人脸识别中的损失函数

本文主要是针对人脸识别中的各种loss进行总结。

背景

对于分类问题，我们常用的loss function是softmax，表示为： ,当然有softmax肯定也有hardmax: ，softmax和hardmax相比，优势是更容易收敛，更容易达到one-hot。softmax鼓励特征分开，但是并不鼓励分的很开，对于人脸识别来说我们需要类内的距离也足够小，同时保证类间的距离足够大。现有的人脸loss大都基于L2距离和cos距离。

Contrastive Loss

核心思想是随机从训练样本中选择两个样本，如果两者属于同一类，那么使他们的距离尽可能小，否则的话就是使他们的距离尽可能远。Loss function为：

y表示的是否是同一类别。它的缺点很明显，就是需要为每对非同类样本指定margin，而且这个margin是固定的，这就导致embedding空间是固定的，不能发生畸变(distortion)。triplet loss的margin是不固定的。这样的话，对于contrastive loss来说，选择hard example通常会更快地收敛。

https://github.com/delijati/pytorch-siamese/blob/master/contrastive.py​github.com/delijati/pytorch-siamese/blob/master/contrastive.py

class ContrastiveLoss(torch.nn.Module):
"""
Contrastive loss function.
Based on:
"""
def __init__(self, margin=1.0):
super(ContrastiveLoss, self).__init__()
self.margin = margin
def check_type_forward(self, in_types):
assert len(in_types) == 3
x0_type, x1_type, y_type = in_types
assert x0_type.size() == x1_type.shape
assert x1_type.size()[0] == y_type.shape[0]
assert x1_type.size()[0] > 0
assert x0_type.dim() == 2
assert x1_type.dim() == 2
assert y_type.dim() == 1
def forward(self, x0, x1, y):
self.check_type_forward((x0, x1, y))
# euclidian distance
diff = x0 - x1
dist_sq = torch.sum(torch.pow(diff, 2), 1)
dist = torch.sqrt(dist_sq)
mdist = self.margin - dist
dist = torch.clamp(mdist, min=0.0)
loss = y * dist_sq + (1 - y) * torch.pow(dist, 2)
loss = torch.sum(loss) / 2.0 / x0.size()[0]
return loss

Triplet Loss

They use Euclidean embedding space to find the similarity or difference between faces. Loss minimizes the distances between similar faces and maximizes one between different faces.

其中f()是embedding function，a是anchor sample，p是positive sample, n是negative sample， 是positive samples和negative samples之间的margin。

从而得到这样的constraint:

,我们只关心违背了constraint的pair，因为这样对训练有用，我们需要选择与anchor最近的negative和最远的positive，同时如何选择pair又是一件非常tricky的事，直接去找最大和最小肯定是不现实的，代价太大！文章提出了两种方法：

1. 离线，每n步使用最近的网络再一个subset中选择所需要的样本；

2. 在线，mini-batch中选择

作者选择了第二种。

https://github.com/adambielski/siamese-triplet/blob/master/losses.py​github.com/adambielski/siamese-triplet/blob/master/losses.py

class TripletLoss(nn.Module):
"""
Triplet loss
Takes embeddings of an anchor sample, a positive sample and a negative sample
"""
def __init__(self, margin):
super(TripletLoss, self).__init__()
self.margin = margin
def forward(self, anchor, positive, negative, size_average=True):
distance_positive = (anchor - positive).pow(2).sum(1) # .pow(.5)
distance_negative = (anchor - negative).pow(2).sum(1) # .pow(.5)
losses = F.relu(distance_positive - distance_negative + self.margin)
return losses.mean() if size_average else losses.sum()

Center Loss

最小化类内的variations，同时保证类间的特征分开：

,其中c类中心，随网络一起更新。

下面就是更新的一些推导：

https://github.com/KaiyangZhou/pytorch-center-loss​github.com/KaiyangZhou/pytorch-center-loss

L-Softmax Loss

样本和参数的分离性可以分解成amplitude和angular

所以对于softmax的cross entropy loss可以写成：

对于初始的二分类softmax来说，我们需要保证：

,即

考虑到 函数在 是单调递减的，为了提高分类的难度，将其改写成：

m越大，对于相同的 和x来说， 的选择空间越小，分类也越严格，使得学到的类间特征会更加接近W，减小类内的距离，与此同时中间的间隔也会更大，这样可以增加类间的距离。本质上是通过限制decision margin来提高分离性！

最终得到：

A-Softmax Loss

和L-Softmax类似，不过A-Softmax将参数W的归一化，使得W的l2 norm为1，这样的话分类只和特征向量和W的角度有关了！通过限制角度的选择空间来加大训练难度，提高分离性。

把每一类都加大难度！

然后再优化一下：

其中

参考文献

• Schroff F, Kalenichenko D, Philbin J. Facenet: A unified embedding for face recognition and clustering[C]//Proceedings of the IEEE conference on computer vision and pattern recognition. 2015: 815-823.MLA


• Wen Y, Zhang K, Li Z, et al. A discriminative feature learning approach for deep face recognition[C]//European Conference on Computer Vision. Springer, Cham, 2016: 499-515.MLA


• Hadsell R, Chopra S, LeCun Y. Dimensionality reduction by learning an invariant mapping[C]//null. IEEE, 2006: 1735-1742.


• Liu W, Wen Y, Yu Z, et al. Sphereface: Deep hypersphere embedding for face recognition[C]//The IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition (CVPR). 2017, 1: 1.


• Liu W, Wen Y, Yu Z, et al. Large-Margin Softmax Loss for Convolutional Neural Networks[C]//ICML. 2016: 507-516.

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