DR-GAN：Disentangled Representation Learning GAN for Pose-Invariant Face Recognition论文解读

写在之前：初看这篇论文，觉得很惊艳，很巧妙，非常值得细读和动手实践，本人调通的Pytorch代码也会在后面详解。

另一篇更具有新颖性的人脸特征变换的论文是FaceID-GAN。附我的FaceID-GAN论文解读

摘要

在人脸识别领域，两张脸之间的大角度差异是一个关键的挑战。。论文提出一种能学到一种和姿势无关的人脸特征，将脸部的pose信息从特征中分离出去，这样用于人脸识别的特征提取就能适用于识别人脸的各种角度。首先，G有两个部分，是encoder-decoder结构，这允许DR-GAN具有识别和生成的功能，（encoder就是识别网络，decoder就是生成网络）。第二，encoder输出的人脸特征是不具有姿势信息的，通过给decoder提供姿态编码和判别器的姿态估计来实现。

 

网络模型

 

DR-GAN的输入有三个，x，pose code，和noise z。x是输入图像，经过encoder，获得了特征fx。此时fx，c，都是一维向量，将它们concat到一起，在经过一个全连接层，reshape为[ batch_size，channel，6，6]的tesor，送入到decoder中。decoder和encoder对称，是反卷积过程。

至此G的结构就看清楚了。下面看看D。

D仍然是一个类似于encoder的卷积网络，用来提取特征，最后做id和pose的分类，意思就是D就是个分类网络。这里Nd是训练样本中的人的数目，Np是这些样本人脸都呈现几种角度。论文中Np是9，Nd随数据集变换。还有一个超参数是Nz，为50，用于生成服从均匀分布从-1到1的长度为50的向量，就是noise z。

注意到身份分类那里，就是id那里，D要分类出Nd+1个类别。可是数据集中只有Nd个人，多出来的那个类别是什么呢？

多出来的那个类别代表了假样本。我们记生成的假图像为x~。

总的来看，D要把x~分到那个多余的身份类别上，把x都按照属于哪个人的人脸分类。再看pose这边，将x~和x都按照人脸是呈现哪种角度来分类。需要说明的是人脸的角度呈现9种离散值，可不是连续的哦。-60到+60，间隔为15度。

论文同时提出两种dr-gan，分别是single-image和multi-image。这两个gan仅在损失函数和处理fx上不同。

其中single-image的过程就是上述说的那样，输入的就是batch_size，channel，height，width的tensor，意思是batch中的图像都独立的，没联系。

multi-image的输入shape是[n* batch_size,channels, height, width]，注意这个n意思是在一个mini batch中，同一个人脸有n张，有batch_size个人。先看同一个人的n张图像送进网络的过程。n张同一个人的脸通过encoder得到n个fx，需要一个fusion的过程，将这n个特征融合成一个特征。一种很容易想到的方法就是用1/n加权平均，论文并不是这么做的。再得到fx的同时，也用全连接层预测n个数字，代表了n个特征的confident coefficient（置信相关值？），用这n个值加权平均来得到最终的fx。

回顾一下过程，不难看出DR-GAN的亮点就在这个encoder之后，decoder之前的过程，将fx，z，pose code做处理的过程。

以上是全部的模型结构。注意到蓝色的+1，就是在预测那个confident coeffient。

 

思路来源

论文认为，人脸中通常存在扰乱的变化，因此通过encoder学习到的特征可能包含了这些干扰变换。例如encoder能对一个人的两张脸产生不同的身份特征，这些脸呈现0-90的变换。我认为这段意思就是说明明是相同的人的脸，仅仅是角度不同，我们使用诸如arcface，facenet，mobilefacenet获得的特征向量就不同了，指不定差异很大，这就是由于这些干扰变化导致的。

为了补救这个问题，论文采用side information，比如说pose code来学的一种具有判别力的表征。

损失函数

文中第三部分开头描述了下最初的gan所用的损失函数，并且指出G网络的损失函数不好，（因为在训练初期梯度小，关于GAN的损失函数发展历程以后会再写一篇汇总）。原始gan要优化的目标是。

G要最小化第二项，因为G希望D(G(z))很大，希望D将Gz判断为正样本。DGZ越大，第二项就越小。

论文中更换的损失函数如下：

这两个函数最初并不是DR-Gan提出的。

现在就可以正式介绍DR-GAN所使用的损失函数了。

single-image dr-gan

一个样本x的标签是y={ yd，yp}，yd是这个人的身份类别，yp是人脸呈现的角度类别（9类）。

D的输出是[ Nd+1+Np]维的向量。前Nd+1用来做身份分类，后面的Np大小的向量自然是用来做pose的分类。

D=

上面是D的损失函数，有点长。第一项对应真实数据x，第二项对应假的数据x~。先看第一项。

我打不出这些符号就先这么看吧。第一项其实就是对真实样本x进行身份分类和pose分类的交叉熵的相反数。

第二项中G(x,c,z)是生产的假图像x~，log里面的就是将假图像分类到假样本的交叉熵的相反数。注意到这里是不需要对假样本的pose进行分类的，假样本对应的pose code是人来提供的，是one hot编码。（至于为啥不需要呢？）

两项加在一起，最大化它们的和，就是最小化分类交叉熵。

再看看G的损失函数。

 

第一项是对假样本的分类，这里注意到G的目的是想混淆D，所以G想把假样本分类到对应的真实样本所属于的类上，所以第一项中的D的下标是yd，而不是Nd+1。第二项是想将假样本分类到正确的pose类别上。

这样假样本既能努力提升生成人脸的质量来混淆D的身份分类任务，也能获得具有期望的pose的人脸。

 

mutil-image dr-gan

略，因为损失函数虽然不同，但是也挺相似的。

 

实验结果

我仅仅在cfp 数据集中训练，因为数据集很小，没法获得很好的效果。

论文中使用cisia-webface数据集，同时使用了【12】【13】做出了pose label。cfp 仅仅有正脸和侧脸，所以我用的pose code就是[0 1]  [1 0] 。下图左边是生产假数据，训练了1000个epoch的结果，还是很假。不过有些例子，确实能看到是保留了身份信息的，比如说第2行的第二张，第三行的第四张。

 

DR-GAN下载地址和代码片段解读见：

https://blog.csdn.net/qq_34914551/article/details/87381230