Siamese 详解

本博客引用：
https://blog.csdn.net/ybdesire/article/details/84072339
https://blog.csdn.net/u011808673/article/details/84025349

摘要

Siamese网络用途，原理，如何训练？

背景

在人脸识别中，存在所谓的one-shot问题。举例来说，就是对公司员工进行人脸识别，每个员工只给你一张照片（训练集样本少），并且员工会离职、入职（每次变动都要重新训练模型）。有这样的问题存在，就没办法直接训练模型来解决这样的分类问题了。

为了解决one-shot问题，我们会训练一个模型来输出给定两张图像的相似度，所以模型学习得到的是similarity函数。

哪些模型能通过学习得到similarity函数呢？Siamese网络就是这样的一种模型。

Siamese网络原理

Siamese网络要给出输入图像X1和X2的相似度，所以它必须能接受两个图像作为输入，如下图：

图中上下两个模型，都由CNN构成，两个模型的参数值完全相同。不同于传统CNN的地方，是Siamese网络并不直接输出类别，而是输出一个向量(比如上图中是128个数值组成的一维向量)：

若输入的图像X1和X2为同一个人，则上下两个模型输出的一维向量欧氏距离较小
若输入的图像X1和X2不是同一个人，则上下两个模型输出的一维向量欧氏距离较大
所以通过对上下两个模型输出的向量做欧氏距离计算，就能得到输入两幅图像的相似度。

又因为上下两个模型具有相同的参数，所以训练模型时，只需要训练一个模型即可。那问题来了，这样的模型该怎么训练呢？模型的输出label该标注为什么呢？

如何训练Siamese网络

模型的训练，就是给定cost function后，用梯度下降法寻找最优值的过程。

训练Siamese网络，需要引入新的cost function。我们先看模型的学习目标（下图），再一步一步讲解cost function的最终表达式。

对图中的一幅照片A，如果给定了同一个人的另一幅照片P，则模型的输出向量f(A)和f§应该是距离比较小的。如果给定了另一个人的照片N，则模型的输出向量f(A)和f(N)之间的距离就比较小。所以 $d(A,P)<d(A,N)$。

根据这个目标，就得到了cost function的定义：

其目的，是遍历所有三元组(A,P,N)，求其L的最小。公式中的参数α，是一个超参数，用于做margin，能避免模型输出的都是零向量。

有了这个cost function，用梯度下降法就能找到模型的最优值。这个过程是不需要我们对模型的向量值进行人工标注的。

Siamese 网络

下面为Siamese网络在Caffe上的Prototxt文件：

name: "mnist_siamese_train_test"
layer {
  name: "pair_data"
  type: "Data"
  top: "pair_data"
  top: "sim"
  include {
    phase: TRAIN
  }
  transform_param {
    scale: 0.00390625
  }
  data_param {
    source: "examples/siamese/mnist_siamese_train_leveldb"
    batch_size: 64
  }
}
layer {
  name: "pair_data"
  type: "Data"
  top: "pair_data"
  top: "sim"
  include {
    phase: TEST
  }
  transform_param {
    scale: 0.00390625
  }
  data_param {
    source: "examples/siamese/mnist_siamese_test_leveldb"
    batch_size: 100
  }
}
layer {
  name: "slice_pair"
  type: "Slice"
  bottom: "pair_data"
  top: "data"
  top: "data_p"
  slice_param {
    slice_dim: 1
    slice_point: 1
  }
}
layer {
  name: "conv1"
  type: "Convolution"
  bottom: "data"
  top: "conv1"
  param {
    name: "conv1_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "conv1_b"
    lr_mult: 2
  }
  convolution_param {
    num_output: 20
    kernel_size: 5
    stride: 1
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "pool1"
  type: "Pooling"
  bottom: "conv1"
  top: "pool1"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  name: "conv2"
  type: "Convolution"
  bottom: "pool1"
  top: "conv2"
  param {
    name: "conv2_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "conv2_b"
    lr_mult: 2
  }
  convolution_param {
    num_output: 50
    kernel_size: 5
    stride: 1
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "pool2"
  type: "Pooling"
  bottom: "conv2"
  top: "pool2"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  name: "ip1"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "pool2"
  top: "ip1"
  param {
    name: "ip1_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "ip1_b"
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 500
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "relu1"
  type: "ReLU"
  bottom: "ip1"
  top: "ip1"
}
layer {
  name: "ip2"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "ip1"
  top: "ip2"
  param {
    name: "ip2_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "ip2_b"
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 10
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "feat"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "ip2"
  top: "feat"
  param {
    name: "feat_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "feat_b"
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 2
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "conv1_p"
  type: "Convolution"
  bottom: "data_p"
  top: "conv1_p"
  param {
    name: "conv1_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "conv1_b"
    lr_mult: 2
  }
  convolution_param {
    num_output: 20
    kernel_size: 5
    stride: 1
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "pool1_p"
  type: "Pooling"
  bottom: "conv1_p"
  top: "pool1_p"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  name: "conv2_p"
  type: "Convolution"
  bottom: "pool1_p"
  top: "conv2_p"
  param {
    name: "conv2_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "conv2_b"
    lr_mult: 2
  }
  convolution_param {
    num_output: 50
    kernel_size: 5
    stride: 1
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "pool2_p"
  type: "Pooling"
  bottom: "conv2_p"
  top: "pool2_p"
  pooling_param {
    pool: MAX
    kernel_size: 2
    stride: 2
  }
}
layer {
  name: "ip1_p"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "pool2_p"
  top: "ip1_p"
  param {
    name: "ip1_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "ip1_b"
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 500
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "relu1_p"
  type: "ReLU"
  bottom: "ip1_p"
  top: "ip1_p"
}
layer {
  name: "ip2_p"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "ip1_p"
  top: "ip2_p"
  param {
    name: "ip2_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "ip2_b"
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 10
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "feat_p"
  type: "InnerProduct"
  bottom: "ip2_p"
  top: "feat_p"
  param {
    name: "feat_w"
    lr_mult: 1
  }
  param {
    name: "feat_b"
    lr_mult: 2
  }
  inner_product_param {
    num_output: 2
    weight_filler {
      type: "xavier"
    }
    bias_filler {
      type: "constant"
    }
  }
}
layer {
  name: "loss"
  type: "ContrastiveLoss"
  bottom: "feat"
  bottom: "feat_p"
  bottom: "sim"
  top: "loss"
  contrastive_loss_param {
    margin: 1
  }
}