Gaze Estimation学习笔记(1)-Appearance-Based Gaze Estimation in the Wild
前言
简介
在使用神经网络解决Gaze Estimation的问题上，Appearance-Based Gaze Estimation in the Wild是非常基础的一篇论文。本篇博客主要尝试简单介绍论文使用的主要方法，并大致总结论文作者所得出的结论。
论文概述
本篇论文主要分为三个方面：
- 介绍了论文作者收集制作的MPIIGaze数据集。
- 介绍了一种使用了CNN作为主要方法的Gaze Estimation方法。
- 在多个数据集上使用多种方法进行分析比较，以得到更多对于Gaze Estimation的新理解。
论文主要内容
MPIIGaze数据集
论文作者在文中提到，大部分（截至论文撰写时的）主流Gaze Estimating方法往往基于实验室中受控的环境下采集的数据集，而这类数据集的眼部外表往往变化较少，光照情况、大部分有用像素的集中位置等特征也较为单一。因此，论文作者采集制作了MPIIGaze数据集，历时数月通过笔记本电脑对15个受试者进行采集，数据集主要具有以下特点：
- 全部在笔记本电脑的真实使用环境下采集，光照，眼部外表等特征相比其他数据集有显著的多样性。
- 由于不同受试者采集的摄像机位置不同，数据集中头部姿态，视线方向的覆盖范围较广且重复率较低。
论文作者认为，MPIIGaze数据集具有更高的复杂度，更加接近与日常生活中的各类场景。后文的研究也证明MPIIGaze数据集训练的模型确实在鲁棒性上有所提升。
引入CNN的新Gaze Estimation方法
在介绍完MPIIGaze数据集后，论文作者介绍了一种新的使用神经网络解决Gaze Estimation问题的方法。
文中提到，当时的各类方法往往将精确的人物头部姿态作为已知条件，是一种很强的假设。因此，论文作者提出了一套完整的方法，根据输入图像完整判断人物头部姿态、视线方向。
算法的流程图如下：（图片来源自论文）
算法将单目相机拍摄的照片作为输入，直接输出最终的视线方向。该算法主要分为以下三个部分：
- 人脸对齐与3D头部姿态判断
- 归一化
- 使用CNN进行视线检测
人脸对齐与3D头部姿态判断
第一部分中，输入为单目相机拍摄的人物图像。论文作者采用SURF cascade方法检测人脸，检测到人脸后采用constrained local mode framework定位人脸标记点，即双眼的左右边界点与人物嘴巴的左边边界点共6个点。
论文作者根据收集到的所有人脸数据，建立人脸的基础3D模型，并将人脸基础3D模型与识别出的6个人脸标记点对比，通过EPNP算法估计出人脸的3D旋转\(r\)，并将双眼标记点的中点，作为双眼的位置\(t\)。
至此，得到了人脸的3D旋转估计与双眼位置，进入下一步处理。
归一化
接下来，论文作者进行一系列操作将人脸图像归一化，以提高CNN的最终准确率。
首先，论文作者分别建立人脸坐标系与摄像机坐标系，具体规则可参考Gaze Estimation笔记——data normalization。归一化主要通过透视变换，达到以下目标：
- 将摄像机视角从固定距离\(d\)正对双眼位置\(t\)；
- 将人脸坐标与摄像机坐标的\(x\)轴平行。
归一化后的到分辨率固定的眼部图像\(e\)与2维的头部转动角度向量\(h\)。这样的归一化将跨数据集测试变为可行。
使用CNN进行视线检测
CNN的任务为处理输入的2D头部角度\(h\)、归一化后的眼部图像\(e\)，以得到最终的2维视线角度向量\(g\)。
论文作者采用的CNN构架是LeNet，在全连接层后训练了线性回归层以输出视线角度向量\(g\)。CNN将固定分辨率60x36的图片作为输入，两个卷积核分别为5x5x20、5x5x50。全连接层的隐藏单元共500个，并将头部角度\(h\)拼接至全连接层的输出，以得到最终的2维视线角度向量\(g\)。
论文作者进行的实验及结果
跨数据集测试
在跨数据集测试中，论文作者将头部、眼部角度覆盖最广的UT Multiview数据集作为训练集，分别测试了模型在MPIIGaze数据集与eyediap数据集上的结果，并与其余5种当时的表现顶尖的算法进行比较。
在两个测试数据集中，论文作者提出的基于CNN的方法表现均优于其他算法。并且各算法在MPIIGaze数据集上的准确率均低于eyediap数据集，证明了室外复杂环境下Gaze Estimation的难度提升。
此外，论文作者认为这一结果暴露了UT Multiview数据集在眼部外观上较为单一的缺陷，并推断出数据集多样性的缺乏是限制Gaze Estimation效果的因素之一。
数据集内测试
在单个数据集的测试中，论文作者提出的算法同样有最高的准确率。
此外，论文作者还将同样模型分别在UT Multiview数据集、MPIIGaze数据集下进行训练后，测试其在光照环境变化时的准确率，发现在MPIIGaze数据集下训练的模型明显对于光照变化有更强的适应能力，证明了数据集多样性对于室外Gaze Estimation的重要性。
算法的效果验证
论文作者还测试了不同CNN架构在UT Multiview数据集以及MPIIGaze数据集下的结果，证明提出的CNN架构优于当时的其他种类CNN。
同时，论文作者还进行了对不同识别对象进行单独训练的“person-specific”方法，发现在能针对不同对象进行单独训练的情况下，各类算法均有算法上的提升。
笔者的遗留问题
- 对于归一化使用EPNP算法得到3D头部旋转角度时的具体操作，即选定哪些点作为参考点、控制点还不清楚，论文中没有详细阐述，需要后期学习代码时留意。
- 归一化后头部坐标系与相机坐标系X轴对齐的情况下，按笔者理解应该只有头部上下转动一个角度，而\(h\)是二维向量，具体是哪两个角度也需要进一步学习。
