写在前面
Closed-set 和 Open-set 人脸识别的对比如下，
两张人脸图像，分别提取特征，通过计算特征向量间的距离（相似度）来判断它们是否来自同一个人。选择与问题背景相契合的度量方式很重要，人脸识别中一般有两种，欧氏距离和余弦距离（角度距离）。
训练阶段和测试阶段采用的度量方式要一致，如果想在测试阶段使用欧氏距离，自然在训练阶段就要基于欧氏距离来构造损失进行优化。
实际上，不同度量方式间存在着一定的内在联系，
- 欧氏距离与向量的模和角度都有关，模固定，角度越大欧氏距离也越大，角度固定，模同比增大欧式距离也增大，模分别增大情况会比较复杂；
- 余弦距离和角度距离有单调关系（负相关），但两者分布的“密度”不同，观察余弦函数曲线可知，在角度从0向(pi)匀速（线性）前进时，余弦值在0和(pi)附近缓慢变化，在(frac{pi}{2})附近近似线性变化
- 当向量模长归一化后，欧氏距离和余弦距离有单调关系，所以，在预测阶段，归一化后的特征选取哪种度量进行判别均可
可对不同损失函数按度量方式进行划分，
- 欧氏距离：Contrastive Loss，Triplet Loss，Center Loss……
- 余弦距离（角度距离）：Large-Margin Softmax Loss，Angular-Softmax Loss，Large Margin Cosine Loss，Additive Angular Margin Loss……
先从最基本的Softmax Loss开始。
Cross-Entropy Loss (softmax loss)
交叉熵损失，也称为softmax损失，是深度学习中应用最广泛的损失函数之一。
其中，
- (n)个类别，(N_b)为batch size
- (x_{i} in mathbb{R}^{d})，第(i)个样本的特征，特征有(d)维，属于(y_i)类
- (W in mathbb{R}^{d times n})为权重矩阵，(W_j)表示(W)的第(j)列，(b_{j} in mathbb{R}^{n})为bias
特征(x)经全连接层的权重矩阵(W)得到与类别数相同的(n)个((-infty, +infty))实数，相对越大的实数代表越像某一个类别，Softmax的作用是将((-infty, +infty))的(n)个实数通过指数映射到((0, +infty))，然后归一化，使和为1，以获得某种概率解释。
指数操作会将映射前的小差异指数放大，Softmax Loss希望label对应的项越大越好，但因为指数操作的存在，只需要映射前差异足够大即可，并不需要使出“全力”。
在人脸识别中，可通过对人脸分类来驱动模型学习人脸的特征表示。但该损失追求的是类别的可分性，并没有显式最优化类间和类内距离，这启发了其他损失函数的出现。
Contrastive Loss - CVPR2006
Contrastive Loss由LeCun在《Dimensionality Reduction by Learning an Invariant Mapping》CVPR2006中提出，起初是希望降维后的样本保持原有距离关系，相似的仍相似，不相似的仍不相似，如下所示，
其中，(vec{X}_{1})和(vec{X}_{2})为样本对，(Y={0， 1})指示样本对是否相似，(Y=0)相似，(Y=1)不相似，(D_W)为样本对特征间的欧氏距离，(W)为待学习参数。相当于欧氏距离损失+Hinge损失
类内希望距离越小越好，类间希望越大越好（大于margin），这恰与人脸识别特征学习的目的相一致。Contrastive Loss在DeepID2中得以使用，作为Verification Loss，与Softmax Loss形式的Identification Loss构成联合损失，如下所示，
这种Softmax Loss + 其他损失 构成的联合损失比较常见，通过引入Softmax Loss可以让训练更稳定，更容易收敛。
Triplet Loss - CVPR2015
Contrastive Loss的输入是一对样本。
Triplet Loss的输入是3个样本，1对正样本（同一个人），1对负样本（不同人），希望拉近正样本间的距离，拉开负样本间的距离。Triplet Loss出自《FaceNet: A Unified Embedding for Face Recognition and Clustering》。
损失函数如下，
该损失希望在拉近正样本、拉开负样本的同时，有一个margin，
Softmax Loss最后的全连接层参数量与人数成正比，在大规模数据集上，对显存提出了挑战。
Contrastive Loss和Triplet Loss的输入为pair和triplet，方便在大数据集上训练，但pair和triplet挑选有难度，训练不稳定难收敛，可与Softmax Loss搭配使用，或构成联合损失，或一前一后，用Softmax Loss先“热身”。
Center Loss - ECCV2016
因为人脸表情和角度的变化，同一个人的类内距离甚至可能大于不同人的类间距离。Center Loss的出发点在于，不仅希望类间可分，还希望类内紧凑，前者通过Softmax loss实现，后者通过Center Loss实现，如下所示，为每个类别分配一个可学习的类中心，计算每个样本到各自类中心的距离，距离之和越小表示类内越紧凑。
联合损失如下，通过超参数(lambda)来平衡两个损失，并给两个损失分配不同的学习率，
希望达成的效果如下，
以上损失在欧氏距离上优化，下面介绍在余弦距离上优化的损失函数。
L-Softmax Loss - ICML2016
L-Softmax 即 large-margin softmax，出自《Large-Margin Softmax Loss for Convolutional Neural Networks》。
若忽略bias，FC+softmax+cross entropy可写成如下形式，
可将(boldsymbol{W}_{j})视为第(j)类的类中心向量，对(x_i)，希望(left|boldsymbol{W}_{y_{i}}right|left|boldsymbol{x}_{i}right| cos left(theta_{y_{i}}right))相比(left|boldsymbol{W}_{j}right|left|boldsymbol{x}_{i}right| cos left(theta_{j}right), j neq y_i)越大越好，有两个影响因素，
- (boldsymbol{W})每一列的模
- (boldsymbol{x}_i)与(boldsymbol{W}_j)的夹角
L-Softmax主要关注在第2个因素 夹角上，相比Softmax，希望(boldsymbol{x}_i)与(boldsymbol{W}_{y_i})靠得更近，于是对(cos left(theta_{y_{i}}right))施加了更强的约束，对角度(theta_{y_i})乘上个因子(m)，如果想获得与Softmax相同的内积值，需要(theta_{y_i})更小，
为此，需要构造(psi(theta))，需满足如下条件
- (psi(theta) < cos(theta))
- 单调递减
文中构造的(psi(theta))如下，通过(m)调整margin大小
当(m=2)时，如下所示，
二分类情况下，结合解释如下，
为了梯度计算和反向传播，将(cos(theta))替换为仅包含(W)和(w_i)的表达式(frac{boldsymbol{W}_{j}^{T} boldsymbol{x}_{i}}{left|boldsymbol{W}_{j}right|left|boldsymbol{x}_{i}right|})，通过倍角公式计算(cos(m theta))，
同时，为了便于训练，定义超参数(lambda)，将(left|boldsymbol{W}_{y_{i}}right|left|boldsymbol{x}_{i}right| psileft(theta_{y_{i}}right))替换为(f_{y_i})，
训练时，从较大的(lambda)开始，然后逐渐减小，近似于用Softmax“热身”。
A-Softmax Loss - CVPR2017
A-Softmax即Angular-Softmax，出自《SphereFace: Deep Hypersphere Embedding for Face Recognition》。
L-Softmax中，在对(x_i)归类时，会同时考虑类中心向量的模和夹角。
A-Softmax的最大差异在于对每个类中心向量进行归一化，即令(||W_j|| = 1)，同时令bias为0，在分类时只考虑(x_i)和(W_j)的夹角，并引入和L-Softmax相同的margin，如下所示，
当(m=1)时，即不引入margin时，称之为 modified softmax loss。
Softmax Loss、Modified Softmax Loss和A-Softmax Loss，三者的决策面如下，
可视化如下，
AM-Softmax Loss-CVPR2018
AM-Softmax即Additive Margin Softmax，出自论文《Additive Margin Softmax for Face Verification》，同CosFace 《CosFace: Large Margin Cosine Loss for Deep Face Recognition》，CosFace中损失名为LMCL（Large Margin Cosine Loss）。
与A-Softmax相比，有2点变化，
- 对(x_i)也做归一化，同时保留对(W)每一列的归一化以及bias为0
- 将(cos(m theta))变成(s cdot (cos theta - m))
相比Softmax，希望获得更大的类间距离和更小类内距离，如果采用的是余弦距离，意味着，要想获得与Softmax相同的(y_i)对应的分量，需要更小的夹角(theta)，为此需要构建(psi(theta))，如前所述，需要
- (psi(theta) < cos(theta))
- 单调递减
前面构建的(psi(theta))，始于(cos(m theta))，(m)与(theta)是乘的关系，这里令(varphi(theta)= s(cos (theta)-m))，
-
(cos(theta) - m)：(m)变乘法为加法，(cos(mtheta))将margin作用在角度上，(cos(theta) - m)直接作用在余弦距离上，前者的问题在于对类中心向量夹角较小的情况惩罚较小，夹角小则margin会相对更小，同时计算复杂，后者可以看成是Hard Margin Softmax，希望在保证类间“硬”间距的情况下学习特征映射。
-
(s)：将(x_i)也归一化后，相当于将特征嵌入到单位超球上，表征空间有限，特征和权重归一化后(mid boldsymbol{W}_{j}|| boldsymbol{x}_{i} | cos left(theta_{ij}right)=cos(theta_{ij}))的值域为([-1, 1])，即(x_i)到每个类中心向量的余弦距离，最大为1，最小为-1，Softmax 指数归一化前，各类的分量差异过小，所以要乘个因子(s)，将特征映射到半径为(s)的超球上，放大表征空间，拉开各分量的差距。
ArcFace Loss - CVPR2019
ArcFace Loss 即 Additive Angular Margin Loss，出自《ArcFace: Additive Angular Margin Loss for Deep Face Recognition》。
AM-Softmax Loss将margin作用在余弦距离上，与之不同的是，ArcFace将margin作用在角度上，其损失函数如下，
把margin是加在余弦距离（CosFace）还是加在角度（ArcFace）上，在《Additive Margin Softmax for Face Verification》中有这样一段分析，
ArcFace中并没有求取arccos，所以计算并不复杂，而是把margin加在了角度上，但优化的仍是余弦距离。
还有一点需要注意的是，无论margin是加在余弦距离上还是加在角度上，单纯看示意图，很容易看出减少了类内距离，那类间距离增加呢？
文中，给出了类内距离和类间距离的数学描述，如下：
(W)是待学习的参数，特征(x_i)也是通过前面层的权重学习得到，在训练过程中(x_i)和(W)都会发生变化，都会被梯度驱使着向Loss减小的方向移动。margin的引入有意压低了类标签对应分量的值，去尽量“压榨”模型的潜力，在softmax中原本可以收敛的位置还需要继续下降，下降可以通过提高类标签对应分量的值，也可以通过降低其他分量的值。所以，(x_i)在向(W_{y_i})靠近的同时，(W_j, jneq y_i)也可能在向远离(x_i)的方向移动，最终达成的效果就可能是(x_i)尽可能地靠近(W_{y_i})，而(W_j, jneq y_i)远离了(W_{y_i})。
欧氏距离or角度距离与归一化
这里，再讨论下为什么对(W)和(x)的模进行归一化，主观思考偏多，未经验证。
在文章为什么要做特征归一化/标准化？中，我们提到，
归一化/标准化的目的是为了获得某种“无关性”——偏置无关、尺度无关、长度无关……当归一化/标准化方法背后的物理意义和几何含义与当前问题的需要相契合时，其对解决该问题就有正向作用，反之，就会起反作用。
特征(x)与(W)每个类中心向量内积的结果，取决于(x)的模、(W_j)的模以及它们的夹角，模的大小和夹角的大小都将影响内积结果的大小。
-
对(W_j)归一化：如果训练集存在较严重的类别不均衡，网络将倾向于把输入图像划分到图片数量多的类别，这种倾向将反映在类中心向量的模上，即图片数量多的类别其类中心向量的模将偏大，这一点论文One-shot Face Recognition by Promoting Underrepresented Classes中有实验验证。所以，对(W_j)的模归一化相当于强迫网络同等看待每一个类别，相当于把同等看待每一个人的先验做进网络，来缓解类别不均衡问题。
-
对(x)归一化：对某一个具体的(x_i)，其与每个类中心的内积 为 (x_i cdot W_j = |x_i||W_j|cos theta_{ij} = |x_i|cos theta_{ij})，因为每个类别的内积结果都含(x_i)的模，(x_i)的模是否归一化似乎并不影响内积结果间的大小关系，但会影响损失的大小，比如内积结果分别为([4,1,1,1])，模同时放大1倍，变成([8,2,2,2])，经过Softmax的指数归一化后，后者的损失更小。在卷积神经网络之卷积计算、作用与思想中，我们知道模式蕴含在卷积核的权重当中，特征代表着与某种模式的相似程度，越相似响应越大。什么样的输入图像容易得到模小的特征，首先是数值尺度较小的输入图像，这点可以通过对输入图像做归一化解决（如果输入图像的归一化不够，对特征进行归一化可能可以缓解这个问题），然后是那些模糊的、大角度的、有遮挡的人脸图像其特征的模会较小，这些图在训练集中相当于困难样本，如果他们的数量不多，就可能会被简单样本淹没掉。从这个角度看，对(x)进行归一化，可能可以让网络相对更关注到这些困难样本，去找到更细节的特征，专注在角度上进行判别，进一步压榨网络的潜能。有点Focal Loss思想的感觉。
网络会利用它可能利用上的一切手段来降低损失，有些手段可能并不是你所期望的，此时，通过融入先验、添加正则等方式抑制那些你不希望网络采取的手段，修正网络进化的方式，以此让网络朝着你期望的方向成长。
以上。
参考
- A Performance Comparison of Loss Functions for Deep Face Recognition
- InsightFace: 2D and 3D Face Analysis Project
- 人脸识别的LOSS（上）
- 人脸识别的LOSS（下）
- 深度挖坑：从数据角度看人脸识别中Feature Normalization,Weight Normalization以及Triplet的作用
文章来源: 博客园
- 还没有人评论，欢迎说说您的想法！
客服
