人脸识别系列四 | DeepID1算法

前言

这是人脸识别系列的第5篇文章，前4篇文章可以在公众号的人脸识别栏里找到，这篇文章主要是解析CVPR 2014年的经典人脸识别论文DeepID1算法。论文的地址如下：http://mmlab.ie.cuhk.edu.hk/pdf/YiSun_CVPR14.pdf 。

题外话

前面4篇人脸识别系列推文中我们介绍了基于传统方法的人脸识别算法，代表性的就是特征脸法。传统人脸识别存在很多弊端，如侧脸，模糊图片，光照遮挡等都会对人脸识别过程造成影响。在基于深度学习的人脸识别技术没有出现以前，传统的人脸识别方法的性能都是很差的，难以实际应用到对安全系数要求很高的场景中。而自从基于深度学习的人脸识别技术一点点演进到今天，人脸识别结果已经可以和人工相比了，有的甚至还会由于人工识别的结果。这就使得人脸识别可以应用到对安全系数要求较为严格的场景，如门禁系统甚至是金融场景。同时，由于人脸识别非常方便，对信息采集设备的要求不是很高，可以通过云端进行识别，这样更推进了人脸识别技术的快速落地。然后基于深度学习的人脸识别方法主要分为两个大的类别，第一个是基于度量学习的方法，第二种是基于边界分类的方法。所谓度量学习(Metric Learning)是专门研究如何让一个算法更好的学习到一种度量的方向，如欧式距离，余弦相似度都是一种度量方法。

介绍

DeepID1是CVPR2014的论文，作者是著名的港中文大学和中科院高等技术研究所的汤晓鸥，王晓刚团队。这个算法以人脸识别的子领域人脸验证(Face Verification)为目标，算法并没有直接用二类分类CNN做人脸验证，而是通过学习一个多类(10000累，每个类大概有20个实例)人脸识别任务来学习特征，并把学习到的特征应用到人脸验证上。算法使用人脸图片的不同patch（也就是一张图片的子区域）训练多个单独的CovNet，每个ConvNet的最后一个隐层是提取到的特征，论文称为DeepID（Deep hidden IDentitiy feature）。最后将这些patch提取到的DeepID在通道上concat起来，构成一个整张人脸图片的特征向量送入Joint Bayesian分类器，做二分类就可以实现人脸验证了。

贡献

用多个不同的Face patch分别训练一个很难的分类任务的卷积网络，因为这里有10000个不同身份的人，然后得到一些分辨力很强的特征表示，最后再不需要严格对其的前提下在LFW上取得了97.45%的人脸对比精度。

算法原理

算法过程

 如上图所示，这是特征提取的示意图，实际上这篇文章核心点就是这个特征提取部分，验证部分直接做二分类就好。首先，从输入人脸扣出一部分patch（下面也称为块），然后把这些patch输入同一个结构不同参数的ConvNet提取160维的DeepID特征，最后把这些DeepID特征concat起来就是这个人脸的特征了。需要注意的是，每一个块对应了一个单独的ConvNet网络提取对应的DeepID特征，并且 DeepID特征是在最后一个隐层提取，而不是输出层，那个10000个节点的输出层，是训练时候才有的，最后多个块的DeepID连接层最后整个人脸的特征，所以最后一张人脸的特征长度是160*patch的个数。

网络结构

在这里插入图片描述

ConvNet特征提取网络的结构图如上面所示。一共有5层，越往后神经元个数越少，到最后只剩下160个神经元的输出，上面的人脸块是经过对齐后的人脸块，也就是说以左（右）眼为中心的人脸区域块，嘴角为中心的人脸区域块等等，这样就有多个不同的块输入到特定的ConvNet中，最后使用了Max pooling layer3+Conv layer4的输出作为特征。这里论文解释是不同层次的特征抽象程度不一样，而且经过连续的采样，Conv layer4所含的神经元太少，前面损失了太多的信息，所以加入Max Pooling layer3缓和一下。网络的输入图像有两种类型，即个人脸图像块和个图像块，其中代表图像的通道数，同时人脸还会使用3个尺度，激活函数用ReLU，使用随机梯度下降算法优化网络。

人脸的最后特征

在这里插入图片描述

如上图所示，每个人脸会提取3个尺度的10个patch（以鼻头，左眼，右眼，左嘴角，右嘴角为中心）然后彩色图加上灰度图，加上水平翻转数量又翻倍数量又翻倍，一共是：。然后将这120个输出图片分别送入到60个ConvNet（水平翻转和原图，用同一个Conv Net），提取了一共维度的特征向量，作为这个脸的最终特征送入联合贝叶斯分类器做分类。另外有些特例，两个以嘴角和两个眼球为中心的这四个patch，不做翻转操作，直接用他们的对称patch最为他们翻转图的特征。

训练

DeepID1的训练使用了CelebFaces+，有10177人，202599张图片；8700人训练DeepID，1477人训练Joint Bayesian分类器。切分的patch数目是100，使用了5种不同的scale。每张图片最后形成的向量长度为32000，使用PCA降维到150。训练ConvNet的时候使用10000类的交叉熵损失函数作为目标函数，最后论文在LFW上达到了97.45%的验证精度。

结论

论文通过实验证明使用Multi-scale patches的Conv Net比只使用一个只有整张人脸的patch的效果要好。DeepID1是2014年的论文距离今天快5年了，这5年人脸识别的准确率已经非常高了，但经典论文留给我们的思路仍然是值得借鉴的。毕竟，万丈高楼平地起。

代码实现

这里推荐一个Tensorflow版本的代码实现，代码结构简单易懂。使用了开放的 Youtube Aligned Face 数据集，在 8:1:1 的切分下达到了 95% 的识别精度。地址为：https://github.com/jinze1994/DeepID1

参考

https://zhuanlan.zhihu.com/p/82448662

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