人脸识别系列（十三）：SphereFace

论文链接：SphereFace: Deep Hypersphere Embedding for Face Recognition

从Center Loss的论文发布开始，人脸识别技术的研究重心就转向损失函数的改进了，这篇论文作者从几种损失函数开始说起。

几种损失函数

softmax损失仅仅能够学到分辨性不够强的特征，除此之外，还有contrastive loss，center loss，triplet loss。

但是它们都在一定程度上存在弊端：

center loss仅能使得类内紧凑，无法使得类间可分。

contrastive loss和triplet loss需要pair/triplet 挖掘过程，增加时间的损耗。

除此之外，还有一个更关键之处：以上的损失函数都使用了欧式距离，而softmax损失学习到的特征有角度上的分布特性。

作者做了一个实验，构建了一个CNN来学习CASIA-webface的一个子集的特征，输出的全连接层FC1为两层，所以可以可视化。原始Softmax训练出来的特征分布如下图（a），其他几张图可以暂时不用看。

通过以上实验与center loss论文，证明了softmax损失学习到的特征有角度上的分布特性，因此在这种意义上，欧式距离与softmax损失是不兼容的，所以作者认为结合softmax损失和欧式距离效果可能不是最佳的。

一步一步推导A-Softmax

modified Softmax

为了让特征学习到更可分的角度特性，作者首先对Softmax进行了一些改进：

为了简单起见，先假设是一个二分类问题，

softmax的决策边界是：

如果我们通过W的归一化来添加约束条件：


那么我们可以得到决策边界：

这样的损失函数称为改进了的Softmax（modified Softmax）,通过这样的损失函数学习，可以使得学习到的特征具有更明显的角分布，因为决策边界只与角有关。

假设对于输入特征Xi，它的标签是Yi，用f(Yi)表示WiXi即Softmax对应Yi那一位的输出

Softmax的损失函数：

modified Softmax的损失函数：

A-Softmax

还可以进一步修改

通过添加系数m，对θ1有了更强的约束，因为cos(mθ1)比cosθ1要小。此时损失函数变为：

由于cosθ在[0,pi]上单调递减，因此θ有上界：

我们为了使得这个函数随角度单调递减，构造一个函数去代替cos：

这是一个根据定义域分段的分段函数，博主作为灵魂画手，就手画了一下这个函数的图，给大家一个大概的印象

这样损失函数就会变为

A-Softmax的性质

性质：在二分类问题中，对于一个训练好的A-Softmax层，两个类的类内角度特征距离为 m−1m+1θ m − 1 m + 1 θ
其中θ表示两个类的权值W1，W2之间的夹角。证明：

性质一：
A-Softmax Loss定义了一个大角度间隔的学习方法，m越大这个间隔的角度也就越大，相应区域流形的大小就越小，这就导致了训练的任务也越困难。

定义：定义 mmin m m i n 为当 m>mmin m > m m i n 时,类内的最大角度特征距离小于类间的最小角度特征距离。

性质二：

证明左：

证明右：

右边的证明是将多个类的分布视为圆上的平均分布，所以对于任意的Wi,两边都是对称的，可以得到以下不等式：

解之后得到m>=3

实验及结果

网络结构：

训练集：CASIA-webface

batchsize： 128

28K次迭代收敛

测试时的算法：连接一张图以及其水平翻转的图的FC1输出，PCA降维后计算余弦距离

不同m对准确率的影响：

LFW得分：