【论文笔记】SphereFace: Deep Hypersphere Embedding for Face Recognition

参考文献： Liu W, Wen Y, Yu Z, et al. SphereFace: Deep Hypersphere Embedding for Face Recognition[J]. arXiv preprint arXiv:1704.08063, 2017.

摘要

之前写过一篇large-marin softmax (L-Softmax) 的介绍，与Softmax Loss 相比，它能够学习区分度更高的特征。基于L-Softmax的改进，这篇paper提出Angular-Softmax（A-Softmax）去学习判别特征，它在超球面流形上强加了一个判别约束，而这个超球面流形本质上与人脸的先验知识位于同一个流形上。A-Softmax在人脸数据库LFW/YTF/MegaFace上的识别结果均优化其它loss函数。与L-Softmax类似，angular margin 同样可以由一个参数 m 来调整。

算法源码

算法介绍

1. Softmax Loss

在介绍A-Softmax之前，我们先来回顾softmax loss。当定义第 i 个输入特征 xi 以及它的标签 yi时，softmax loss 记为：

L=1N∑iLi=1N∑i−log(efyi∑jefj)

其中 fj 表示最终全连接层的类别输出向量 f 的第 j 个元素, N 为训练样本的个数。由于 f 是全连接层的激活函数 W 的输出，所以 fyi 可以表示为 fyi=WTyixi+byi, 最终的损失函数又可以写为：

Li=−log(e∥Wyi∥∥xi∥cos(θyi,i)+byi∑je∥Wj∥∥xi∥cos(θj,i)+bj)

其中 θ(j,i0≤θj,i≤π)是Wj和xi之间的夹角。 当Wj=1，bj=0 时，我们可以得到一个修改的softmax loss:

Lmodified=−log(e∥xi∥cos(θyi,i)∑je∥xi∥cos(θj,i))

PS: 与L-Softmax不同的是，作者除了假设bj=0，还将∥Wj∥设为1。

2. 引入Angular margin

为了便于说明，作者以二分类作为示例。为了将属于类1特征x正确分类，修改后的softmax损失函数要求cos(θ1)>cos(θ2)，即θ1<θ2。本文在此基础上增加一个参数m(m≥2)，此时要正确分类，需使cos(mθ1)>cos(θ2)，即θ1<θ2/m，θ2<θ1/m。这样就增强了判决的约束，使得学习出的特征的区分更强。根据这种思想修改的softmax loss函数为：

Lang=−log(e∥xi∥cos(mθyi,i)e∥xi∥cos(mθyi,i)+∑j≠yie∥xi∥cos(θj,i))

其中0≤θyi,i≤πm。与L-Softmax论文中相同，为了保证上式能在CNN中进行前/后向反馈，上式变换为：

Lang=−log(e∥xi∥ψ(θyi,i)e∥xi∥ψ(θyi,i)+∑j≠yie∥xi∥cos(θj,i))

在这里，ψ(θ) 可以表示为：

ψ(θ)=(−1)kcos(mθ)−2k,

其中θ∈[kπm,(k+1)πm]， k 是一个整数且 k∈[0,m−1]。

我们可以看出，m的值越大，angular magin也就越大，那么m的最小值是多少呢？作者证明了，要使最小的类间距大于最大的类内距，对于二分类问题，需m≥2+3√，对于多分类问题，m≥3。在实验中，m通常设为4。

下表为不同的Loss函数的决策边界对比：

直观分析

为了分析A-Softmax Loss的有效性，作者将初始的Softmax，修改后的Softmax以及A-Softmax在二分类的结果首先用一个简单的二维空间几何表示：

可以看到，与前两者相比，A-Softmax在类别的角度维度上的分类更加分明，决策边界明显扩大。同时，从图中我们也可以看出，Softmax 在内在的角度分布特性，这也是作者提到基于Euclidean margin和Softmax融合不能取得较好效果的原因。

各个Loss函数在2D、3D超球面流形的表示如下图所示，对于更高维度的超球面，不好描述，但大家可以脑补下。

实验结果

为了证明A-Softmax的有效性， 作者构建了Sphere Face的网络，实验在人脸识别数据上进行。训练集采用CASIA-WebFace，测试集分别在LFW/YTF上进行。

m的影响

可以看出，随着m的增大，特征的类别的区分性也就越高。（普遍反应这个图画得非常好，值得学习）

人脸识别测试

在LFW/YTF上，A-Softmax均得了最好好的结果，只比FaceNet略差（采用了更多的训练集）；在MegaFace的数据集上的1：1开集比对和开集1：N搜索，Sphere Face均取得了最佳的结果。

总结

本文通过增加angular margin的约束，在Softmax的基础上提出了A-Softmax，以此来学习区分力更强的人脸特征Sphereface，并且证明了增强参数m的下界。各个人脸识别测试集的实验证明了该方法的有效性。