人脸识别之SphereFace

论文：SphereFace： Deep Hypersphere Embedding for Face Recognition

首先，需要先科普一下在训练和测试人脸识别分类器的时候经常被提到的Open-set 和Close-set。Figure 1是一个直观的展示。

close-set，就是所有的测试集都在训练集中出现过。所以预测结果是图片的ID，如果想要测试两张图片是否是同一个，那么就看这两张图片的预测ID是否一样即可。

open-set，就是测试的图片并没有在训练集中出现过，那么每张测试图片的预测结果是特征向量，如果想要比较两张图片的人脸是否属于同一个人，需要测试图像特征向量的距离。

该论文主要是解决Open-set数据集上的人脸识别任务。理想的Open-set人脸识别学习到的特征应当在特定的度量空间中，满足同一类的最大类内距离小于不同类的最小类间距离。然而softmax loss仅仅能够使得特征可分，还不能够使得特征具有可判别性。尽管有一些方法通过结合softmax loss和 contrastive loss，center loss去提高特征的可判别性，但是contrastive loss和center loss需要精心地构建图像对和三元组，不仅耗时而且构建的训练对会对识别性能影响很大。因此，在这篇论文中，作者提出了angular softmax（A-Softmax）loss。

对于一个二分类的softmax的决策边界是，如果限制，那么边界决策函数就就可以变形为, 其中是权重向量和特征向量之间的夹角，那么这个边界决策函数仅仅由和所决定，因此损失函数关注的是特征的角度可分性。在此基础上，作者又引进了一个整数变量m（m>=1），m控制着角度间隔，对类别1和类别2的边界决策函数变形为和。这就是二分类的A-Softmax loss。Table 1罗列了softmax Loss ，modified softmax loss和A-softmax loss 在二分类的情况下的边界决策函数的形式，Figure 2 则是效果展示。虽然是二分类形式，但是也可以一般化成多类别的分类。

上面以二分类的情况作为一个例子，下面就开始描述一般化的形式。

对于输入特征和它的标签，softmax loss的一般化函数可表示如下

其中N表示训练样本的次数，卷及网络中，f通常是全连接层W的输出，所以，将f函数带入，可以将公式变换为如下：

                                                    

然后，在每一次迭代中归一化权值并且将偏置 biases 设置为0，那么就可以得到 modified softmax-loss，公式如下所示：

虽然可以通过modified softmax loss学习特征，但是这些特征不一定可判别。为了进一步将强特征的可判别性，作者将角度距离加入到损失函数中，即A-Softmax loss，一般化的公式如下：

其中，的范围为，为了消除该限制，并能够在CNN中最优，定义角度函数扩展的定义范围，这个函数在区间内等价于，因此A-softmax的公式可表示为：

其中，。可以看出，当m=1时，A-softmax loss就变成modified softmax loss。当m增大时，角度距离也会增加，当m=1时，角度距离为0. 从决策函数角度解释A-softmax loss，A-softmax loss 对于不同的类别采用了不同的决策函数，每个决策函数比原始的更加严格，因而产生了角度距离。

总的来说，论文中的A-softmax loss并不是新的loss，只是在原始的softmax loss的基础上做了改进，加入整数m，产生了角度距离，结果表明这个角度距离可以使得特征具有可判别性，而且m越大，可判别性就越大。