CNN-based Cascaded Multi-task Learning of High-level Prior and Density Estimation for Crowd Counting

本文介绍了一种结合高级先验和CNN的级联多任务学习方法,用于人群计数。通过共享卷积层学习高级先验和密度估计,解决了尺度变化带来的挑战,提升了模型的鲁棒性和准确性。

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Introduction

人群计数所面临的挑战之一是由视角畸变导致的外观和尺度变化。许多方法都将尺度信息合并到学习过程中。早期的方法是通过多源或者手工设计提取特征,但是这些方法在高密度人群中是无效的,而且结果不是最优的。目前基于CNN的方法开始应用在人群计数上。考虑到尺度问题是影响准确率的一个因素,有些基于CNN的方法通过多列网络或多分辨率网络解决这个问题。虽然这些方法对于尺度变化有一定的鲁棒性,但是不能作为一个通用的学习模型。

本论文的目的是将一个高级先验与网络合并,学习出一个满足数据集中各种密度等级的模型。高级先验先根据图中人的数量分为不同的带标签的组。利用标签,这个高级先验能大致估计整个图片中的人数,而不受尺度变化的影响,从而使网络能学到更多的判别全局特征。利用高级先验和CNN网络共同进行密度图的估计


在这里插入图片描述

这两个任务(人群密度估计和高级先验)共享一个卷积层,然后分为两个网络。将高阶先验学习到的全局特征与第二组卷积层获得的特征图连接起来,再由一组分阶条纹卷积层进一步处理,得到高分辨率密度图。

Related work

传统的人群计数依赖于手工提取低级特征,在这些特征和密度或数量间建立映射,通过不同的回归方法得出结果。Loy将这些方法分为三类:基于探测的方法、基于回归的方法和基于密度估计的方法。
基于探测的方法主要使用基于滑动窗口的探测算法计算图片中物体实例的数量,不适用于高密度人群和杂乱背景下。为了克服这些问题,研究人员试图通过回归来计算,在回归中他们学习了从局部图像中提取的特征与数量之间的映射关系。Idree利用相似的方法,融合了多个来源计数,同时还提出了含有50张图片,64000个人的数据集UCF_CC_50。
检测和回归方法在对全局计数进行回归时,忽略了图像中存在的关键空间

### MTCNN (Multi-task Cascaded Convolutional Networks) 介绍 MTCNN 是一种专门针对人脸检测和对齐设计的多任务级联卷积神经网络架构。此模型通过三个阶段逐步细化候选区域,从而实现高效而精确的人脸定位与特征点标注[^1]。 #### 架构组成 整个系统由 P-Net、R-Net 和 O-Net 组成: - **P-Net**: 提供初步的脸部提议框,负责生成大量粗略的候选窗口; - **R-Net**: 对这些提议进行更细致的选择,去除大部分非脸部区域; - **O-Net**: 输出最终的结果,不仅提供更加精准的位置预测还能够标记出五官位置[^3]。 ### 工作原理 MTCNN 的核心在于其分层筛选机制以及如何利用不同尺度下的图像信息来提高检测准确性。具体来说,在每个子网内部都会执行如下操作: - 使用滑动窗遍历整张图片寻找可能存在的面孔; - 进行分类判断当前窗口内是否存在人脸; - 如果存在,则调整边界框大小并估计姿态角度; - 应用非极大值抑制算法消除冗余重叠矩形框; 随着流程推进到后续阶段,输入数据量逐渐减少但质量更高,使得计算资源得以有效分配给最有潜力成为真实人脸的目标上[^2]。 ### 实现方式 为了便于理解和部署,下面给出一段基于 Python 的简单示例代码展示如何调用预训练好的 MTCNN 模型来进行基本功能测试: ```python import cv2 from mtcnn import MTCNN detector = MTCNN() image_path = "input.jpg" img = cv2.imread(image_path) faces = detector.detect_faces(img) for face in faces: box = face['box'] keypoints = face['keypoints'] # Draw bounding boxes and facial landmarks on the image cv2.rectangle(img, (box[0], box[1]), (box[0]+box[2], box[1]+box[3]), color=(0, 255, 0), thickness=2) for keypoint_name in keypoints.keys(): point = keypoints[keypoint_name] cv2.circle(img, center=point, radius=2, color=(0, 0, 255), thickness=-1) cv2.imwrite('new.jpg', img) ``` 这段脚本会读取指定路径中的照片文件 `input.jpg` ,经过 MTCNN 处理后保存带有绘制好边框及关键点的新版本至同目录下名为 `new.jpg` 文件中[^4]。 ### 应用场景 由于具备出色的性能表现和技术优势,MTCNN 广泛应用于各种涉及视觉理解的任务当中,比如但不限于: - 自拍美化应用里自动识别人物轮廓以便施加滤镜效果; - 视频监控领域实时跟踪特定个体活动轨迹; - 身份验证服务确保用户身份真实性防止欺诈行为发生等。
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