4类数据集上与13种方法进行了比较,在RAF-DB(real-world affective faces database)数据集中,相比于Face2Exp(combating data biases for facial expression recognition)模型,识别准确度提高了0.48%;在FERPlus(facial ...     

融合时空域特征的人脸表情识别

目的 人脸表情识别是计算机视觉的核心问题之一。一方面,表情的产生对应着面部肌肉的一个连续动态变化过程,另一方面,该运动过程中的表情峰值帧通常包含了能够识别该表情的完整信息。大部分已有的人脸表情识别算法要么基于表情视频序列,要么基于单幅表情峰值图像。为此,提出了一种融合时域和空域特征的深度神经网络来分析和理解视频序列中的表情信息,以提升表情识别的性能。方法 该网络包含两个特征提取模块,分别用于学习单幅表情峰值图像中的表情静态“空域特征”和视频序列中的表情动态“时域特征”。首先,提出了一种基于三元组的深度度量融合技术,通过在三元组损失函数中采用不同的阈值,从单幅表情峰值图像中学习得到多个不同的表情特征表示,并将它们组合在一起形成一个鲁棒的且更具辩识能力的表情“空域特征”;其次,为了有效利用人脸关键组件的先验知识,准确提取人脸表情在时域上的运动特征,提出了基于人脸关键点轨迹的卷积神经网络,通过分析视频序列中的面部关键点轨迹,学习得到表情的动态“时域特征”;最后,提出了一种微调融合策略,取得了最优的时域特征和空域特征融合效果。结果 该方法在3个基于视频序列的常用人脸表情数据集CK+（the extended Cohn-Kanade dataset）、MMI （the MMI facial expression database）和Oulu-CASIA （the Oulu-CASIA NIR&VIS facial expression database）上的识别准确率分别为98.46%、82.96%和87.12%,接近或超越了当前同类方法中的表情识别最高性能。结论 提出的融合时空特征的人脸表情识别网络鲁棒地分析和理解了视频序列中的面部表情空域和时域信息,有效提升了人脸表情的识别性能。     

结合自监督学习和生成对抗网络的小样本人脸属性识别

目的 人脸属性识别是计算机视觉和情感感知等领域一个重要的研究课题。随着深度学习的不断发展,人脸属性识别取得了巨大的进步。目前基于深度学习的人脸属性识别方法大多依赖于包含完整属性标签信息的大规模数据集。然而,对于小样本数据集的属性标签缺失问题,人脸属性识别方法的准确率依然较低。针对上述问题,本文提出了一种结合自监督学习和生成对抗网络的方法来提高在小样本数据集上的人脸属性识别准确率。方法 使用基于旋转的自监督学习技术进行预训练得到初始的属性识别网络;使用基于注意力机制的生成对抗网络得到人脸属性合成模型,对人脸图像进行属性编辑从而扩充训练数据集;使用扩充后的训练数据集对属性识别网络进行训练得到最终模型。结果 本文在小样本数据集UMD-AED（University of Maryland attribute evaluation dataset）上进行了实验并与传统的有监督学习方法进行了比较。传统的有监督学习方法达到了63.24%的平均准确率,而所提方法达到了69.01%的平均准确率,提高了5.77%。同时,本文在CelebA（CelebFaces attributes dataset）、LFWA（labeled faces in the wild attributes dataset）和UMD-AED数据集上进行了使用自监督学习和未使用自监督学习的对比实验,验证了自监督学习在小样本数据集上的有效性。结论 本文所提出的结合自监督学习和生成对抗网络的人脸属性识别方法有效提高了小样本数据集上属性识别的准确率。     

结合改进卷积神经网络与通道加权的轻量级表情识别

目的 表情是人机交互过程中重要的信息传递方式,因此表情识别具有重要的研究意义。针对目前表情识别方法存在背景干扰大、网络模型参数复杂、泛化性差等问题,本文提出了一种结合改进卷积神经网络(convolutional neural network,CNN)与通道加权的轻量级表情识别方法。方法 首先,采用标准卷积和深度可分离卷积组合神经网络结构,再利用全局平均池化层作为输出层,简化网络的复杂程度,有效降低网络参数;其次,网络引入SE(squeeze-and-excitation)模块进行通道加权,通过在不同卷积层后设置不同的压缩率增强表情特征提取能力,提升网络模型精度;最后,用softmax分类函数实现各类表情的准确分类。结果 本文网络参数量为6 108 519,相较于识别性能较好的Xception神经网络参数减少了63%,并且通过对网络模型的实时性测试,平均识别速度可达128 帧/s。在5个公开的表情数据集上验证网络模型对7种表情的识别效果,与7种卷积神经网络方法相比,在FER2013 (Facial Expression Recognition 2013)、CK+ (the extended Cohn-Kanade) 和JAFFE (Japanses Female Facial Expression) 3个表情数据集的识别精确度提高了5.72%、0.51%和0.28%,在RAF-DB (Real-world Affective Faces Database)、AffectNet这两个in-the-wild表情数据库的识别精确度分别提高了2.04%和0.68%。结论 本文提出的轻量级表情识别方法在不同通道具有不同的加权能力,获取更多表情关键特征信息,提高了模型的泛化性。实验结果表明,本文方法在简化网络的复杂程度、减少计算量的同时能够准确识别人脸表情,能够有效提升网络的识别能力。     

联合分块谱带优选和深度特征的高光谱人脸识别

目的 高光谱人脸数据具有丰富的鉴别信息。最优谱带选择和谱内间特征表示是高光谱人脸识别的关键。基于高光谱波段范围为4001 090 nm和采样间隔为10 nm的高光谱成像人脸数据,本文提出一种分块谱带选择和VGG（Visual Geometry Group）网络的高光谱人脸识别方法。方法 为了优化适合人脸识别的谱带组合,基于人脸关键点,提出分块局部二值模式（local binary pattern,LBP）特征的AdaBoost支持向量机（support vector machine,SVM）谱带选择方法。基于卷积神经网络结构建立一个面向高光谱人脸特点的深度网络（VGG12）,提取谱带内特征。融合不同谱带的深度特征,利用三层堆栈自编码器（stack auto-encoder,SAE）抽取谱间特征。对提取的谱间和谱内特征,采用最近邻分类器完成最后的识别。结果 为了验证提出方法的有效性,在公开的高光谱人脸数据集UWA-HSFD（University of Western Australia hyperspectral face database）和PolyU-HSFD（Hong Kong Polytechnic University hyperspectral face database）上进行对比试验。结果显示,基于分块LBP特征的谱带选择算法优于传统基于整幅图像像素的方法,提出的VGG12网络相比已有深度学习网络,仅保留少量（68个）谱带,在两个数据集上都取得了最高的识别率（96.8%和97.2%）,表明传统可见光人脸深度网络并不适合高光谱人脸识别。结论 实验结果表明,高光谱数据用于人脸识别中,谱带选择与深度学习结合是有效的,本文方法联合有监督深度网络（VGG12）和无监督学习网络（SAE）挖掘谱内和谱间鉴别特征,在降低深度网络训练复杂度的同时取得了较其他深度网络更好的识别性能。     

关键点深度特征驱动人脸表情识别

目的 人脸关键点检测和人脸表情识别两个任务紧密相关。已有对两者结合的工作均是两个任务的直接耦合,忽略了其内在联系。针对这一问题,提出了一个多任务的深度框架,借助关键点特征识别人脸表情。方法 参考inception结构设计了一个深度网络,同时检测关键点并且识别人脸表情,网络在两个任务的监督下,更加关注关键点附近的信息,使得五官周围的特征获得较大响应值。为进一步减小人脸其他区域的噪声对表情识别的影响,利用检测到的关键点生成一张位置注意图,进一步增加五官周围特征的权重,减小人脸边缘区域的特征响应值。复杂表情引起人脸部分区域的形变,增加了关键点检测的难度,为缓解这一问题,引入了中间监督层,在第1级检测关键点的网络中增加较小权重的表情识别任务,一方面,提高复杂表情样本的关键点检测结果,另一方面,使得网络提取更多表情相关的特征。结果 在3个公开数据集：CK+（Cohn-Kanade dataset）,Oulu（Oulu-CASIA NIR&VIS facial expression database）和MMI（MMI facial expression database）上与经典方法进行比较,本文方法在CK+数据集上的识别准确率取得了最高值,在Oulu和MMI数据集上的识别准确率比目前识别率最高的方法分别提升了0.14%和0.54%。结论 实验结果表明了引入关键点信息的有效性：多任务的卷积神经网络表情识别准确率高于单任务的传统卷积神经网络。同时,引入注意力模型也提升了多任务网络中表情的识别率。     

面部表情分析进展和挑战

面部表情分析是计算机通过分析人脸信息尝试理解人类情感的一种技术,目前已成为计算机视觉领域的热点话题。其挑战在于数据标注困难、多人标签一致性差、自然环境下人脸姿态大以及遮挡等。为了推动面部表情分析发展,本文概述了面部表情分析的相关任务、进展、挑战和未来趋势。首先,简述了面部表情分析的几个常见任务、基本算法框架和数据库;其次,对人脸表情识别方法进行了综述,包括传统的特征设计方法以及深度学习方法;接着,对人脸表情识别存在的问题与挑战进行总结思考;最后,讨论了未来发展趋势。通过全面综述和讨论,总结以下观点：1）针对可靠人脸表情数据库规模小的问题,从人脸识别模型进行迁移学习以及利用无标签数据进行半监督学习是两个重要策略;2）受模糊表情、低质量图像以及标注者的主观性影响,非受控自然场景的人脸表情数据的标签库存在一定的不确定性,抑制这些因素可以使得深度网络学习真正的表情特征;3）针对人脸遮挡和大姿态问题,利用局部块进行融合的策略是一个有效的策略,另一个值得考虑的策略是先在大规模人脸识别数据库中学习一个对遮挡和姿态鲁棒的模型,再进行人脸表情识别迁移学习;4）由于基于深度学习的表情识别方法受很多超参数影响,导致当前人脸表情识别方法的可比性不强,不同的表情识别方法有必要在不同的简单基线方法上进行评测。目前,虽然非受控自然环境下的表情分析得到较快发展,但是上述问题和挑战仍然有待解决。人脸表情分析是一个比较实用的任务,未来发展除了要讨论方法的精度也要关注方法的耗时以及存储消耗,也可以考虑用非受控环境下高精度的人脸运动单元检测结果进行表情类别推断。     

融合全局与局部特征的跨数据集表情识别方法北大核心CSCD

人脸表情数据集在收集过程中存在主观的标注差异和客观的条件差异,导致表情识别模型在不同数据集间呈现明显的性能差异。为了提高跨数据集表情识别精度、减少表情识别在实际应用中进行样本打标重训练的过程,本文提出了一种基于表情融合特征的域对抗网络模型,用于跨数据集人脸表情识别。采用残差神经网络提取人脸表情的全局特征与局部特征。利用Encoder模块对全局特征与局部特征进行融合,学习更深层次的表情信息。使用细粒度的域鉴别器进行源数据集与目标数据集对抗,对齐数据集的边缘分布和条件分布,使模型能迁移到无标签的目标数据集中。以RAF-DB为源数据集,以CK+、JAFFE、SFEW2.0、FER2013、Expw分别作为目标数据集进行跨数据集人脸表情识别实验。与其他跨数据集人脸表情识别算法相比,所提方法获得了最高的平均识别率。实验结果表明,所提方法能有效提高跨数据集人脸表情识别的性能。     

对抗学习遥感图像场景识别

目的 在高分辨率遥感图像场景识别问题中,经典的监督机器学习算法大多需要充足的标记样本训练模型,而获取遥感图像的标注费时费力。为解决遥感图像场景识别中标记样本缺乏且不同数据集无法共享标记样本问题,提出一种结合对抗学习与变分自动编码机的迁移学习网络。方法 利用变分自动编码机（variational auto-encoders,VAE）在源域数据集上进行训练,分别获得编码器和分类器网络参数,并用源域编码器网络参数初始化目标域编码器。采用对抗学习的思想,引入判别网络,交替训练并更新目标域编码器与判别网络参数,使目标域与源域编码器提取的特征尽量相似,从而实现遥感图像源域到目标域的特征迁移。结果 利用两个遥感场景识别数据集进行实验,验证特征迁移算法的有效性,同时尝试利用SUN397自然场景数据集与遥感场景间的迁移识别,采用相关性对齐以及均衡分布适应两种迁移学习方法作为对比。两组遥感场景数据集间的实验中,相比于仅利用源域样本训练的网络,经过迁移学习后的网络场景识别精度提升约10%,利用少量目标域标记样本后提升更为明显;与对照实验结果相比,利用少量目标域标记样本时提出方法的识别精度提升均在3%之上,仅利用源域标记样本时提出方法场景识别精度提升了10%~40%;利用自然场景数据集时,方法仍能在一定程度上提升场景识别精度。结论 本文提出的对抗迁移学习网络可以在目标域样本缺乏的条件下,充分利用其他数据集中的样本信息,实现不同场景图像数据集间的特征迁移及场景识别,有效提升遥感图像的场景识别精度。     

深度人脸表情识别研究进展

随着人脸表情识别任务逐渐从实验室受控环境转移至具有挑战性的真实世界环境,在深度学习技术的迅猛发展下,深度神经网络能够学习出具有判别能力的特征,逐渐应用于自动人脸表情识别任务。目前的深度人脸表情识别系统致力于解决以下两个问题：1）由于缺乏足量训练数据导致的过拟合问题;2）真实世界环境下其他与表情无关因素变量（例如光照、头部姿态和身份特征）带来的干扰问题。本文首先对近十年深度人脸表情识别方法的研究现状以及相关人脸表情数据库的发展进行概括。然后,将目前基于深度学习的人脸表情识别方法分为两类：静态人脸表情识别和动态人脸表情识别,并对这两类方法分别进行介绍和综述。针对目前领域内先进的深度表情识别算法,对其在常见表情数据库上的性能进行了对比并详细分析了各类算法的优缺点。最后本文对该领域的未来研究方向和机遇挑战进行了总结和展望：考虑到表情本质上是面部肌肉运动的动态活动,基于动态序列的深度表情识别网络往往能够取得比静态表情识别网络更好的识别效果。此外,结合其他表情模型如面部动作单元模型以及其他多媒体模态,如音频模态和人体生理信息能够将表情识别拓展到更具有实际应用价值的场景。     

基于对比学习的细粒度遮挡人脸表情识别

和实验室环境不同, 现实生活中的人脸表情图像场景复杂, 其中最常见的局部遮挡问题会造成面部外观的显著改变, 使得模型提取到的全局特征包含与情感无关的冗余信息从而降低了判别力. 针对此问题, 本文提出了一种结合对比学习和通道-空间注意力机制的人脸表情识别方法, 学习各局部显著情感特征并关注局部特征与全局特征之间的关系. 首先引入对比学习, 通过特定的数据增强方法设计新的正负样本选取策略, 对大量易获得的无标签情感数据进行预训练, 学习具有感知遮挡能力的表征, 再将此表征迁移到下游人脸表情识别任务以提高识别性能. 在下游任务中, 将每张人脸图像的表情分析问题转化为多个局部区域的情感检测问题, 使用通道-空间注意力机制学习人脸不同局部区域的细粒度注意力图, 并对加权特征进行融合, 削弱遮挡内容带来的噪声影响, 最后提出约束损失联合训练, 优化最终用于分类的融合特征. 实验结果表明, 无论是在公开的非遮挡人脸表情数据集(RAF-DB和FER2013)还是人工合成的遮挡人脸表情数据集上, 所提方法都取得了与现有先进方法可媲美的结果.     

基于局部流形注意力的人脸表情识别

人脸表情识别在各种人机交互场景中有广泛的应用, 但在表情模糊或存在遮挡情况下, 现有的表情识别方法效果并不理想. 针对表情模糊和遮挡问题, 本文提出了一种基于局部流形注意力(SPD-Attention)的网络架构, 利用流形学习得到具有更强描述能力的二阶统计信息以加强对表情细节特征的学习, 抑制遮挡区域无关特征对网络的影响. 同时, 针对流形学习过程中由于对数计算导致的梯度消失和爆炸, 本文提出了相应的正则约束加速网络收敛. 本文在公开表情识别数据集上测试了算法效果, 与VGG等经典方法相比取得了显著提升, 在AffectNet、CK+、FER2013、FER2013plus、RAF-DB、SFEW上正确率分别为: 57.10%、99.01%、69.51%、87.90%、86.63%、49.18%, 并在模糊、遮挡表情数据集上相比于Covariance Pooling等目前先进方法提升了1.85%.     

基于注意力及视觉Transformer的野外人脸表情识别

目前的人脸表情识别更关注包含面部遮挡、图像模糊等因素的野外图像而非实验室图像,且COVID-19的流行使得人们不得不在公共场合佩戴口罩,这给表情识别任务带来了新的挑战。受启发于最近Transformer在众多计算机视觉任务上的成功,提出了基于注意力及视觉Transformer的野外人脸表情识别模型,并率先使用CSWin Transformer作为主干网络。加入通道-空间注意力模块来提高模型对于全局特征的注意力。Sub-center ArcFace损失函数被用来进一步优化模型的分类能力。在两个公开的野外表情数据集RAF-DB和FERPlus上以及它们对应的口罩遮挡数据集上对所提出的方法进行了评估,识别准确率分别为88.80%、89.31%和76.12%、72.28%,提高了表情识别精度。     

构建并行卷积神经网络的表情识别算法

目的 表情识别在商业、安全、医学等领域有着广泛的应用前景,能够快速准确地识别出面部表情对其研究与应用具有重要意义。传统的机器学习方法需要手工提取特征且准确率难以保证。近年来,卷积神经网络因其良好的自学习和泛化能力得到广泛应用,但还存在表情特征提取困难、网络训练时间过长等问题,针对以上问题,提出一种基于并行卷积神经网络的表情识别方法。方法 首先对面部表情图像进行人脸定位、灰度统一以及角度调整等预处理,去除了复杂的背景、光照、角度等影响,得到了精确的人脸部分。然后针对表情图像设计一个具有两个并行卷积池化单元的卷积神经网络,可以提取细微的表情部分。该并行结构具有3个不同的通道,分别提取不同的图像特征并进行融合,最后送入SoftMax层进行分类。结果 实验使用提出的并行卷积神经网络在CK+、FER2013两个表情数据集上进行了10倍交叉验证,最终的结果取10次验证的平均值,在CK+及FER2013上取得了94.03%与65.6%的准确率。迭代一次的时间分别为0.185 s和0.101 s。结论 为卷积神经网络的设计提供了一种新思路,可以在控制深度的同时扩展广度,提取更多的表情特征。实验结果表明,针对数量、分辨率、大小等差异较大的表情数据集,该网络模型均能够获得较高的识别率并缩短训练时间。     

深度学习下融合不同模型的小样本表情识别

为了进一步提高人脸表情识别在小样本中的准确率,提出了一种深度学习下融合不同模型的小样本表情识别方法。该方法首先对单个卷积神经网络(CNN)模型进行比较,通过dropout层不同的节点保留概率p,筛选相对合适的CNN。之后采用尺度不变特征变换(SIFT)算法提取出特征,使用SIFT提取特征的目的是提高小数据的性能。为了减少误差,避免过拟合,将所有模型进行汇总,采用简单平均的模型融合方法得到CNN-SIFT-AVG模型。最后,只采用少量样本数据来训练模型即可。该模型已在FER2013、CK+和JAFFE数据集上进行了验证实验。实验结果表明,该模型可以很大程度上提高小样本表情识别的准确率,并在FER2013、CK+和JAFFE数据集上产生了较优异的结果,与其他表情识别方法相比,准确率最大提升约6%。