2016 CVPR-Person Re-Identification by Multi-Channel Parts-Based CNN with Improved Triplet Loss

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Motivation

• 如今的Re-ID工作大多是将特征学习与度量学习分开，那么能不能把两者一起学习来提高性能呢？
• 同时对整张图像直接提取特征往往不能捕捉图像中人物的细节信息，怎么能设计模型来更好利用局部特征呢？
• 之前的triplet loss仅仅使类内距离小于类间距离就行，这样学习出来的类簇相对较大，能不能学到更紧凑的类簇来提高判别力呢？
• 本文的multi-channel + improved triplet loss

Contribution

• 提出了multi-channel CNN model来同时学习身体全局特征以及局部细节特征，最后将两者结合作为输入行人图像的表示
• an improved triplet loss function：不仅要求类内距离小于类间距离，同时还要小于一个预先定义的margin，通过改进的loss能够进一步提高模型的精度

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1.Introduction

• Re-ID定义：在跨摄像头或跨时间识别行人
• 应用：
  
  • 视频监控
  • 人机交互
  • 机器人
  • 视频内容检索
• 挑战：
  
  • 不同摄像头视角下视觉外观以及周围环境的距离变化
  • 行人姿势在时间与空间上的巨大变化
  • 背景混杂以及遮挡
  • 不同行人可能会有相似的外观
    
    
    
• 本文动机与贡献

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2.Related Work

• re-ID的工作两大方面：
  
  • 特征提取：
    
    • color histograms and their variants
    • local binary pattern
    • Gabor features
    • color name
    • other visual appearance or contextual cues
  • 距离度量：
    
    • Mahalanobis metric learning(KISSME)
    • Local Fisher Discriminant Analysis(LFDA)
    • Marginal Fisher Analysis(MFA)
    • large margin nearest neighbour(LMNN)
    • Locally Adaptive Decision Functions(LADF)
    • attribute consistent matching
• 深度学习方法：
  
  • 有关Triplet loss应用的：
    
    • fine grained image similarity metrics
    • FaceNet
    • Deep feature learning with relative distance comparison for person re- identification
  • 其他工作：
    
    • FPNN
    • DeepM
    • mFilter：local path matching method
    • 2015 CVPR An Improved Deep Learning Architecture for Person Re-Identification
• 本文工作与上述工作的不同：
  
  • 网络结构：使用了由多个分支构成大单一网络来学习全局与局部特征
  • loss function：improved triplet loss使类内更近、类间更远

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3.The Proposed Person Re-Id Method

3.1. The Overall Framework

• 如下图是一个triplet training，三个部分共享参数，每个部分都为本文提出的multi-channel CNN model
  
  
  
• 该模型将输入 Ii=<Ioi,I+i,I−i> I i =< I i o , I i + , I i − > 映射到 ϕw(Ii)=<ϕw(Ioi),ϕw(I+i),ϕw(I−i)> ϕ w ( I i ) =< ϕ w ( I i o ) , ϕ w ( I i + ) , ϕ w ( I i − ) > ，其中 ϕw(Ioi) ϕ w ( I i o ) 与 ϕw(I+i) ϕ w ( I i + ) 距离小于一个margin，其中 ϕw(Ioi) ϕ w ( I i o ) 与 ϕw(I−i) ϕ w ( I i − ) 距离较远

3.2. Multi-Channel Parts-based CNN Model

• 主要层：如下图

  • 一个全局卷积层:7x7filter size，stride=3
  • 全身卷积层
  • 4个身体分块卷积层
  • 5个各自通道的全连接层
    
    
    

• 全身通道：conv:5x5 s=1 –> max-pooling:3x3 –> conv:3x3 s=1 –>max-pooling:3x3 –> fc:400

• 4个身体分块通道：conv:3x3 s=1 –> conv:3x3 s=1 –>fc 100

• 对于较大的数据集CUHK01，对五个通道各加了一个卷积层，本文使用了两种网络配置

• 在最后对各通道输出的向量进行了拼接，特征向量同时有全局与局部的特征，能带来显著的性能提升。

3.3. Improved Triplet Loss Function

• original triplet: loss:只是要求类内小于内间距离，类簇可能相对较大，这样会影响re-id的性能
  
  dn(Ioi,I+i,I−i,w)=d(ϕw(Ioi),ϕw(I+i))−d(ϕw(Ioi),ϕw(I−i))⩽τ1. d n ( I i o , I i + , I i − , w ) = d ( ϕ w ( I i o ) , ϕ w ( I i + ) ) − d ( ϕ w ( I i o ) , ϕ w ( I i − ) ) ⩽ τ 1 .
• improved triplet: loss:要求类内也要小于一个margin
  
  dp(Ioi,I+i,w)=d(ϕw(Ioi),ϕw(I+i))⩽τ2 d p ( I i o , I i + , w ) = d ( ϕ w ( I i o ) , ϕ w ( I i + ) ) ⩽ τ 2
• 最终公式如下：
  
  L(I,w)=1N∑i=1N(max{dn(Ioi,I+i,I−i,w),τ1}inter−class−constraint+βmax{dp(Ioi,I+i,I−i,w),τ2}intra−class−constraint)d(ϕw(Ioi),ϕw(I+i))=‖ϕw(Ioi)−ϕw(I+i)‖2 L ( I , w ) = 1 N ∑ i = 1 N ( m a x { d n ( I i o , I i + , I i − , w ) , τ 1 } ⏟ i n t e r − c l a s s − c o n s t r a i n t + β m a x { d p ( I i o , I i + , I i − , w ) , τ 2 } ⏟ i n t r a − c l a s s − c o n s t r a i n t ) d ( ϕ w ( I i o ) , ϕ w ( I i + ) ) = ‖ ϕ w ( I i o ) − ϕ w ( I i + ) ‖ 2

3.4. The Traning Algorithm

• 具体流程如下：
  
  
  

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4. Experiment

4.1. Setup

• Data augmentation: resize图片到100x250，然后随机crop80x230并加上微小的随机扰动
• Setting training parameters::
  
  • 权重初始化:两个均值为0的高斯分布，一个方差为0.01,另一个方差为0.001
  • 产生triplets:batch size=100，随机选五个人，对每个人随机生成20个triplets，相同对从类中选，不同对从剩下的类中选。
  • τ1,τ2,β τ 1 , τ 2 , β 分别设置为-1，0.01，0.002
• DataSets:
  
  • i-LIDS
  • PRID2011
  • VIPeR
  • CUHK01
• Evaluation protocol: cumulative match curve(CMC) metric：CMC曲线Rank1识别率就是表示按照某种相似度匹配规则匹配后，第一次就能判断出正确的标签的数目与总的测试样本数目之比，Rank5识别率就是指前五项（按照匹配程度从大到小排列后）有正确匹配。如果一个样本按照匹配程度从大到小排列后，到最后一项，才匹配到正确标签

4.2.Experiment Evaluations

• 通过4个变体来说明本文提出方法的有效性：
  
  • Variant1(T):去除了4个body-part通道并使用原始的triplet loss
  • Variant2(TC):相比T，使用了改进的triplet loss
  • Variant3(TP):使用五个通道与原始的triplet loss
  • Variant4(TPC):相比TP，使用了改进的triplet loss

• 具体结果如下：
  

  
  
  
  
  
  
  
  
  

• 对于较大的CUHK01，对上面四个变体每个通道各多加了一个卷积层
  

  
  
  

• 交叉验证对 β β 进行了选择，结果如下：
  
  
  

4.3.Analysis of different body parts

• 对于不同身体部分贡献程度的比较：训练了4个网络每个网络由full-body通道以及4个body-part的一个组成，结果如下图：
  
  
  
• 对卷积层学习到的特征图进行了可视化，可以看到full-body通道捕捉到了全局信息，part-body捕捉到了局部的细节信息
  
  
  

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5.Conclusion

• 总结了本文提出的框架对于联合学习全局与局部细节特征的作用，以及改进的triplet loss能使类内距离更近、类间距离更远的效果
• 本文的方法在大多数数据集上取得了SOTA的性能
• 将来工作：将我们的方法应用在图像以及视频检索问题上