Attribute-Enhanced Face Recognition with Neural Tensor Fusion Networks

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1.论文相关

论文题目：Hu, Guosheng, et al. "Attribute-Enhanced Face Recognition with Neural Tensor Fusion Networks." Proceedings of the IEEE Conference on Computer Vision and Pattern Recognition. 2017.
原文链接：http://yang.ac/papers/Hu2017Attribute.pdf

2.摘要

Attribute-Enhanced Face Recognition with Neural Tensor Fusion Networks_第1张图片

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本文作者提出了一种基于张量的图像特征融合方法。证明这种张量融合方法和神经网络等价之后，作者直接使用神经网络来学习并得到最终融合后的特征。最后的实验证明，融合后的特征在MultiPIE，CASIA NIR-VIS2.0和 LFW 数据集上都取得了不错的效果。

3.相关工作

得益于大数据和深度学习的支持，人脸识别技术最近取得了长足的进步。不过，由于特征提取方法的局限，人脸识别技术在处理姿态变换问题时尚有不足。比如当一个人正面面对我们和侧面面对我们时，传统的提取特征方法提取到的特征FRF(face recognition features)肯定是不同的，这就会降低我们的识别准确率。而另一种特征FAF(face attribute features)对于光照和分辨率以及姿态变换则很鲁棒。什么是FAF呢？顾名思义，就是用一组属性来描述人脸特征。比如，一个人的外貌可以描述为“大鼻子，大眼睛，小嘴巴，高鼻梁，厚眉毛”，无论这个人以如何的姿态面对镜头，他的这些属性特征是不会改变的（比如不管正脸还是脸，大鼻子还是大鼻子），所以说FAF具有一些很鲁棒的特性。但是，单独用“大鼻子，大眼睛，小嘴巴，高鼻梁，厚眉毛”这些属性来描述一个人外貌又显得不够有区分性，因为长这样的人实在太多了。所以，本文作者为了充分利用两种特征的互补性，将FRF和FAF二者特征用基于张量的方法融合。由于求解张量特别繁琐，作者发现这个求解过程完全可以用一个神经网络来等价。于是作者最终使用神经网络来获取最终融合后的特征，降低了计算的复杂程度，并且取得了不错的效果。

4.具体方法

4.1目标函数

以简单的多分类问题举例。

对于一个特征来说，特征x和标签y之间的关系可以用矩阵W来建模，他们的关系如下：

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而对于多个特征，比如2个特征

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，其中x表示FRF特征，z表示FAF特征，他们的关系也可以用一个张量W来建模，关系如下：

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在这里，W是一个融合模型，一个D*C*B的三阶张量，x是D维特征向量，z是B维特征向量。y是最后标签，是一个C维向量，表示目标被分成C类。注意，公式2里的的乘法均为张量点积(tensor dot product)。所以，如果要对M个样本进行建模，求得一个最终的分量W的话，最终的目标函数即为：

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其中，

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就是一般的损失函数了。这个公式里的W，融合了FRF和FAF并最终确定了特征的分类y。

4.2问题优化

公式3里的W是一个三阶张量，有着非常复杂的计算难度。所以我们首先对W使用Tucker分解，将W分解为如下形式：

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S是一个KD*KC*KB的三阶张量。

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是KD*D维的矩阵，

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是KC*C的矩阵，

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是KB*B的矩阵。通过约束

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，我们可以有效地把参数从

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降低到

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。这样我们只需学习到

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即可。
将公式4插入公式2，得到

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整理得到

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在整理得到

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其中，

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是克罗内克积。

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是张量S的二模展开（mode-2 unfolding），为KC*KDKB矩阵。
观察公式7，我们可以发现，融合特征是一个KC维的向量，而

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则扮演着一个分类器的角色。所以我们只要学习到

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，就可以使用

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来预测类别了。
本文就使用一个神经网络来学习这4个变量，如下图所示：

Attribute-Enhanced Face Recognition with Neural Tensor Fusion Networks_第2张图片

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4.3基本特征提取

（1）FRF特征使用下面网络提取，激活函数采用maxout。最终的特征为全连接层的256维向量。

Attribute-Enhanced Face Recognition with Neural Tensor Fusion Networks_第3张图片

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（2）FAF特征使用Lighten CNN（Z. S. Xiang Wu, Ran He. A lightened cnn for deep face representationarXiv:1511.02683, 2015. 5）。5个conv-activation-pooling单元之后连接一个256维的全连接层。训练网络时，标签去掉了""wear glasses"和"smiling"这些不具有判别性的属性，最后一共使用17个属性来训练网络。