淺談隨機森林在人臉對齊上的應用~

1. 隨機森林回顧

隨機森林由N棵決策樹組成，每一棵決策樹都具有不同的初始訓練樣本，在訓練過程中，還需要一個屬性候選集，訓練樣本子集根據(jù)候選集合中的屬性，依據(jù)分裂依據(jù)進行進一步分類，這一步俗稱“分裂”，直至滿足人為設定的收斂條件。

我個人認為，分裂的想法十分重要，它使得決策樹成功記憶住如何從頭開始，一步一步將樣本正確分類。于是在測試的過程中，測試樣本完全是按照這種記憶力將自己的類別確定下來。

不得不說，這是一種傻瓜式的策略，只要訓練樣本足夠多，不斷的學習，肯定能把這玩意學會！那么現(xiàn)在有個問題，我在特征點定位的時候，怎么能和隨機森林搭上關系呢？或者說，如何利用隨機森林建立模型解決人臉對齊問題？我覺得問題可以分解為如下幾個子問題。

在應用隨機森林做特征點標記的時候
1、候選屬性集是什么？
2、特征是什么？
3、分裂依據(jù)是什么？
4、葉子節(jié)點內(nèi)存放的是什么？
5、測試過程是什么樣？

《Face Alignment At 3000fps via Local Binary Features》一文給出了精彩的回答。

2. 隨機森林進行特征點定位

先大概說說LBF算法的背景，LBF是中科大的幾位學者提出來的算法，發(fā)表在CVPR2014上，這個會議大家都知道，里面的文章都是很靠譜的。LBF雖然沒有提供源碼但我們實現(xiàn)過，可以說效果與當前流行的其他算法如ESR，SDM基本保持一致，速度雖然說打不到3000fps，但也有300FPS，可以說實用意義很強。其算法思想是基于學習理論，將每個特征點用一個標準隨機森林訓練，使得森林能夠記住各種姿態(tài)下的“特征點走勢”，得到特征點的稀疏編碼，再通過全局優(yōu)化得到最終的標定結果。本文主要說一說我對隨機森林這塊的理解。

主要還是回答一下上面的幾個子問題。

1. 隨機森林的重點是挑選屬性進行節(jié)點分裂，LBF將候選屬性集定義為“當前特征點周圍圓形鄰域內(nèi)的隨機撒點”，如下圖所示：

這樣做的目的很直白，就是通過比較各個隨機撒點（比如有500個）的信息增益值，挑選最小的那一個作為分裂屬性，效果是使得初始的不準確特征點一點一點的向真實位置靠近。與眾不同的地方在于，LBF將像素位置作為候選屬性，這么做很靈活。

2. 在文中給出的特征是“pixel-difference feature”，看過它的引用文獻，發(fā)現(xiàn)這個特征十分的簡單，就是兩個像素之間的灰度差，這恰好解釋了LBF快速的原因（SDM用的是sift特征，大家想想吧！?。推渌四槍R算法一樣，始終要利用紋理信息。

3. 分裂的依據(jù)就是信息增益值，這里舉個例子，比如隨機森林共有50棵樹，候選屬性個數(shù)為500，每棵樹的訓練樣本個數(shù)為1000，那么在根節(jié)點上，我就要將這1000個樣本的當前特征點與每個候選屬性進行計算，也就是得到了500 * 1000個pixel-difference feature，然后對每一組pixel-difference feature計算信息增益值，也就是說得到了500個信息增益值，然后挑選出最小的那個值所對應的候選屬性作為當前節(jié)點的分裂屬性，進一步，有了分裂屬性，與事先設定的閾值（？？）進行比較，將1000個樣本進行分類，共分為兩類！至于論文中選擇的信息增益手段，是“maximum variance reduction”，這里不多說，大家自己查查就知道了哈！

4. 葉子節(jié)點中存放的本來是訓練樣本，但是為了之后的計算方便，要對訓練樣本與初始值做減法再做平均，于是存放的其實是偏移值。

5. 訓練與測試過程的流程如下，測試樣本在每棵決策樹中只能抵達一個葉子節(jié)點，累加所有葉子節(jié)點中的偏移量，得到的就是最終的結果。LBF別出心裁，采用了一個稀疏編碼完成這一過程。

3. 一點想法

特征方面，LBF用的只是灰度差值作為特征，這種特征判別性很弱，很容易受到遮擋和噪聲的影響，多虧了隨機森林一級一級的訓練，以及足夠多的樣本可以防止算法陷入過擬合才把這個特征的弱勢掩蓋下去，如果我們在這個特征基礎上再加上空間距離，算法性能可能會更好，不信大家試一試看。