以图搜图技术演进和架构优化【优质文章】

AI算法与图像处理

发布于 2019-05-22 18:45:10

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发布于 2019-05-22 18:45:10

转自：https://zhuanlan.zhihu.com/p/65306548 高级研究员：李习华

当你看到一株未曾见过的植物，你可以打开百度APP，拍照搜索，找到相关信息；当你看到朋友穿了一件你特别喜欢的衣服，你也想买一件，你可以通过淘宝APP的拍立淘功能，找到商品；当你到达一个陌生的地方，你可以通过微信APP对着当地的街区或者建筑物拍一张照片，来定位你的详细位置。这背后都是强大的以图搜图技术。

以图搜图技术发展了许多年，从早期以图搜图的精度不尽如人意，到后来基于以图搜图技术开发出非常多的改变用户行为和提升效率的应用，经历了不小于10年的发展，整体的技术方案，数据量级，工程架构都进行了多轮的迭代。当前，各个大厂都在基于以图搜图技术来提供更好的产品，服务；我们希望在这篇文章中对以图搜图技术做一个全面的总结，主要包含以下几个方面：

1. 以图搜图技术的通用框架；

2. 以图搜图技术迭代；

3. 以图搜图是工程+算法的结合，架构演进；

Part 1. 以图搜图技术的通用框架

在这一章，我们来介绍以图搜图技术的通用框架。在介绍以图搜图技术之前，我们来看任何一个搜索技术所拥有的基本组件。举个例子，我们需要到图书馆查找一本书，需要几个基本的要素：1. 图书馆（海量图书）；2. 图书的分类、书名或者作者（在图书馆的编码体系下，这些信息的组合能够唯一表示这一本书）；3. 图书馆的书需要按照一定的规律来布置（科目、难易程度、首字母、作者、年份等）；在有了这些基本的要素之外，只要图书馆有这本书，我们就能够快速找到它；或者即便没有某一本具体的书，我们也能够查询到这本书相近内容的书。

结合上面的例子，我们来看一个典型的以图搜图系统所拥有的基础框架：

先来看offline部分，包括3个基本的要素：

01. 检索图片库：这就相当于上一个例子中的图书，我们需要有一个足够规模的图片库，比如淘宝的所有商品的图片集合，比如百度图片搜索中收集到的互联网图片数据集合。当然，这里我们介绍的是一个静态的图片库，在实际项目中，我们需要有能力来处理动态变化的图片数据库；

02. 特征提取：这就相当于上一个例子中图书的作者、年份、科目等等，我们称为图片的特征。实际上，图片的任何统计量都可以作为图片的特征，甚至图像的像素值本身通过归一化之后也可以作为图片的特征。在实际中，我们使用图片的颜色分布、梯度变化统计量、纹理、BOW统计、底层/中层/高层语义特征等作为图片的特征，非常丰富。

03. 检索结构：检索结构的唯一目的就是让查找更快更准。简单的，一一对比是最简单的查询结构，最准，但是最慢；所以所有检索结构本质上都是效率和精度的平衡。常见的，我们可以对数据集进行聚类，把数据分成一堆一堆的，比对时先选择相似的堆，然后在堆内部再进行细致的比对。而分堆的理念又可以通过树结构、Hash结构、倒排索引、图结构等等来刻画。

再来看online部分，其中特征提取和offline的特征提取需要保持高度的一致性，所以实际中我们通常使用一个单独的特征服务器来提供特征提取服务。这里为什么将检索结构和检索引擎分开，主要是基于如下的考虑：检索引擎需要应对高并发等一些的工程方面的问题，所以本质上检索引擎更倾向于工程架构的优化，而检索结构更倾向于检索结构算法方面的优化；但实际上，二者是没办法完全拆分开的。

以图搜图技术本质上是寻找相似图片，但两张图片是否相似有非常多的维度：

因此在很多时候，以图搜图技术需要根据不同的使用场景来选择合适的技术方案，尤其是特征的选择。产品层面，也层出不穷，可以参考下面的几个链接：

The Best Image Search Engines on the Webwww.lifewire.com

The 7 Best Search Engines for Finding Free Images — SitePointwww.sitepoint.com

Part 2. 以图搜图的技术迭代

这个部分我先打算介绍一下特征、检索引擎各自都经历了哪些迭代，然后在以不同时段典型的工业界的使用的方案来介绍以图搜图技术代际的迭代。

特征层面：

简单的，图像的单通道、多通道的颜色直方图可以作为一个简单的特征；进一步颜色矩特征，图像中任何的颜色分布都可以通过它的矩来表示。另外需要强调的局部特征是SIFT特征，参考：

https://blog.csdn.net/abcjennifer/article/details/7639681blog.csdn.net

SURF特征，HOG特征等；当有了局部特征之后，我们需要对局部特征进行聚合，作为图像的全局表示；将多个局部特征矢量聚合成一个统一维度的矢量表示的方法有：BOW、VLAD、Fisher Vector等等。深度学习技术兴起之后，基于深度学习的图像特征开始成为图像检索的主流。我们知道CNN网络具有很多不同程度对图像进行抽象的layer，较低的层得到的是图像的简单特征，而较高层得到的是图像的语义相关的特征，不同层的特征在检索层面精度有很大的区别，在Oxford Building数据集上，使用VGGNet进行简单的测试，得到了如下的统计结果，参考：

图像检索：layer选择与fine-tuning性能提升验证yongyuan.name

实际上，深度网络最后的FC层同样可以作为图像的特征表示，当使用FC作为特征的时，网络训练时使用的label对检索的效果有较大的影响。理论上，label如果能够提供更多的细粒度的信息，则学习到的FC特征则更能够表达图像的细粒度特征。

特征类型对检索效果影响很大；但特征的学习方式，尤其是引入度量学习的思路之后，即便是同一个网络的同一层特征，不同的训练方式对最后的精度也会有很大的影响。

比如Class weighted conv features，参考：

https://github.com/bikong2/retrieval-2017-camgithub.com

分类loss和triplet loss结合：

引入更多监督信息的学习：

以及通过KL散度来优化：

其实通过不同的方式进行网络学习的优化方式还有很多，这里大致总结几个优化的大致方向：

1. 引入更多的监督信息；

2. 不同程度、维度的attention（包括层、channel、类等等）；

3. Triplet loss及其各种变种；

4. 不同的特征聚合方式；

特征部分我们先介绍到这里，下面来介绍检索引擎。

检索引擎：

检索引擎方面，早期我们通过层次化的聚类来对数据分组，通过K-D Tree对数据进行划分，通过Hash对空间进行划分，通过倒排索引加速检索的效率，通过PQ量化对更大规模的数据进行二次方的划分。参考：

https://blog.csdn.net/qq_27245709/article/details/72393613blog.csdn.net

图像检索：基于内容的图像检索技术yongyuan.name

https://blog.csdn.net/CHIERYU/article/details/50347735blog.csdn.net

层次化的聚类算法可以通过如下的图片来表示：

通过聚类来减少检索时比对的检索时间。K-D Tree和Hash请参考下面的图片。K-D Tree相对层次化聚类基本原理是一致的，不过聚类算法更多的是数据的划分，但树结构的层次化划分包含特征和数据的划分两方面。Hash方法，尤其是LSH（局部敏感哈希），则是同时在寻找特征的mapping和空间的划分。