FaceNet人脸识别（一）

与其他的深度学习方法在人脸上的应用不同，FaceNet并没有用传统的softmax的方式去进行分类学习，然后抽取其中某一层作为特征，而是直接进行端对端学习一个从图像到欧式空间的编码方法，然后基于这个编码再做人脸识别、人脸验证和人脸聚类等。

FaceNet算法有如下要点：

• 去掉了最后的softmax，而是用元组计算距离的方式来进行模型的训练。使用这种方式学到的图像表示非常紧致，使用128位足矣。

• 元组的选择非常重要，选的好可以很快的收敛。

对于整个FaceNet结构，这里的特征提取可以当作一个黑盒子，可以采用各式各样的网络。最早的FaceNet采用两种深度卷积网络：经典Zeiler&Fergus架构和Google的Inception v1。最新的FaceNet进行了改进，主体模型采用一个极深度网络Inception ResNet -v2，由3个带有残差连接的Inception模块和1个Inceptionv4模块组成。

从上面的图中可以看到，整个FaceNet分为5个部分，具体表示如下：

• batch ：是指输入的人脸图像样本，这里的样本是已经经过人脸检测找到人脸并裁剪到固定尺寸（例如160x160）的图片样本。

•  Deep architecture：指的是采用一种深入学习架构例如imagenet历年冠军网络中的VGG，GoogleNet等，本文中我们将使用MoblieNetv2 作为主要的特征提取网络。

• L2 ：是指特征归一化（使其特征的||f(x)||2=1,这里是2次方的意思。这样所有图像的特征都会被映射到一个超球面上)

• Embeddings：就是前面经过深度学习网络，L2归一化后生成的特征向量（这个特征向量就代表了输入的一张样本图片）
  

• Triplet Loss：就是有三张图片输入的Loss（之前的都是Double Loss或者 是 SingleLoss）。直接学习特征间的可分性：相同身份之间的特征距离要尽可能的小，而不同身份之间的特征距离要尽可能的大

这里我们需要提及两个比较重要的点，我们将使用MoblieNet替换原本的网络，这是是谷歌在2017年提出，是一款专注在移动设备和嵌入式设备上的轻量级CNN神经网络，并迅速衍生了V1 V2以及V3版本，它相比于传统的CNN网络，在准确率小幅减低的前提下，大大减少模型参数的运算量。模型结构如下：

另一个是Triplet Loss，在深度学习中，很多度量学习的方法都是使用成对成对的样本进行loss计算的，这类方法被称为 pair-based deep metric learning。例如，在训练模型的过程，我们随意的选取两个样本，使用模型提取特征，并计算他们特征之间的距离。如果这两个样本属于同一个类别，那我们希望他们之间的距离应该尽量的小，甚至为0；如果这两个样本属于不同的类别，那我们希望他们之间的距离应该尽量的大，甚至是无穷大。正是根据这一原则，衍生出了许多不同类型的pair-based loss，使用这些loss对样本对之间的距离进行计算，并根据生成的loss使用各种优化方法对模型进行更新。

其中，使用最为广泛的就当属三元组损失了（Triplet loss），Triplet Loss的思想是让负样本对之间的距离大于正样本对之间的距离，在训练过的过程中同时选取一对正样本对和负样本对，且正负样本对中有一个样本是相同的。以狗、狼、猫数据为例，首先随机选取一个样本，此样本称之为anchor 样本，假设此样本类别为狗，然后选取一个与anchor样本同类别的样本（另一个狗狗），称之为positive，并让其与anchor样本组成一个正样本对（anchor-positive）；再选取一个与anchor不同类别的样本（猫），称之为negative，让其与anchor样本组成一个负样本对（anchor-negative）。这样一共选取了三个样本，这也是为什么叫triplet的原因了。

Triplet Loss 的公式如下，通过公式可以看出，当负样本对之间的距离比正样本对之间的距离大m的时候，loss为0 ，认为当前模型已经学的不错了，所以不对模型进行更新。

Triplet Loss最先被用于人脸识别中，如下图，输入一个triplet对（三张图像），使用同一个网络对这个三张图像进行特征提取，得到三个embedding向量，三个向量输入到Triplet Loss中得到loss，然后根据loss值使用反向传播算法对模型进行更新。

对于FaceNet的网络结构解析就到这里了，下个推文中我们将对数据进行解析，并进行处理，喜欢的可以继续关注哦！