论文 | FaceNet脸部识别《FaceNet：A unifi
一 写在前面
最近在学图像检索这一方面的内容，所以挑了两篇比较经典的论文来学习：
- 论文：Learning visual similarity for product design with convolutional neural networks
- 论文：FaceNet: A Unified Embedding for Face Recognition and Clustering
两篇论文分别是contrastive loss和triplet loss的应用。
之前已经写了第一篇文章的总结论文 | 图像检索经典论文解读《Learning visual similarity for product design with convolutional neural networks》，现在把FaceNet这篇也看掉了，所以趁热整理一下。
二 文章简介
1 整体介绍
- 首先看题目就可以知道，文章提出了一个FaceNet结构，可以用于脸部识别和聚类的统一嵌入网络。
- 简单来说就是可以学习每张人脸的欧几里德距离，取两张人脸图像欧几里德距离的L2范式的平方就可以直接对应于这两张人脸图像之间的相似性。
- L2的平方小，相似度高；
- L2的平方大，相似度低；
- 得到嵌入距离之后就可以很快的解决一下问题：
- face verification: 人脸验证，设置一个阈值，距离小于阈值即可；
- face recognition: 人脸识别，可以用k-NN邻近算法；
- face clustering：人脸聚类，可以用k-means等算法；
跟之前那篇论文一样，本质在于学习到图像的表示，所以论文题目称之为统一的嵌入网络。
如下图展示的是人脸验证
得到2张人脸的相似度，小于阈值1.1即判定为同一个人。
2 文章主要贡献
文章主要完成了FaceNet这样一个用于学习人脸图像特征的模型，主要有以下几点：
- 直接用CNN网络进行端到端的训练；
- 使用了triplet loss，并提出了比较好的triplet 样本挖掘方法；
- 仅仅用128字节的大小表示人脸就达到state-of-art 水平。
这里我主要总结了网络结构部分的内容，其他的内容感兴趣的小伙伴可以再点击最下面的参考文献阅读原文~~~
三 网络结构介绍
1 模型结构
如上图所示即为模型的整体结构。
-
假设我们先不管中间
DEEP ARCHITECTURE的具体结构，还是将其作为一个黑盒子f(x)。 -
输入人脸图像数据x，通过深度CNN之后就会得到一个f(x),再对其做L2归一化之后就可以得到对这张人脸的表示
embedding。 -
然后用triplet loss(anchor, positive, negative)方法对这整个模型进行端到端的训练。
接下来我会具体介绍网络模型中的各个部分。
2 triplet loss
1. 宏观理解
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对于一组triplet sample(anchor, positive, negative)；
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我们旨在通过神经网络的训练与学习让(anchor,positive)的距离变小，让(abchor,negative)的距离变大；
2. 函数建模
- 我们用(Xa,Xp,Xn)来表示一组数据；
-
我们希望满足以下条件：
- 对于任意一组数据，我们都希望(anchor,positive)之间的距离+margin < (anchor,negative)之间的距离；
3. loss function
-
根据上面的式(1), (2)，我们可以得到如下的损失函数：
-
我们的目标就转变为训练网络模型使得上式(3)的loss function不断变小。
3 triplet 样本选择
1. 目标
- 如何选择triplet sample对于模型的训练以及最后的结构都非常重要；
- 因此本文提出了 一种用于寻找较好triplet sample的方法，旨在让triplet的难度随着网络的训练而逐渐增加；
2. hard triplet
-
hard triplet指的就是那些比较难判断的sample，体现在anchor与正样本的距离较大，anchor与负样本的距离较小； -
这样能够训练网络模型识别的难度；
-
所以用数学表示，即我们希望能够找到这样的postive与negative：
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3. 难点
- 对于每一个anchor，都想选择一个hard triplet是有难处的；
- 首先在所有的训练集合内是选择最难的positive与negative是不现实的，需要耗费大量的时间与计算；
- 其次这样选出来的很可能是错误标记或者是不良成像的图像，反而会导致training的过程并不好；
4. 解决方法
我们直观可以想到以下两种策略：
- 每n步线下生成：用最近一次训练好的网络在训练集的自己种选择argmax的positive以及argmin的negative
- 线上生成：在mini-batch中选择hard positive/nagative;
- 本文做了两部分的实验，但是文中展示出的用的是线上生成的方式，线下生成的没有给出结果展示。
4 CNN网络结构
文章一共探索了两种神经网络：
- zeiler & Fergus model (NN1)
- GoogleNet Style Inception model (NN2)
- 两个网络都能接受[220,220,3]的输入，输出[1,1,128]维的输出；
- 这边的细节就不再说了，反正就是一个特征提取网络的选择问题；
5 其他细节补充
1. 关于batch内样本分配
- 为了保证合理性，一定要保证每个triplet sampl都是正负样本的；
- 先保证每个minibatch中每个identity都有40张positive人脸图像；
- 再随机将neagtive faces放到minibatch中；
2. 关于batch_size
- 在深度神经网梯度下降中，我们希望
batch_size不能太大； - 在triplet section中我们又希望
batch_size不能太小； - 最后文章中取了1800/batch;
3. 关于网络参数
- 使用SGD优化；
- 初始learning_rate=0.05
- margin:α=0.2
4. 关于semi-hard
- 如果全部都用hardest sample的话会导致模型坍塌, f(x)趋于0；
- 训练难度可以由难到简；
-
也可以选择semi-hard:
四 写在最后
就写到这里吧，嘻嘻~~~~~~~~
ヾ(◍°∇°◍)ﾉﾞ
希望自己能一直保持写博客的习惯，保持记录的习惯，保持分享的习惯。
