中科院aibench_CVPR2019人脸防伪检测挑战赛Top3论文代码及模型解析
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来源：知乎
链接：https://zhuanlan.zhihu.com/p/69542283
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赛事简介
ChaLearn Face Anti-spoofing Attack Detection Challenge@CVPR2019：
CVPR2019的workshop，此次比赛项目是人脸防欺诈攻击检测。
人脸防欺诈攻击检测，主要是帮助人脸识别系统判断被采集人脸是用户本人脸部，还是打印的照片，录制的视频，3D面具等伪造物，所以也叫活体检测。这项技术对于手机解锁，门禁控制，刷脸支付的安全性是至关重要的。
从技术发展上，人脸防欺诈检测可以简单地分为两大类：传统的人工特征模式识别方法和近几年兴起的CNN深度学习方法。通过在几个通用数据集上的测试，目前，深度学习方法在识别准确性上对传统方法已成碾压态势。本次比赛中，也很难见到传统方法的身影。
衡量指标
衡量人脸识别算法性能的优劣有很多不同的标准，比如FAR，FRR，TAR等，这次比赛主要依据的是TPR@10e-4 FPR作为衡量标准。
TPR (True Positive Rate)真正类率，又叫真阳率，代表预测是异常实际也是异常的样本数，占实际总异常数的比例——数值越大，性能越好：
FPR (False Positive Rate)假正类率，又叫假阳率，代表预测是异常但实际是正常的样本数，占实际正常总数的比例——数值越小，性能越好：
TPR@10e-4 FPR即为当FPR为10e-4时候的TPR的数值，之所以采用这种形式是因为在不同的FPR下度量的TPR是会不同的。
这个数值越大，说明算法性能越好。
比赛数据集
此次比赛的数据集是CASIA-SURF，这是中科院自动化所推出的数据集，包含了1000个个体样本的21000段视频。采集设备是英特尔的RealSense SR300立体相机，同时采集了RGB，红外图，和深度图。数据集按3：1：6的比例分成了训练、开发、测试三个子集。大赛为了检验参赛模型有足够泛化能力，训练集只给了一部分。
Top3团队及参赛模型介绍
Top3的团队在美国长滩岛CVPR2019 Worshop上做了技术分享。全部成绩信息：
注：比赛分为多个阶段，本文采用的结果为最终被CVPR2019接受的时间点的结果。
冠军：Visionlabs -俄罗斯明星面部识别初创公司
VisionLabs是俄罗斯的一家专注于人脸识别、物体识别、增强现实和虚拟现实的公司，是全球视觉识别市场的领导者。
这家公司充分发挥了战斗民族的数学天赋(雪地里能格斗，回屋里能解题，能文能武。。)，其技术团队由计算机视觉和机器学习专家组成，拥有独家开发的最先进的算法和技术。
VisionLabs处理了俄罗斯和独联体几百万摄像头中的数据流。占据俄罗斯和独联体人脸识别技术引进的80%份额。
美国情报局举办的全球人脸识别挑战赛(IARPA)上，包揽了识别速度和识别准确率两项比赛的冠军。美国情报局承认其人脸识别技术是世界第一。
VisionLabs 与 Facebook 和 Google 是合作伙伴关系，他们共同开发了一个开源计算机视觉平台(Facebook和谷歌为该项目提供了资金支持)，这个平台整合了OpenCV和Torch两个最受开发人员欢迎的神经网络和人工智能库。他们与NVidia合作打造了人脸识别汽车钥匙。
CVPR2019的这次挑战赛上VisionLabs拿了冠军。公司长期目标是15到20年内用生物特征取代全俄罗斯的护照。
论文：
Recognizing Multi-modal Face Spoofing with Face Recognition Networks
链接：
http://openaccess
.thecvf.com
/content
_CVPRW_2019/papers/CFS/Parkin_Recognizing_Multi-Modal_Face_Spoofing_With_Face_Recognition_Networks_CVPRW_2019_paper.pdf
代码：
AlexanderParkin/ChaLearn_liveness_challenge
链接：
https://github.com/AlexanderParkin/ChaLearn_liveness_challenge
模型简评：
模型基于经典的ResNet-34和ResNet-50做backbone，加入了SE模块。
SE模块，Sequeeze-and-Excitation(SE) block，源自2017年的论文Squeeze-and-Excitation Networks,l链接：
https://arxiv.org/abs/1709.01507
。SE block并不是一个完整的网络结构，而是一个子结构，可以嵌到其他分类或检测模型中，比如下图是SE-ResNet:
SENet的核心思想在于通过网络根据loss去学习特征权重，使得有效的feature map权重大，无效或效果小的feature map权重小的方式训练模型达到更好的结果。当然，SE block嵌在原有的一些分类网络中不可避免地增加了一些参数和计算量，但是在效果面前还是可以接受的。
夺冠技巧：
正如visionlab自己总结的那样，他们的算法之所以solid，是在数据处理，模型架构，参数初始化三个方面的优势累积的结果。
一、
对训练集的巧妙拆分
为了提高模型的泛化能力和鲁棒性，不仅仅能够识别训练集里面的攻击类型，也能够对测试集里未知的攻击具备识别能力，作者将训练集拆成三份。每一份里面含有两种攻击，然后第三种攻击作为测试。训练的时候，将三个网络看成一个单一模型，对预测结果分数进行平均。
二、
MLFA blocks 多层次特征聚合模块
即Multi-level feature aggregation，使用随机权重初始化MLFA，再用最好的学习策略进行训练，会发现包含MLFA blocks的错误率比不包含的降低了1.5倍。原因是，MLFA blocks可以充分利用来自不同模态粗细层级的特征进行融合。
三、使用多个不同任务的预训练模型fine-tuning
因为训练数据有限，使用预训练模型进行模型参数初始化时很常见的技巧。visionlabs为了让防欺诈模型具有更广泛的人脸特征学习能力，使用了人脸识别和性别检测的预训练模型作为初始化参数，然后在四个数据集上进行fine-tuning。结果证明，对于目标任务的不同预训练模型进行特征迁移是有作用的，使用多种人脸相关任务的综合结果能够提高系统的稳定性和性能。
一系列技巧，让冠军的方案TPR@FPR=10-4已经无限接近100%；但是，这个模型并不是完美的，因为网络复杂，子模型众多，还有SE模块这种子结构增加了系统复杂性，使得它准确率出色，速度却比较尴尬，不能达到实时。这也是该团队下一步的工作重点。
亚军：上海阅面科技有限公司-中国视觉AI新秀
阅面科技是上海交大AI博士赵京雷的初创公司，成立于2015年的上海。
定位明确，致力于在低功耗AI芯片端进行视觉AI应用的开拓，拥有一系列行业领先的核心技术。
核心研发团队由来自阿里、百度、以及卡内基梅隆大学的顶尖人工智能研发人员组成。
论文：
FaceBagNet: Bag-of-local-features Model for Multi-modal Face Anti-spoofing
链接：
http://openaccess.thecvf.com/content_CVPRW_2019/papers/CFS/Shen_FaceBagNet_Bag-Of-Local-Features_Model_for_Multi-Modal_Face_Anti-Spoofing_CVPRW_2019_paper.pdf
代码：
SeuTao/CVPR19-Face-Anti-spoofing
链接：
https://github.com/SeuTao/CVPR19-Face-Anti-spoofing
模型简评：
注：阅面科技是前三名里唯一不提供pretrained model下载链接的团队，截止发稿时间未回答预训练模型相关的问题，保持了十足的神秘感，也给其他人复现其比赛结果造成了一定的障碍。
他们提出了一个带有模态特征擦除功能(MFE)的多路CNN架构，因为其中借鉴了BagNet的思想，故名为FaceBagNet。从短短5页的论文中，可以看出该团队主要使用了2个方法来提升比赛成绩：
一、
patch-based 特征学习
因为欺诈相关的区别性信息遍布于整个脸部区域，所以使用CNN去提取patch级别的图片信息。常见的基于patch的方案，会把整个脸部分割成数个互相不交叠的固定区域，然后每个区域训练一个独立的子网络。
本文的使用方法，对于每一个模态，训练一个单一的CNN随机从脸部获取patch。然后，使用他们自定制的ResNext网络提取特征。网络中包括五组卷积模块，一个GAP，一个softmax层。
结果证明，基于patch的特征对于不同的欺诈攻击具有很高辨别能力。
二、使用MFE模块进行multi-stream融合
RGB，IR，depth三种模态各有一个独立的子网络，三个子网络提取的特征肯定是不同的。在第三个卷积模块后，将特征图进行拼接。这是不同模态结果进行融合的方案。
为什么要使用MFE模块呢？因为这里面有一个问题，直接简单的拼接不同模态的channel，无法充分利用不同模态之间的关联特性。为了防止过拟合和更好的进行特征学习，于是引入了MFE，即Modal Feature Erasing。训练的时候，随机选择一个模态的特征输入进行擦除(其实就是置零)。结果证明，这招有效防止了过拟合。dropout的既视感。
季军：英特尔公司+华科大
英特尔，没什么好说的，老牌美企，半导体行业的常青树，对深度学习领域不断投注资本(并购狂魔)。这次的季军来自位于上海的亚太研发中心，鉴于英特尔长期致力于和国内高校进行合作研究，论文也属名了华科大。
论文：
FeatherNets: Convolutional Neural Networks as Ligh as Feather for Face Anti-spoofing
链接：
https://arxiv.org/pdf/1904.09290.pdf
代码：
https://github.com/SoftwareGift...
链接：
https://github.com/SoftwareGift/FeatherNets_Face-Anti-spoofing-Attack-Detection-Challenge-CVPR2019
模型简评：
模型的名字叫FeatherNet，寓意轻如鸿毛，是轻量级的神经网络模型。主要有两个特色方法：
一、Streaming Model 流模块
主要是替代全局平均池化GAP(Global Average Pooling)。
GAP被众多state of the art 目标检测网络采用，比如ReasNets，DenseNet，MobileNetV2，ShuffleNetV2，非常主流，适合降维和防止过拟合。但是在人脸相关的任务中，GAP对准确性却容易造成负面影响，主要原因在于其中的“equal importance”不适合人脸任务。为什么呢？简而言之，人脸图像不同于一般的目标检测图像，中心区域应该比边缘区域享有更高的权重，GAP是无法做区域权重区分的。能做到这一点的，一个可能选择是全连接层，但是会大量增加模型参数和过拟合的风险，不可取。
作者选用了(DWConv)Depthwise convolution layer来解决这个问题，读者会觉得有点儿眼熟，因为在2018年有一篇论文“Mobilefacenets: Efficient cnns for accurate real-time face verification on mobile devices. ”，里面就论证了Global Depthwise Convolution (GDConv) layer对于人脸任务的有效性。
根据测试结果，Streaming module比GAP精确度更高，又不会像FC层显著增加参数和过拟合风险。
这就是为什么要多读相关领域的论文，因为拿来主义经常很奏效！
二、multi-result fusion
多模态数据的结果最终一定是要融合的，具体到融合的策略就八仙过海各显神通了。FeatherNets选择的是传统的cascade级联的方法，设计了一种新的融合分类器体系结构，将从多模态数据(depth 和 IR 数据)中学习到的多模型进行组合和级联；具体架构如下：1.基于depth images先判断好区分的样本，输出real和fake的结果；2.将上一阶段不好确定的样本再通过IR images再判断一轮，输出最终结果。
结语
显而易见，基于CNN的深度学习方法已经彻底改变了人脸防欺诈检测领域的发展轨迹，就如同DeepFace等技术也改变了人脸检测，人脸识别等其他领域的发展轨迹一样，可以成为一场正在进行的技术革命；
对于这项挑战赛，在数据集、评价方法都已经限定的情况下，结果就是一切。相对于一般的CVPR文章，创新性的考核实际是被削弱了的。而能够决定分数的，实际是经验和技巧。不难发展，名列前茅的参赛选手，都在Kaggle等比赛平台上经验丰富，硕果累累。论文是调试技巧的强行归纳，这也是为什么论文都比较短的原因。
拿来主义一直是很有效的。当然，这里的拿来主义并不是贬义的，更不是简单的搬运，而是基于对大量论文的涉猎，通过深入的理解消化和融会贯通，而获得的对问题本质的敏锐洞察力，和对潜在的解决方案的横向连接能力。无他，唯手熟尔。
Top3的方案不约而同地采用了PyTorch平台进行实现。所以，平台之争孰为王者又多了一个有力例证。
参考文献
[1] ChaLearn Face Anti-spoofing Attack Detection Challenge@CVPR2019,link
[2] Shifeng Zhang, Xiaobo Wang, Ajian Liu, Chenxu Zhao, Jun Wan, Sergio Escalera, Hailin Shi, Zezheng Wang, Stan Z. Li, " CASIA-SURF: A Dataset and Benchmark for Large-scale Multi-modal Face Anti-spoofing ", arXiv, 2018 PDF
[3] Aleksandr Parkin et al, "Recognizing Multi-modal Face Spoofing with Face Recognition Networks" (1st place)
http://openaccess.thecvf.com/content_CVPRW_2019/papers/CFS/Parkin_Recognizing_Multi-Modal_Face_Spoofing_With_Face_Recognition_Networks_CVPRW_2019_paper.pdf
[4] FaceBagNet: Bag-of-local-features Model for Multi-modal Face Anti-spoofing (2nd place)http://openaccess.thecvf.com/content_CVPRW_2019/papers/CFS/Shen_FaceBagNet_Bag-Of-Local-Features_Model_for_Multi-Modal_Face_Anti-Spoofing_CVPRW_2019_paper.pdf
[5] Peng Zhang et al, "FeatherNets: Convolutional Neural Networks as Ligh as Feather for Face Anti-spoofing"(3rd place) https://arxiv.org/pdf/1904.09290.pdf
[6] Squeeze-and-Excitation Networks https://arxiv.org/abs/1709.01507
-End-
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