张栋昱,赵 磊

(武汉大学 国家网络安全学院,湖北 武汉 430072)

0 引 言

人脸表情是人们用来表达情绪的一种基本手段,更是非语言交流中的一种有效方式,人们可以通过表情准确而微妙地表达自己的思想感情,也可以通过表情辨认对方的态度和内心世界[1]。心理学家Mehrabian[2]研究表明,人类的感情表露55%来自于面部表情,可见人脸表情在感情表露中的重要地位。近些年来,人脸表情识别在众多领域得到了广泛的关注,并已然成为学术界和工业界的重要研究热点之一[3]。传统的人脸表情识别算法,在对各种特征进行抽取时,通常做法是事先通过人工设计特征提取器[4],较为常见的方法有梯度方向直方图[5](histogram of oriented gradient,HOG)、局部二值模式[6](local binary patterns,LBP)和主成分分析法[7](principal component analysis,PCA)等。但非常遗憾的是,在提取人脸表情特征时,现有传统方法的共性是很容易漏掉对分类识别有较大影响的关键特征,结果使得它们对人脸表情识别准确率长期以来不太理想[4]。

受益于近几年来计算机深度学习研究工作在图像识别等相关领域取得的巨大突破,逐步使得人脸表情识别由传统方法转为基于计算机深度学习的方法。作为深度学习领域最为经典的网络模型之一的卷积神经网络[8](convolutional neural networks,CNN),其主要优点是能够共享卷积核,对多维数据计算速度快,且具备较好的特征抽取与分类识别效果,使得该类型的网络模型在图像识别与语音处理等领域得到了较为广泛的应用[9]。进而,在传统的卷积神经网络基础之上,人们将一些引入某些特殊改进措施的模型,比如来源于Alex Krizhevsky的AlexNet[10]、来源于牛津大学计算机视觉组(visual geometry group)的VGGNet[11],还有来源于谷歌的GoogleNet[12]等网络模型,尝试用于人脸面部表情识别任务之中。但是,随着网络深度的不断加大,学习能力的不断加强,网络模型反而出现了所谓的“退化”,即造成了梯度爆炸与消失,优化效果也越来越差等不可控问题。在此背景之下,2016年华人学者何恺明博士等人提出了深度残差网络模型[13](deep residual networks,ResNet),它与当时其他卷积神经网络模型最大的不同在于,引入了残差的思想,解决了网络变深之后梯度消失的尴尬难题。

为更加准确且高效地区分人脸面部表情各个不同的类型,该文提出了一种基于改进的残差网络ResNet的网络模型,即首先引入了卷积注意力机制,对网络中间的特征图进行重构。同时,使用激活函数PReLU取代ResNet中原有的激活函数ReLU,避免了对于小于0的值梯度永远都会是0,造成网络中较多的神经元都“死”掉的问题。然后,在输出层的avgpool与fc之间加入Dropout,进一步抑制过拟合,并增加模型鲁棒性。实验结果表明,通过采用上述改进措施,很大程度上提升了人脸表情识别的准确率,验证了该方法的有效性与优异性。

1 ResNet概述

一般认为,加大网络模型的深度,相对来讲比加大宽度更能提升其数据拟合能力,即使得应用于图像分类任务时的准确率更高,但在实践过程中,仅单纯地通过不断增加卷积神经网络CNN的层数,网络模型却出现性能不增反减即“退化”的尴尬情形。该文采用残差网络ResNet作为人脸面部表情的特征提取网络,其增加网络层数的具体操作方法,是将恒等映射层叠加在浅层网络上,以构建残差学习单元。残差单元Bottleneck结构如图1所示,通过学习残差,将部分原始输入的特征信息,经过恒等映射层直接输出到下一层,在一定程度上减少了卷积层在进行信息传递时的特征丢失问题,可以在输入特征的基础上学习到其他新的特征,以便拥有更好的性能[14]。实践表明,残差网络ResNet的主要特点是非常容易优化,并且能够通过增加相当的深度来提高准确率,得益于其内部的残差块使用了跳跃连接,很大程度上缓解了在深度神经网络中仅简单地通过增加网络层数而带来的梯度消失问题。

图1 Bottleneck残差单元

设输入为x时所学特征为H(x),F(x)=H(x)-x为网络学习残差,则残差单元可以表示为:

yl=xl+F(xl,{Wl})

(1)

xl+1=f(yl)

(2)

其中,xl与yl分别表示第l层的输入和输出,Wl为权重矩阵,f(·)表示Relu激活函数。对于L层残差单元,从浅层到深层的学习特征公式为:

(3)

由于残差网络ResNet[15],不仅错误率较低,参数数量和计算量也较小,进而加速了模型训练的速度,使得训练模型的效果非常突出。ResNet系列网络模型有两种类型的残差块,分别为Buildingblock与Bottleneck,相对前者,后者既减少了参数量,保持了原有的精度,又优化了计算。文中的人脸表情识别网络模型选用ResNet101,其网络结构如表1所示。残差块Bottleneck相当于积木,不算初始的7×7卷积层和3×3 max pooling层,整个网络模型由4个layer组成,而每个layer由若干残差块Bottleneck叠加而成。其中,conv2_x、conv3_x、conv4_x与conv5_x分别对应layer1、layer2、layer3与layer4层。在网络输出层,通过Average Pool得到最终的特征,而不是通过全连接层,最后仅通过一层Linear层即完成了从特征到具体类别的映射过程。

表1 ResNet101网络结构

2 相关改进

2.1 融合注意力机制

神经网络中的卷积注意力机制(convolutional attention mechanism,CAM)已经广泛应用于多种场景,尤其是在基于深度学习的计算机视觉领域,比如图像分类(image classification)、目标检测(object detection)、目标跟踪(target tracking)、语义分割(semantic segmentation)、实例分割(instance segmentation)与全景分割(panoptic segmentation)等实际场合,其有效性与实用性已经得到了广泛与充分的验证。卷积注意力主要由空间注意力和通道注意力两个方面组成,在卷积神经网络CNN中,注意力机制作用于特征图(feature map)上,用于获取特征图中可用的注意力信息[16]。如图2所示,卷积注意力模块[17](convolutional block attention module,CBAM)由通道注意力模块(channel attention module,CAM)和空间注意力模块(spatial attention module,SAM)组成。这两个子模块分别关注了通道信息和空间信息,对网络中间的一系列的特征图进行再次构建,它突出一些重要特征,抑制其他一般特征,可以达到增强图像识别效果的最终目的。

图2 CBAM结构

注意力重构具体过程如公式(4)所示,其中F表示网络模型中某一网络层的特征图,Mc(F)表示使用CAM对F进行一维通道注意力重构,F'则表示经过通道注意力重构的特征图,Ms(F')表示使用SAM对F'进行二维空间注意力重构,F''则表示同时结合了通道与空间两个方面注意力的输出特征图,而⊗表示逐元素乘法。针对卷积神经网络CNN中某一网络层的三维特征图F∈RC×H×W,先后依次从F推理出一维通道注意力特征图Mc和二维空间注意力特征图Ms,并分别进行逐元素相乘,最终得出与F同等维度的输出特征图F''。

(4)

卷积注意力机制最为重要的功能,是重构网络模型中间层的特征图,即抽取特征图中的重要信息,并抑制其他的一般信息。对于残差网络ResNet,提取特征的最关键位置应该是在各个Bottleneck。综合考虑,该文将CBAM融合在各个layer之间,这么做的主要原因是残差网络模型ResNet在各个Bottleneck中已经完成了特征提取,CBAM在此处再进行注意力重构,可以起到承上启下的作用,融入了CBAM模块的ResNet 101结构如图3所示。

2.2 激活函数改进

激活函数对于神经网络去学习与理解复杂的非线性的业务逻辑来说具有非常重要的作用,它们将非线性特性引入到特定的网络模型中,使得神经网络具有拟合非线性情形的能力,即使得网络模型学习数据之间更为复杂的关系成为可能。残差网络ResNet的隐藏层激活函数默认采用线性修正单元函数[18](rectified linear unit,ReLU),其数学表达式如公式(5)所示,即当x大于0时函数值等于x本身,而当x小于或等于0时其值均为0。对应的函数曲线如图4所示。

图3 ResNet融合CBAM

(5)

图4 ReLU函数曲线

从图4函数曲线可以看出,ReLU函数非常简单且有效,其优点是计算效率高与收敛速度快,但最大缺点是存在神经元坏死问题,即当输入处于区间[0,-∞)内,函数的梯度变为0,模型无法执行反向传播,进而导致相应权重参数weight与偏移bias永远得不到更新,无法进行深度学习,也即这部分神经元彻底“死”掉了。

为了解决以上问题,该文采用带参数的线性修正单元函数[19](parametric rectified linear unit,PReLU)替代残差网络ResNet中原有的ReLU激活函数,如公式(6)所示。通常参数ai相对较小,一般位于0到1之间,它是通过在训练中自学习的,其对应的函数曲线如图5所示。

图5 PReLU函数曲线

(6)

从图5中可以看出,在负值区间[0,-∞)内,PReLU也存在一个较小的可学习的斜率,这样既保留了在原有正值区间[0,∞)内ReLU函数的优点,强化了模型的表达能力,同时又能避免上述的“Dead ReLU”问题。

2.3 使用Dropout

通常在训练网络模型时,如果该网络模型越深,也即卷积层与线性变换层越多,每层的神经元数就越多,而训练时提供的训练数据集与测试数据集的样本量又太少,那么训练出来的模型就非常容易发生过拟合问题,较为明显的矛盾在于,模型在训练数据上尽管损失较小且推理准确率较高,但是在全新的测试数据上推理的准确率却比较低,损失也比较大。当把一个小样本的数据集提交给一个较为复杂的神经网络进行训练时,非常容易发生过拟合,基于此背景,Hinton[20]于2012年在论文《Improving neural networks by preventing co-adaptation of feature detectors》中首次提出了Dropout,其示意图如图6所示。

图6 Dropout示意图

Dropout的具体做法是在训练深度神经网络模型过程中,按照一定的概率,随机地将一部分神经元从网络中暂时进行逻辑隔离。对于随机梯度下降来说,由于采用的是随机与暂时的隔离策略,因此每一个小批次都在训练不同的网络,但是在模型训练完成之后,每个神经元都不会缺席,都会参与到实际的推理工作中。实践表明,Dropout可以减少神经元相互之间的依赖性,较为有效地缓解网络模型过拟合现象的发生,在一定程度上可以达到降低结构风险、提高模型泛化能力的效果。

原本残差网络ResNet中并没有使用Dropout,但受Google提出的GoogleNet[12]网络模型的启发,它虽然不是通过全连接层(fully connected layer),而是通过Average Pooling得到最终的特征,网络中依然使用了Dropout,即在全连接层前面加入Dropout层,较为容易提升网络模型的泛化能力。基于上述考虑,为进一步防止模型过拟合,提高网络的鲁棒性,该文尝试在ResNet输出层的avgpool与fc之间使用Dropout策略,融入完Dropout层之后三者之间的关系如图7所示。

图7 ResNet融合Dropout

3 实验结果与分析

3.1 整体流程

采用改进的ResNet101网络模型进行训练与推理过程的整体流程如图8所示。

图8 训练与推理流程

从图中可知,依次进行数据集选取,数据增强,载入改进的模型,超参数调整,然后加载数据集进行训练与验证,在此过程中保存最优权重,最后利用最优的权重文件进行人脸表情推理识别。

3.2 实验环境

关于实验环境的硬件方面,CPU为Intel酷睿i7-12700H,内存为32 GB,硬盘为512 GB SSD,GPU为GeForce RTX 3060(8 GB GDDR6显存)。软件方面,操作系统为Windows11旗舰版,开发环境为PyCharm 2022,基于Python 3.8与当前学术界最热门的深度学习框架之一的Pytorch 1.11设计、开发、训练与测试。另外,为了提升网络模型训练与测试的速度,模型与数据均加载到GPU,并通过英伟达的统一计算设备架构(compute unified device architecture,CUDA)技术完成运算加速。

3.3 训练策略

优化器(optimizer)[21]就是在深度学习反向传播过程中,指引损失函数的各个参数往正确的方向更新合适的大小,使得更新后的各个参数让损失函数值不断逼近全局最小。该文在训练中选用算法Adam优化网络模型,它可以看作是Adaptive与Momentum的结合体,是一种可以替代随机梯度下降算法的优化算法。它能基于训练数据不断迭代并更新神经网络的模型参数,并且其通常被认为对超参数选择的健壮性相当好。模型训练的超参数配置如表2所示。

表2 模型训练的超参数配置

3.4 数据集

该文选用CK+人脸表情数据集,它是数据集Cohn-Kanade[22]的扩展版本,该数据集是在实验室条件下获取的,相对较为严谨可靠,是人脸表情识别中比较常用且标准的一个公开数据集。它包含123个对象的327个被标记的表情图片,共分为愤怒、蔑视、厌恶、害怕、高兴、悲伤和惊讶共七种表情,这七种表情的示例图片依次如图9所示。

图9 CK+七种表情示例

另外,该数据集7种表情的标签与英文、中文的对应关系如表3所示。

表3 CK+数据集标签对应关系

3.5 数据增强

实际上,由于CK+数据集样本的数量并不大,在网络模型的训练学习过程中,就较为容易发生过拟合现象,相应的模型泛化能力与鲁棒性也会较差。为了应对此问题,该文对样本数据进行数据增强处理。首先,将数据集所有原始图片样本统一Resize成224×224大小,然后进行随机饱和度、对比度以及明暗度等调整,同时也进行随机的缩放、旋转、偏移与反转等操作。通过此过程,使数据集的数据量增加了几十倍以上。另外,为了使实验结果避免偶然性,首先将数据集中的图片随机排序,接下来对整个数据集依照留出法分割为没有交集的两个集合,并按照2∶8的比例随机划分为测试集与训练集。

3.6 对比实验

为了验证该方法的有效性与优异性,下面与现有多种经典算法在CK+数据集上的识别准确率进行比较。

文献[23]将模型所提取的低、高两种层次特征相结合构造分类器,并基于跨连接网络进行人脸表情识别。

文献[24]首先采用加博尔滤波器提取特征,然后用主成分分析法降低特征图维数,最后用卷积神经网络进行人脸表情识别。

文献[25]首先在常规卷积池化操作基础上引入四层Inception结构,然后用跨数据库的方式来评估网络模型。

文献[26]提出了一个具有两个并行卷积池化单元的卷积神经网络分别提取不同的人脸特征,并将这些特征进行融合。

文献[27]提出了融合尺度不变特征变换(scale-invariant feature transform,SIFT)和卷积神经网络所提取的特征,并用支持向量机(support vector machine,SVM)进行分类。

文献[28]首先对密集的人脸标志点进行精确定位,然后将以标志点为中心的斑点中提取所有描述子串联起来,形成高维特征,最后基于深度稀疏自编码器对高维特征进行有效提取。

将文中网络模型与上述算法在CK+数据集上的表现进行对比,详细结果如表4所示。相比上述其他方法,文中模型对人脸表情识别更有针对性,它强化了重要特征,抑制了一般特征,取得了更好的实验效果。

表4 多种经典算法在CK+数据集上的识别率比较

3.7 消融实验

按照Batch_size大小,按批依次读入数据,在经过2 000个epoch迭代之后,模型在训练集与测试集上的loss均接近于0,在训练集上的正确率接近于99.81%,而在测试集上的正确率也接近于96.32%,各方法在CK+人脸数据集上的识别结果如表5所示。

表5 文中模型与baseline的对比

把ResNet101作为baseline,依次单独分别融入Dropout,PReLU与CBAM时,相对原始baseline,识别率都分别有所提升,尤其是融入了卷积注意力CBAM模块后,提高的百分比更为明显。最后,将这三个措施同时作用于改进ResNet101时,识别率直接提升到了96.12%,改善效果较为明显。可见,所设计的基于改进ResNet的方法对人脸表情识别任务较为有效。

接下来,利用混淆矩阵评估文中模型对人脸面部表情各个类型在识别过程中的混淆程度。通常一般认为,如果混淆矩阵的对角线上的数值越高,说明模型的识别混淆程度越低;相反,如果混淆矩阵反对角线上的数值越高,则说明模型的识别混淆程度越高。对文中模型的表情识别情况,表6是经过周密试验后进行整理的混淆矩阵的详细结果数据。

表6 CK+数据集混淆矩阵 %

从表6统计结果可以得出,文中网络模型对恐惧fear和悲伤sadness两种表情的识别效果相对较差,因为恐惧和悲伤均具备拉开嘴唇和紧张前额的特征,这两者之间具有较大的相似性,相对来讲更容易发生错误分类,而对于愤怒anger、惊讶surprise与高兴happiness这三种面部表情的识别准确率最高,分别达到了97.51%、99.53%与99.82%,这是因为这三种表情的面部特征均较为夸张,相对来讲面部特征更加容易被提取。但是,从整体上来讲,文中网络模型对上述七种人脸面部表情类型的识别分类具有较低的混淆效果。

4 结束语

针对人脸表情识别问题,提出了一种改进残差网络ResNet101的人脸表情识别方法。首先,为了精确提取面部表情特征,融合了卷积注意力机制CBAM,以重构网络中间的特征图,目的是突出重要特征,抑制其他一般特征,进而提升模型对有用特征的抽取能力。其次,使用带参数的线性修正单元激活函数PReLU替代原有的ReLU函数,在提高网络模型表达能力的同时避免出现在负值区域的函数的梯度变为0,进而使模型无法执行反向传播的问题。最后,在网络输出层的average pool层与fc层之间加入Dropout,以增加模型的鲁棒性与泛化性。实验结果表明,与现有多种经典算法,以及baseline算法即ResNet101相比,改进的网络模型具备更好的识别效果,证明了该方法的有效性与优异性。后续,将进一步研究复杂环境下的人脸表情识别,以不断增强网络模型的特征表达与学习能力。