詳解Siamese網路

摘要

Siamese網路用途，原理，如何訓練？

背景

在人臉識別中，存在所謂的one-shot問題。舉例來說，就是對公司員工進行人臉識別，每個員工只給你一張照片（訓練集樣本少），並且員工會離職、入職（每次變動都要重新訓練模型）。有這樣的問題存在，就沒辦法直接訓練模型來解決這樣的分類問題了。

為了解決one-shot問題，我們會訓練一個模型來輸出給定兩張圖像的相似度，所以模型學習得到的是similarity函數。

哪些模型能通過學習得到similarity函數呢？Siamese網路就是這樣的一種模型。

Siamese網路原理

Siamese網路要給出輸入圖像X1和X2的相似度，所以它必須能接受兩個圖像作為輸入，如下圖：

圖中上下兩個模型，都由CNN構成，兩個模型的參數值完全相同。不同於傳統CNN的地方，是Siamese網路並不直接輸出類別，而是輸出一個向量(比如上圖中是128個數值組成的一維向量)：

若輸入的圖像X1和X2為同一個人，則上下兩個模型輸出的一維向量歐氏距離較小

若輸入的圖像X1和X2不是同一個人，則上下兩個模型輸出的一維向量歐氏距離較大

所以通過對上下兩個模型輸出的向量做歐氏距離計算，就能得到輸入兩幅圖像的相似度。

又因為上下兩個模型具有相同的參數，所以訓練模型時，只需要訓練一個模型即可。那問題來了，這樣的模型該怎麼訓練呢？模型的輸出label該標註為什麼呢？

如何訓練Siamese網路

模型的訓練，就是給定cost function後，用梯度下降法尋找最優值的過程。

訓練Siamese網路，需要引入新的cost function。我們先看模型的學習目標（下圖），再一步一步講解cost function的最終表達式。

對圖中的一幅照片A，如果給定了同一個人的另一幅照片P，則模型的輸出向量f(A)和f§應該是距離比較小的。如果給定了另一個人的照片N，則模型的輸出向量f(A)和f(N)之間的距離就比較小。所以d(A,P)<d(A,N)。

根據這個目標，就得到了cost function的定義：

其目的，是遍歷所有三元組(A,P,N)，求其L的最小。公式中的參數α，是一個超參數，用於做margin，能避免模型輸出的都是零向量。

有了這個cost function，用梯度下降法就能找到模型的最優值。這個過程是不需要我們對模型的向量值進行人工標註的。

喜歡這篇文章嗎？立刻分享出去讓更多人知道吧！